嵌入式Linux——Framebuffer应用编程

1.LCD操作原理

1.1原理

在 Linux 系统中通过 Framebuffer 驱动程序来控制 LCD

Framebuffer中保存着一帧图像的每一个像素颜色值，假设LCD的分辨率是1024x768，每一个像素的颜色用32位来表示，那么Framebuffer的大小就是：1024x768x32/8=3145728字节

简单介绍LCD的操作原理：

1. 驱动程序设置好LCD控制器：
           根据LCD的参数设置LCD控制器的时序、信号极性；
           根据LCD分辨率、BPP（bit_per_pixel）分配Framebuffer。
2. APP使用ioctl获得LCD分辨率、BPP
3. APP通过mmap映射Framebuffer，在Framebuffer中写入数据

假设需要设置 LCD 中坐标(x,y)处像素的颜色，首要要找到这个像素对应的内存，然后根据它的 BPP 值设置颜色。假设 fb_base 是 APP 执行 mmap 映射得到的 Framebuffer 地址，如下图

可以用以下公式算出(x,y)坐标处像素对应的 Framebuffer 地址：

(x，y)像素起始地址=fb_base + (xres*bpp/8) * y + x * bpp / 8 

像素的颜色怎么表示？

用 RGB 三原色(红、绿、蓝)来表示的，在不同的BPP格式中，用不同的位来分别表示 R、G、B

对于 32BPP，一般只设置其中的低 24 位，高 8 位表示透明度，一般的 LCD 都不支持。

对于 24BPP，硬件上为了方便处理，在 Framebuffer 中也是用 32 位来表 示，效果跟 32BPP 是一样的。

对于 16BPP，常用的是 RGB565；很少的场合会用到 RGB555，这可以通过 ioctl 读取驱动程序中的 RGB 位偏移来确定使用哪一种格式。  

2.涉及的API函数

本节程序的目的是：打开 LCD 设备节点，获取分辨率等参数，映射 Framebuffer，最后实现描点函数。

5.1 open函数

在文件IO那一节有介绍，就是一个打开文件的API函数（在 Ubuntu 中执行“man 2 open”，可以看到 open 函数的说明）

头文件：

        #include

        #include
        #include

函数原型：
        int open(const char *pathname, int flags);

        int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函数说明：

1. pathname 表示打开文件的路径；
2. Flags 表示打开文件的方式，常用的有以下 6 种：
   ◼ O_RDWR 表示可读可写方式打开;
   ◼ O_RDONLY 表示只读方式打开;
   ◼ O_WRONLY 表示只写方式打开;
   ◼ O_APPEND 表示如果这个文件中本来是有内容的，则新写入的内容会 接续到原来内容的后面;
   ◼ O_TRUNC 表示如果这个文件中本来是有内容的，则原来的内容会被丢弃，截断；
   ◼ O_CREAT 表示当前打开文件不存在，我们创建它并打开它，通常与 O_EXCL 结合使用，当没有文件时创建文件，有这个文件时会报错提醒我们；
3. Mode 表示创建文件的权限，只有在 flags 中使用了 O_CREAT 时才有效， 否则忽略。
4. 返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。

5.2 ioctl 函数

ioctl 的作用非常强大、灵活。不同的驱动程序内部会实现不同的 ioctl， APP 可以使用各种 ioctl 跟驱动程序交互：可以传数据给驱动程序，也可以从驱 动程序中读出数据。 （后面用于读取LCD参数）

在 Ubuntu 中执行“man ioctl”，可以看到 ioctl 函数的说明

头文件：

        #include

函数原型：

        int ioctl ( int fd, unsigned long request, ...);  

函数说明：

1. fd 表示文件描述符；
2. request 表示与驱动程序交互的命令，用不同的命令控制驱动程序输出我们 需要的数据；
3. … 表示可变参数 arg，根据 request 命令，设备驱动程序返回输出的数据。
4. 返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。

 1.3 mmap 函数

用于将设备地址映射到内存地址

在 Ubuntu 中执行“man mmap”，可以看到 mmap 函数的说明

关于 mmap 的介绍。作为 APP 开发，只需要知道它的用法就可以了

头文件：

        #include

函数原型：

        void *mmap (void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

函数说明：

1. addr 表示指定映射的內存起始地址，通常设为 NULL 表示让系统自动选定 地址，并在成功映射后返回该地址；
2. length 表示将文件中多大的内容映射到内存中；
3. prot 表示映射区域的保护方式，可以为以下 4 种方式的组合
   ◼ PROT_EXEC 映射区域可被执行
   ◼ PROT_READ 映射区域可被读出
   ◼ PROT_WRITE 映射区域可被写入
   ◼ PROT_NONE 映射区域不能存取 Flags 表示影响映射区域的不同特性，常用的有以下两种
   ◼ MAP_SHARED 表示对映射区域写入的数据会复制回文件内，原来的文件会改变。
   ◼ MAP_PRIVATE 表示对映射区域的操作会产生一个映射文件的复制，对此区域的任何修改都不会写回原来的文件内容中。
4. 返回值：若成功映射，将返回指向映射的区域的指针，失败将返回-1。

3.Framebuffer 程序分析 

3.1 打开设备

// 打开帧缓冲设备 "/dev/fb0"，以读写模式打开
fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);

// 检查是否成功打开设备
if (fd_fb < 0) 
{ 
    // 如果打开失败，打印错误信息
    printf("can't open /dev/fb0\n");

    // 返回 -1 表示程序异常退出
    return -1; 
}

3.2 获取 LCD 参数 

LCD 驱动程序给 APP 提供 2 类参数：
可变的参数 fb_var_screeninfo、固 定的参数 fb_fix_screeninfo。编写应用程序时主要关心可变参数

可变参数结构体内容如图

可以使用以下代码获取 fb_var_screeninfo：  

// 定义一个结构体变量 var，用于存储帧缓冲设备的可变屏幕信息
static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */

...

// 使用 ioctl 函数获取帧缓冲设备的可变屏幕信息
if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)) 
{ 
    // 如果获取失败，打印错误信息
    printf("can't get var\n");

    // 返回 -1 表示程序异常退出
    return -1; 
}

注意到 ioctl 里用的参数是：FBIOGET_VSCREENINFO，它表示 get var screen info，获得屏幕的可变信息；当然也可以使用 FBIOPUT_VSCREENINFO 来调整这 些参数，但是很少用到。 

3.3 映射 Framebuffer  

要映射一块内存，需要知道它的地址──这由驱动程序来设置，需要知道它的大小──这由应用程序决定。

// 计算每行的字节数：水平分辨率（像素数） * 每个像素的字节数
line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;

// 计算每个像素的字节数：每个像素的位数 / 8
pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;

// 计算整个屏幕的字节大小：水平分辨率 * 垂直分辨率 * 每个像素的字节数
screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;

// 使用 mmap 将帧缓冲设备映射到用户空间的内存中
fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL, screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);

// 检查 mmap 是否成功
if (fb_base == (unsigned char *)-1) 
{ 

    printf("can't mmap\n");

    // 返回 -1 表示程序异常退出
    return -1; 
}

screen_size 是整个 Framebuffer 的大小；
PROT_READ | PROT_WRITE 表示该区域可读、可写；
MAP_SHARED 表示该区域是共享的，APP 写 入数据时，会直达驱动程序

3.4 描点函数

能够在 LCD 上描绘指定像素后，就可以写字、画图，描点函数是基础。代码如下：

// 在屏幕上绘制一个像素
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color) 
{ 
    // 计算像素在帧缓冲内存中的起始地址（起始地址+偏移地址）
    unsigned char *pen_8 = fb_base + y * line_width + x * pixel_width;

    // 定义指向 16 位和 32 位颜色数据的指针（分别对应16、32位颜色表示）
    unsigned short *pen_16;
    unsigned int *pen_32;

    // 定义颜色的红、绿、蓝分量
    unsigned int red, green, blue;

    // 将 pen_8 强制转换为 16 位和 32 位指针
    pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
    pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

    // 根据每个像素的位数（颜色深度）处理颜色数据
    switch (var.bits_per_pixel) 
    { 
        case 8:  // 8 位颜色深度
        { 
            // 直接将颜色值写入帧缓冲内存
            *pen_8 = color;
            break; 
        } 
        case 16:  // 16 位颜色深度（通常为 RGB565 格式）
        { 
            // 提取颜色的红、绿、蓝分量
            red = (color >> 16) & 0xff;   // 提取红色分量（高 8 位）
            green = (color >> 8) & 0xff;  // 提取绿色分量（中 8 位）
            blue = (color >> 0) & 0xff;   // 提取蓝色分量（低 8 位）

            // 将 24 位颜色（RGB888）转换为 16 位颜色（RGB565）
            color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);

            // 将转换后的颜色值写入帧缓冲内存
            *pen_16 = color;
            break; 
        } 
        case 32:  // 32 位颜色深度（通常为 ARGB8888 格式）
        { 
            // 直接将颜色值写入帧缓冲内存
            *pen_32 = color;
            break; 
        } 
        default:  // 不支持的颜色深度
        { 
            // 打印错误信息
            printf("can't support %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
            break; 
        } 
    } 
}

参数color 表示颜色，它的格式永远是0x00RRGGBB，即 RGB888。 当 LCD 是16bpp 时，要把 color 变量中的 R、G、B 抽出来再合并成 RGB565 格式。  

对于16位颜色值，把 red、green、blue 这三种 8 位颜色值，根据 RGB565 的格式， 只保留 red 中的高 5 位、green 中的高 6 位、blue 中的高 5 位，组合成一个新 的 16 位颜色值。

3.5 随便画几个点

/* 清屏: 全部设为白色 */ 
memset(fbmem, 0xff, screen_size); 
 
/* 随便设置出 100 个为红色 */ 
for (i = 0; i < 100; i++) 
    lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);