Linux下的幀緩沖lcd應(yīng)用編程及Framebuffer驅(qū)動(dòng)程序模型

一、Linux的幀緩沖設(shè)備

幀緩沖（framebuffer）是 Linux 為顯示設(shè)備提供的一個(gè)接口，把顯存抽象后的一種設(shè)備，他允許上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。這種操作是抽象的，統(tǒng)一的。用戶不必關(guān)心物理顯存的位置、換頁(yè)機(jī)制等等具體細(xì)節(jié)。這些都是由Framebuffer 設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)完成的。幀緩沖驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用廣泛，在 linux 的桌面系統(tǒng)中，Xwindow 服務(wù)器就是利用幀緩沖進(jìn)行窗口的繪制。尤其是通過(guò)幀緩沖可顯示漢字點(diǎn)陣，成為 Linux漢化的唯一可行方案。

幀緩沖設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/fb*，如果系統(tǒng)有多個(gè)顯示卡，Linux 下還可支持多個(gè)幀緩沖設(shè)備，最多可達(dá) 32 個(gè)，分別為/dev/fb0 到/dev/fb31，而/dev/fb 則為當(dāng)前缺省的幀緩沖設(shè)備，通常指向/dev/fb0。當(dāng)然在嵌入式系統(tǒng)中支持一個(gè)顯示設(shè)備就夠了。幀緩沖設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)字符設(shè)備，主設(shè)備號(hào)為29，次設(shè)備號(hào)則從0到31。分別對(duì)應(yīng)/dev/fb0-/dev/fb31。

通過(guò)/dev/fb，應(yīng)用程序的操作主要有這幾種：

1．讀/寫（read/write）/dev/fb：相當(dāng)于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。例如用 cp /dev/fb0 tmp 命令可將當(dāng)前屏幕的內(nèi)容拷貝到一個(gè)文件中，而命令 cp tmp > /dev/fb0 則將圖形文件tmp直接顯示在屏幕上。

2．映射（map）操作：由于 Linux 工作在保護(hù)模式，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的虛擬地址空間，在應(yīng)用程序中是不能直接訪問(wèn)物理緩沖區(qū)地址的。為此，Linux 在文件操作 file_operations 結(jié)構(gòu)中提供了?mmap?函數(shù)，可將文件的內(nèi)容映射到用戶空間。對(duì)于幀緩沖設(shè)備，則可通過(guò)映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過(guò)讀寫這段虛擬地址訪問(wèn)屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上繪圖了。

3．I/O控制：對(duì)于幀緩沖設(shè)備，對(duì)設(shè)備文件的 ioctl操作可讀取/設(shè)置顯示設(shè)備及屏幕的參數(shù)，如分辨率，顯示顏色數(shù)，屏幕大小等等。ioctl 的操作是由底層的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成的。

在應(yīng)用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下：

1．打開/dev/fb設(shè)備文件。

2．用 ioctl 操作取得當(dāng)前顯示屏幕的參數(shù)，如屏幕分辨率，每個(gè)像素點(diǎn)的比特?cái)?shù)。根據(jù)屏幕參數(shù)可計(jì)算屏幕緩沖區(qū)的大小。

3．將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間（mmap）。

4．映射后就可以直接讀寫屏幕緩沖區(qū)，進(jìn)行繪圖和圖片顯示了。

典型程序段如下：

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#include

int?main()

{

int?fbfd = 0;

struct?fb_var_screeninfo vinfo;

struct?fb_fix_screeninfo finfo;

long?int?screensize = 0;

/*打開設(shè)備文件*/

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

/*取得屏幕相關(guān)參數(shù)*/

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);

/*計(jì)算屏幕緩沖區(qū)大小*/

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

/*映射屏幕緩沖區(qū)到用戶地址空間*/

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

/*下面可通過(guò) fbp指針讀寫緩沖區(qū)*/

……

/*釋放緩沖區(qū)，關(guān)閉設(shè)備*/

munmap(fbp, screensize);

close(fbfd);

}

二、ioctl操作

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)

獲取fb_var_screeninfo結(jié)構(gòu)的信息，在linux/include/linux/fb.h定義。

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)

獲取fb_fix_screeninfon結(jié)構(gòu)的信息。在linux/include/linux/fb.h定義。

fbfd為設(shè)備文件號(hào)。

三．mmap函數(shù)

功能描述：

mmap函數(shù)是unix/linux下的系統(tǒng)調(diào)用

mmap將一個(gè)文件或者其它對(duì)象映射進(jìn)內(nèi)存。文件被映射到多個(gè)頁(yè)上，如果文件的大小不是所有頁(yè)的大小之和，最后一個(gè)頁(yè)不被使用的空間將會(huì)清零。munmap執(zhí)行相反的操作，刪除特定地址區(qū)域的對(duì)象映射。

基于文件的映射，在mmap和munmap執(zhí)行過(guò)程的任何時(shí)刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情況下沒(méi)有得到更新，首次對(duì)映射區(qū)的第一個(gè)頁(yè)索引時(shí)會(huì)更新該字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED標(biāo)志建立起來(lái)的文件映射，其st_ctime 和 st_mtime

在對(duì)映射區(qū)寫入之后，但在msync()通過(guò)MS_SYNC 和 MS_ASYNC兩個(gè)標(biāo)志調(diào)用之前會(huì)被更新。

用法：

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#include

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

int?fd, off_t offset);

int?munmap(void?*start, size_t length);

參數(shù)：

start：映射區(qū)的開始地址。

length：映射區(qū)的長(zhǎng)度。

prot：期望的內(nèi)存保護(hù)標(biāo)志，不能與文件的打開模式?jīng)_突。是以下的某個(gè)值，可以通過(guò)or運(yùn)算合理地組合在一起

PROT_EXEC //頁(yè)內(nèi)容可以被執(zhí)行

PROT_READ //頁(yè)內(nèi)容可以被讀取

PROT_WRITE //頁(yè)可以被寫入

PROT_NONE //頁(yè)不可訪問(wèn)

flags：指定映射對(duì)象的類型，映射選項(xiàng)和映射頁(yè)是否可以共享。它的值可以是一個(gè)或者多個(gè)以下位的組合體

MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len參數(shù)指定的內(nèi)存區(qū)重疊于現(xiàn)存的映射空間，重疊部分將會(huì)被丟棄。如果指定的起始地址不可用，操作將會(huì)失敗。并且起始地址必須落在頁(yè)的邊界上。

MAP_SHARED //與其它所有映射這個(gè)對(duì)象的進(jìn)程共享映射空間。對(duì)共享區(qū)的寫入，相當(dāng)于輸出到文件。直到msync()或者munmap()被調(diào)用，文件實(shí)際上不會(huì)被更新。

MAP_PRIVATE //建立一個(gè)寫入時(shí)拷貝的私有映射。內(nèi)存區(qū)域的寫入不會(huì)影響到原文件。這個(gè)標(biāo)志和以上標(biāo)志是互斥的，只能使用其中一個(gè)。

MAP_DENYWRITE //這個(gè)標(biāo)志被忽略。

MAP_EXECUTABLE //同上

MAP_NORESERVE //不要為這個(gè)映射保留交換空間。當(dāng)交換空間被保留，對(duì)映射區(qū)修改的可能會(huì)得到保證。當(dāng)交換空間不被保留，同時(shí)內(nèi)存不足，對(duì)映射區(qū)的修改會(huì)引起段違例信號(hào)。

MAP_LOCKED //鎖定映射區(qū)的頁(yè)面，從而防止頁(yè)面被交換出內(nèi)存。

MAP_GROWSDOWN //用于堆棧，告訴內(nèi)核VM系統(tǒng)，映射區(qū)可以向下擴(kuò)展。

MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射區(qū)不與任何文件關(guān)聯(lián)。

MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的別稱，不再被使用。

MAP_FILE //兼容標(biāo)志，被忽略。

MAP_32BIT //將映射區(qū)放在進(jìn)程地址空間的低2GB，MAP_FIXED指定時(shí)會(huì)被忽略。當(dāng)前這個(gè)標(biāo)志只在x86-64平臺(tái)上得到支持。

MAP_POPULATE //為文件映射通過(guò)預(yù)讀的方式準(zhǔn)備好頁(yè)表。隨后對(duì)映射區(qū)的訪問(wèn)不會(huì)被頁(yè)違例阻塞。

MAP_NONBLOCK //僅和MAP_POPULATE一起使用時(shí)才有意義。不執(zhí)行預(yù)讀，只為已存在于內(nèi)存中的頁(yè)面建立頁(yè)表入口。

fd：有效的文件描述詞。如果MAP_ANONYMOUS被設(shè)定，為了兼容問(wèn)題，其值應(yīng)為-1。

offset：被映射對(duì)象內(nèi)容的起點(diǎn)。

返回說(shuō)明：

成功執(zhí)行時(shí)，mmap()返回被映射區(qū)的指針，munmap()返回0。失敗時(shí)，mmap()返回MAP_FAILED[其值為(void *)-1]，munmap返回-1。errno被設(shè)為以下的某個(gè)值

EACCES：訪問(wèn)出錯(cuò)

EAGAIN：文件已被鎖定，或者太多的內(nèi)存已被鎖定

EBADF：fd不是有效的文件描述詞

EINVAL：一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)無(wú)效

ENFILE：已達(dá)到系統(tǒng)對(duì)打開文件的限制

ENODEV：指定文件所在的文件系統(tǒng)不支持內(nèi)存映射

ENOMEM：內(nèi)存不足，或者進(jìn)程已超出最大內(nèi)存映射數(shù)量

EPERM：權(quán)能不足，操作不允許

ETXTBSY：已寫的方式打開文件，同時(shí)指定MAP_DENYWRITE標(biāo)志

SIGSEGV：試著向只讀區(qū)寫入

SIGBUS：試著訪問(wèn)不屬于進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)

四、編程實(shí)例：

內(nèi)核：linux-2.6.29.1

目標(biāo)板：友善之臂mini2440

arm-linux-gcc-4.3.2

下載?

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Framebuffer驅(qū)動(dòng)程序模型?
? 下圖會(huì)向你展示目前的framebuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，最常用的是非標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)。很明顯他所處的層次最高，程序編寫是最容易的。理解了這個(gè)圖的，你已經(jīng)很輕松的去完成一個(gè)fb驅(qū)動(dòng)，比如給sa1100,s2410,s2440系列的ARM的LCD控制器寫驅(qū)動(dòng)。?

Color Map 剖析?
在framebuffer驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，cmap這個(gè)東東太暈了?，F(xiàn)在我要把他赤裸裸的剖析給大家：）?
1． struct fb_cmap?

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/*顏色映射表*/

struct?fb_cmap {

__u32 start; /* First entry */

__u32 len; /* Number of entries */

__u16 *red; /* 紅色 */

__u16 *green; /*綠色*/

__u16 *blue; /*藍(lán)色*/

__u16 *transp; /* 透明度,允許 NULL */

};

該結(jié)構(gòu)在fb.h文件中定義，在struct fb_ops結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)成員函數(shù)與其相關(guān)：

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/*獲取顏色表*/

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

/*設(shè)定顏色表*/

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

在struct fb_info結(jié)構(gòu)中有變量：

struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */

在fpgen基礎(chǔ)操作下提供：

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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應(yīng)用

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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． 通過(guò)文件解析?
在anakinfb.c文件中，cmap如圖?

?
在stifb.c?

本文介紹的設(shè)備是位于/video目錄下面的anakinfb.c驅(qū)動(dòng)程序。雖然我不清楚那個(gè)設(shè)備的特性，但是從對(duì)程序的分析中我們?nèi)匀恢廊绾尉帉懸粋€(gè)frame buffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

本文是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的fb驅(qū)動(dòng)。共221行，包含函數(shù)如下：

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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

函數(shù)1，2是寄存器操作用。函數(shù)3，4，5，6，7是fb_ops函數(shù)。函數(shù)8用于切換控制臺(tái)。函數(shù)9用于更新變量。函數(shù)10用于閃爍屏幕。函數(shù)11用于初始化設(shè)備。?
??? 很奇怪，對(duì)fb設(shè)備的讀寫函數(shù)怎么沒(méi)有！值得說(shuō)明的是open,release,read,write,ioctl,mmap等函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是由 fbmem.c文件實(shí)現(xiàn)了。也就是說(shuō)所有的fb設(shè)備在給定了fb_info后，所有的操作都是一樣的。在明確的fb_info前提下，fbmem.c中的函數(shù)可以工作的很好。這樣大家應(yīng)該感到非常輕松了吧，只要完成上述的幾個(gè)設(shè)備相關(guān)的函數(shù)，frame buffer設(shè)備的驅(qū)動(dòng)就寫完了：）??
??? 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖：??

Stifb驅(qū)動(dòng)模型?
linux/drivers/video/stifb.c - Generic frame buffer driver for HP * workstations with STI (standard text interface) video firmware.?
這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序和前面的anakin設(shè)備完全不同，因?yàn)樗皇遣捎脴?biāo)準(zhǔn)的格式，而是根據(jù) 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，包含函數(shù)如下：

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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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