第五章 Framebuffer 应用编程

5.1 LCD 操作原理

在 Linux 系统中通过 Framebuffer 驱动程序来控制 LCD。Frame 是帧的意思，buffer 是缓冲的意思，这意味着 Framebuffer 就是一块内存，里面保存着一帧图像。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 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 后得到的 Framebuffer 地址，如下图所示：

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 + xbpp/8
最后一个要解决的问题就是像素的颜色怎么表示？它是用 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，如下图所示：

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。

5.2 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。

5.2.1 open 函数

在 Ubuntu 中执行“man 2 open”，可以看到 open 函数的说明：

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：
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，
a. O_RDWR 表示可读可写方式打开;
b. O_RDONLY 表示只读方式打开;
c. O_WRONLY 表示只写方式打开;
d. 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;
e. 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；
f. 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。

5.2.2 ioctl 函数

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

头文件：

#include <sys/ioctl.h> 

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。

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。

5.2.3 mmap 函数

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

想更深刻地理解 mmap 的内部机制，可以看《嵌入式 Linux 驱动开发基础知识》中关于 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 <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：
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
a. PROT_EXEC 映射区域可被执行
b. PROT_READ 映射区域可被读出
c. PROT_WRITE 映射区域可被写入
d. PROT_NONE 映射区域不能存取
④ Flags 表示影响映射区域的不同特性，常用的有以下两种
a. 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。
b. 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。
⑤ 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。

5.3 Framebuffer 程序分析

使用 GIT 下载所有源码后，本节源码位于如下目录：
01_all_series_quickstart\
04_嵌入式 Linux 应用开发基础知识\source\07_framebuffer\show_pixel.c

5.3.1 打开设备

首先打开设备节点：

73 fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR); 
74 if (fd_fb < 0) 
75 { 
76 printf("can't open /dev/fb0\n"); 
77 return -1; 
78 } 

5.3.2 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，它的结构体定义如下(#include <linux/fb.h>)：

可以使用以下代码获取 fb_var_screeninfo：

 static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */ 
…… 
 if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)) 
 { 
 	printf("can't get var\n"); 
 	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。

对于固定的参数 fb_fix_screeninfo，在应用编程中很少用到。它的结构体定义如下：

可以使用 ioctl FBIOGET_FSCREENINFO 来读出这些信息，但是很少用到。

5.3.3 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。代码如下：

85 line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8; 
86 pixel_width = var.bits_per_pixel / 8; 
87 screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8; 
88 fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, 
fd_fb, 0); 
89 if (fb_base == (unsigned char *)-1) 
90 { 
91 printf("can't mmap\n"); 
92 return -1; 
93 } 

第 88 行中，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，这个参数的更深刻理解可以参考后面驱动基础中讲到的 mmap 知识。

5.3.4 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：

28 void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color) 
29 { 
30 unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width; 
31 unsigned short *pen_16; 
32 unsigned int *pen_32; 
33 
34 unsigned int red, green, blue; 
35 
36 pen_16 = (unsigned short *)pen_8; 
37 pen_32 = (unsigned int *)pen_8; 
38 
39 switch (var.bits_per_pixel) 
40 { 
41 	case 8: 
42 	{ 
43 		*pen_8 = color; 
44 		break; 
45 	} 
46 	case 16: 
47 	{ 
48 		/* 565 */ 
49 		red = (color >> 16) & 0xff; 
50 		green = (color >> 8) & 0xff; 
51 		blue = (color >> 0) & 0xff; 
52 		color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3); 
53 		*pen_16 = color; 
54 		break; 
55 	} 
56 	case 32: 
57 	{ 
58 		*pen_32 = color; 
59 		break; 
60 	} 
61 	default: 
62 	{ 
63 		printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel); 
64 		break; 
65 	} 
66 } 
67 }

第 28 行中传入的 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。
第 30 行计算(x,y)坐标上像素对应的 Framebuffer 地址。
第 43 行，对于 8bpp，color 就不再表示 RBG 三原色了，这涉及调色板的概念，color 是调色板的值。
第 49～51 行，先从 color 变量中把 R、G、B 抽出来。
第 52 行，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。
第 53 行，把新的 16 位颜色值写入 Framebuffer。
第 58 行，对于 32bpp，颜色格式跟 color 参数一致，可以直接写入 Framebuffer。

5.3.5 随便画几个点

本程序的 main 函数，在最后只是简单地画了几个点：

95 	/* 清屏: 全部设为白色 */ 
96	 memset(fbmem, 0xff, screen_size); 
97 
98 	/* 随便设置出 100 个为红色 */ 
99 	for (i = 0; i < 100; i++) 
100 		lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000); 

5.4 上机实验

在 Ubuntu 中编译程序，先设置交叉编译工具链，再执行以下命令：
arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c

然后在开发板上执行 show_pixel 程序。

注意：板子的出厂程序中一般都有 GUI，所以可能需要把 GUI 程序禁止掉。具体方法请看本文档，以后会补充禁止 GUI 的方法。你可以先不禁止 GUI，直接执行 show_pixel 看看 LCD 有无现象。