Linux下的帧缓冲lcd应用编程及Framebuffer驱动程序模型

2022-04-19 09:35:51 来源：

导读大家好，我是本期栏目编辑小友，现在为大家讲解Linux下的帧缓冲lcd应用编程及Framebuffer驱动程序模型问题。 1 Linux的帧缓冲设备。 Fram

大家好，我是本期栏目编辑小友，现在为大家讲解Linux下的帧缓冲lcd应用编程及Framebuffer驱动程序模型问题。

1.Linux的帧缓冲设备。

Framebuffer是Linux为显示设备提供的接口，是对视频内存进行抽象后的设备。它允许上层应用程序在图形模式下直接读写显示缓冲区。这种操作是抽象的、统一的。用户不必在意物理视频内存的位置、换页机制等细节。这些都是由帧缓冲设备驱动程序完成的。帧缓冲驱动程序被广泛使用。在linux的桌面系统中，Xwindow服务器使用帧缓冲区来绘制窗口。尤其是汉字点阵可以通过帧缓冲显示，成为Linux本地化唯一可行的方案。

帧缓冲设备对应的设备文件为/dev/fb*。如果系统有多个显示卡，Linux还可以支持多达32个的多个帧缓冲设备，分别是/dev/fb0到/dev/fb31，而/dev/fb是当前默认的帧缓冲设备，通常指向/dev/fb0。当然，在嵌入式系统中支持一个显示设备就足够了。帧缓冲设备是标准字符设备，主设备编号为29，辅助设备编号范围为0到31。分别对应/dev/fb0-/dev/fb31。

使用/dev/fb，应用程序有几个主要操作：

1.读/写/dev/FB:相当于读/写屏幕缓冲区。例如，cp /dev/fb0 tmp命令可以将当前屏幕的内容复制到一个文件中，而cp tmp /dev/fb0命令则直接在屏幕上显示图形文件tmp。

2.映射操作：由于Linux工作在保护模式下，每个应用程序都有自己的虚拟地址空间，无法直接访问应用程序中的物理缓冲区地址。因此，Linux在文件操作的file_operations结构中提供了mmap功能，可以将文件的内容映射到用户空间。对于帧缓冲设备，可以通过映射操作将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间中的虚拟地址，然后用户可以通过读写这个虚拟地址来访问屏幕缓冲区并在屏幕上进行绘制。

3.I/O控制：对于帧缓冲设备，设备文件上的ioctl操作可以读取/设置显示设备和屏幕的参数，如分辨率、显示色号、屏幕大小等。Ioctl操作由底层驱动程序完成。

在应用程序中，操作/开发/fb的一般步骤如下：

1.打开/dev/fb设备文件。

2.使用ioctl操作获取当前显示屏的参数，如屏幕分辨率和每个像素的位数。根据屏幕参数，可以计算屏幕缓冲区的大小。

3.将屏幕缓冲区映射到用户空间(mmap)。

4.映射后可以直接读写屏幕缓冲区进行绘图和图片显示。

典型程序如下：

一个

三

四

五

六

七

八

九

indent: 2em;"> 20

#include

int main()

{

int fbfd = 0;

struct fb_var_screeninfo vinfo;

struct fb_fix_screeninfo finfo;

long int screensize = 0;

/*打开设备文件*/

fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);

/*取得屏幕相关参数*/

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);

/*计算屏幕缓冲区大小*/

screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;

/*映射屏幕缓冲区到用户地址空间*/

fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);

/*下面可通过 fbp指针读写缓冲区*/

……

/*释放缓冲区，关闭设备*/

munmap(fbp, screensize);

close(fbfd);

}

二、ioctl操作

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)

获取fb_var_screeninfo结构的信息，在linux/include/linux/fb.h定义。

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)

获取fb_fix_screeninfon结构的信息。在linux/include/linux/fb.h定义。

fbfd为设备文件号。

三．mmap函数

功能描述：

mmap函数是unix/linux下的系统调用

mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。

基于文件的映射，在mmap和munmap执行过程的任何时刻，被映射文件的st_aTIme可能被更新。如果st_aTIme字段在前述的情况下没有得到更新，首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射，其st_cTIme 和 st_mTIme

在对映射区写入之后，但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。

用法：

#include

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,

int fd, off_t offset);

int munmap(void *start, size_t length);

参数：

start：映射区的开始地址。

length：映射区的长度。

prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起

PROT_EXEC //页内容可以被执行

PROT_READ //页内容可以被读取

PROT_WRITE //页可以被写入

PROT_NONE //页不可访问

flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体

MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。

MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。

MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。

MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。

MAP_EXECUTABLE //同上

MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。

MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。

MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。

MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。

MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。

MAP_FILE //兼容标志，被忽略。

MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。

MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。

MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。

offset：被映射对象内容的起点。

返回说明：

成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值

EACCES：访问出错

EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定

EBADF：fd不是有效的文件描述词

EINVAL：一个或者多个参数无效

ENFILE：已达到系统对打开文件的限制

ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射

ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量

EPERM：权能不足，操作不允许

ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志

SIGSEGV：试着向只读区写入

SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

四、编程实例：

内核：linux-2.6.29.1

目标板：友善之臂mini2440

arm-linux-gcc-4.3.2

下载

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Framebuffer驱动程序模型下图会向你展示目前的framebuffer设备驱动的结构，最常用的是非标准驱动。很明显他所处的层次最高，程序编写是最容易的。理解了这个图的，你已经很轻松的去完成一个fb驱动，比如给sa1100,s2410,s2440系列的ARM的LCD控制器写驱动。

Color Map 剖析在framebuffer驱动程序设计中，cmap这个东东太晕了。现在我要把他赤裸裸的剖析给大家：） 1． struct fb_cmap

/*颜色映射表*/

struct fb_cmap {

__u32 start; /* First entry */

__u32 len; /* Number of entries */

__u16 *red; /* 红色 */

__u16 *green; /*绿色*/

__u16 *blue; /*蓝色*/

__u16 *transp; /* 透明度,允许 NULL */

};

该结构在fb.h文件中定义，在struct fb_ops结构中有两个成员函数与其相关：

/*获取颜色表*/

int (*fb_get_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);

/*设定颜色表*/

int (*fb_set_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);

在struct fb_info结构中有变量：

struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */

在fpgen基础操作下提供：

extern int

fbgen_get_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);

extern int

fbgen_set_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info);

在文件/* drivers/video/fbcmap.c */中提供更多的cmap应用

extern int fb_alloc_cmap(struct fb_cmap *cmap, int len, int transp);

extern void fb_copy_cmap(struct fb_cmap *from, struct fb_cmap *to, int fsfromto);

extern int fb_get_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc,

int (*getcolreg)(u_int, u_int *, u_int *, u_int *,u_int *, struct fb_info *),

struct fb_info *fb_info);

extern int fb_set_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc,

int (*setcolreg)(u_int, u_int, u_int, u_int, u_int,struct fb_info *),

struct fb_info *fb_info);

extern struct fb_cmap *fb_default_cmap(int len);

extern void fb_invert_cmaps(void);

2．通过文件解析在anakinfb.c文件中，cmap如图

在stifb.c

本文介绍的设备是位于/video目录下面的anakinfb.c驱动程序。虽然我不清楚那个设备的特性，但是从对程序的分析中我们仍然知道如何编写一个frame buffer设备驱动。

本文是个标准的fb驱动。共221行，包含函数如下：

static int anakinfb_getcolreg(u_int regno, u_int *red, u_int *green, u_int *blue, u_int *transp, struct fb_info *info) 31行

static int anakinfb_setcolreg(u_int regno, u_int red, u_int green, u_int blue,u_int transp, struct fb_info *info) 45行

static int anakinfb_get_fix(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con, struct fb_info *info) 57行

static int anakinfb_get_var(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info) 75行

static int anakinfb_set_var(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info) 111行

static int anakinfb_get_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info) 117行

static int anakinfb_set_cmap(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con, struct fb_info *info) 130行

static int anakinfb_switch_con(int con, struct fb_info *info) 147行

static int anakinfb_updatevar(int con, struct fb_info *info) 155行

static void anakinfb_blank(int blank, struct fb_info *info) 161行

int __init anakinfb_init(void) 178行

函数1，2是寄存器操作用。函数3，4，5，6，7是fb_ops函数。函数8用于切换控制台。函数9用于更新变量。函数10用于闪烁屏幕。函数11用于初始化设备。很奇怪，对fb设备的读写函数怎么没有！值得说明的是open,release,read,write,ioctl,mmap等函数的实现是由 fbmem.c文件实现了。也就是说所有的fb设备在给定了fb_info后，所有的操作都是一样的。在明确的fb_info前提下，fbmem.c中的函数可以工作的很好。这样大家应该感到非常轻松了吧，只要完成上述的几个设备相关的函数，frame buffer设备的驱动就写完了：）系统的结构如图：

Stifb驱动模型 linux/drivers/video/stifb.c - Generic frame buffer driver for HP * workstations with STI (standard text interface) video firmware. 这个驱动程序和前面的anakin设备完全不同，因为他不是采用标准的格式，而是根据 based on skeletonfb, which wasCreated 28 Dec 1997 by Geert Uytterhoeven也就是skeletonfb.c提供的框架完成的。

共230行，包含函数如下：

static int sti_encode_fix(struct fb_fix_screeninfo *fix, const void *par, struct fb_info_gen *info) 60行

static int sti_decode_var(const struct fb_var_screeninfo *var,void *par, struct fb_info_gen *info) 71行

static int sti_encode_var(struct fb_var_screeninfo *var, const void *par, struct fb_info_gen *info) 78行

static void sti_get_par(void *par, struct fb_info_gen *info) 94行

static void sti_set_par(const void *par, struct fb_info_gen *info) 99行

static int sti_getcolreg(unsigned regno, unsigned *red, unsigned *green, unsigned *blue, unsigned *transp, struct fb_info *info) 104行

static int sti_setcolreg(unsigned regno, unsigned red, unsigned green, unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info) 111行

static void sti_set_disp(const void *par, struct display *disp, struct fb_info_gen *info) 118行

static void sti_detect(void) 127行

static int sti_blank(int blank_mode, const struct fb_info *info) 132行

int __init stifb_init(void) 161行

void stifb_cleanup(struct fb_info *info) 201行

int __init stifb_setup(char *options) 208行

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