LCD Framebuffer应用开发 - 操作原理

1.1 LCD Framebuffer操作原理

LCD Framebuffer 就是一块显存，在嵌入式系统中，显存是被包含在内存中。LCD Framebuffer里的若干字节（根据驱动程序对LCD控制器的配置而定）表示LCD屏幕中的一个像素点，一一对应整个LCD屏幕。举个例子，LCD屏幕是800* 600的分辨率，即LCD屏幕存在480000个像素点，若每个像素点4个字节表示，那么LCD Framebuffer显存大小为480000 * 4=960000字节，即1.92MB。因此我们的内存将会分割至少1.92MB的空间用作显存。具体地址在哪里，这个就是又驱动程序去定，应用程序只需直接使用即可，硬件相关操作已由驱动程序封装好。

如上图，我们只需要往Framebuffer中填入不同的值，驱动程序和硬件控制器就会把这些数据传输到对应LCD屏幕上的像素点，从而显示不同的颜色。由此可知，我们应用程序只需要针对Framebuffer操作即可，其他交给驱动程序和硬件。

#1.2 Framebuffer API接口

#1.2.1 open系统调用

头文件：#include <sys/types.h>，#include <sys/stat.h>，#include <fcntl.h>

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：

• pathname 表示打开文件的路径；

• Flags表示打开文件的方式，常用的有以下6种，

  ①：O\_RDWR表示可读可写方式打开;

  ②：O\_RDONLY表示只读方式打开;

  ③：O\_WRONLY表示只写方式打开;

  ④：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;

  ⑤：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；

  ⑥：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；

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。

返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。

#1.2.2 ioctl系统调用

头文件：#include <sys/ioctl.h>

函数原型：

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

函数说明：

• fd 表示文件描述符；
• 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；
• … 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。

返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。

#1.2.3 mmap系统调用

头文件：#include <sys/mman.h>

函数原型：

• void *mmap(void *addr, size\_t length, int prot, int flags,int fd, off\_t offset);

函数说明：

• 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；
• length表示将文件中多大的内容映射到内存中；

• prot 表示映射区域的保护方式，可以为以下4种方式的组合

  ①PROT\_EXEC 映射区域可被执行

  ②PROT\_READ 映射区域可被读写

  ③PROT\_WRITE 映射区域可被写入

  ④PROT\_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

  ①MAP\_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。

  ②MAP\_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。

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。

#1.3 在LCD上描点操作

#1.3.1 在LCD上显示点阵理论基础

如上图，当我们需要显示一个字母‘A’时，是通过判断点阵的每一个位数值状态，来填充颜色，达到显示字符效果。其中‘1’表示一种颜色，‘0’表示填充另一种颜色。上图的是8*16的点阵，我们也可以用其他不同大小点阵，只要有这个点阵，我们就可以在LCD上面描点，达到显示字符的效果。

#1.3.2 获取fb\_var\_screeninfo结构体

在用点阵显示字符之前，我们需要先从设备fb0中获取相关的LCD信息，下图截取我们将用到的fb\_info结构体部分内容。

通过系统调用ioctl，获取xres(x方向总像素点)，yres（y方向总像素点），bits\_per\_pixel（每个像素点占据的位数），根据获取的三个资源，外加点阵，根据这四个资源，我们就可以显示一个字符。

程序文件：show\_ascii.c

4718        fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
4719        if (fd_fb < 0)
4720        {
4721            printf("can't open /dev/fb0\n");
4722            return -1;
4723        }
4724        if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
4725        {
4726            printf("can't get var\n");
4727            return -1;
4728        }    

先打开LCD设备（fb0），获得文件描述符，再通过ioctl获取fb\_var\_screeninfo信息并保存在var变量，后续只需访问var这个结构体，就可以获得xres(x方向总像素点)，yres（y方向总像素点），bits\_per\_pixel（每个像素点占据的位数）这三个关于fb0的资源。

#1.3.3 根据fb\_var\_screeninfo计算变量

fb\_var\_screeninfo已保存在var结构体变量中，接着来访问var结构体变量即可

根据xres与bits\_per\_pixel算出每行像素点所占据的字节数

程序文件：show\_ascii.c

4730    line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;

根据bits\_per\_pixel算出每个像素点所占据的字节数

程序文件：show\_ascii.c

4731    pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;

根据xres，yres，bits\_per\_pixel算出全部像素点所占据的字节总和

程序文件：show\_ascii.c

4732    screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;

#1.3.4 使用mmap系统调用，映射内存

程序文件：show\_ascii.c

4733    fbmem = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ |             PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
4734    if (fbmem == (unsigned char *)-1)
4735    {
4736        printf("can't mmap\n");
4737        return -1;
4738    }
4739
4740    /* 清屏: 全部设为黑色 */
4741    memset(fbmem, 0, screen_size);

调用mmap将显存映射在内存中，以可读可写（PROT\_READ | PROT\_WRITE）及内存回写（MAP\_SHARED）的方式映射，从而获得一个指向映射在内存空间的首地址fbmem，后续操作就是在这个首地址的基础上计算各种不同的偏移量，填充颜色值。

#1.3.5 描点函数编写

程序文件：show\_ascii.c

4641    void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)

描点函数有3个参数，x坐标，y坐标，像素点颜色值。

程序文件：show\_ascii.c

4643        unsigned char *pen_8 = fbmem+y*line_width+x*pixel_width;
4644        unsigned short *pen_16;    
4645        unsigned int *pen_32;    
4646
4647        unsigned int red, green, blue;    
4648
4649        pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
4650        pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

在此处函数参数x与y表示的是像素点的坐标，而单个像素点所占据的显存大小可能会有不同的情况出现，如1字节表示一个像素点，2字节表示一个像素点，4字节表示一个像素点等，为了更多的兼容不同的情况，因此申请3个指针，pen\_8指向的是占据1个字节的像素点空间, pen\_16指向的是占据2个字节的像素点空间，pen\_32指向的是占据4个字节的像素点空间。

fbmem是系统调用mmap返回的显存首地址，根据fbmem计算填充颜色的内存空间。

当像素点占据1个字节空间时

对应描点地址= fbmem+Y * 一行所占据的字节数 + x * 每个像素点所占据的字节数

程序文件：show\_ascii.c

4652        switch (var.bits_per_pixel)
4653        {
4654            case 8:
4655            {
4656                *pen_8 = color;
4657                break;
4658            }
4659            case 16:
4660            {
4661                /* 565 */
4662                red   = (color >> 16) & 0xff;
4663                green = (color >> 8) & 0xff;
4664                blue  = (color >> 0) & 0xff;
4665                color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) |                         (blue >> 3);
4666                *pen_16 = color;
4667                break;
4668            }
4669            case 32:
4670            {
4671                *pen_32 = color;
4672                break;
4673            }
4674            default:
4675            {
4676                printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
4677                break;
4678            }
4679        }
4680    }

根据设备fb0实际的bits\_per\_pixel值，选择对应的pen（pen\_8，pen\_16，pen\_32其中一个），最后把color颜色变量传入选择的pen中。