LCD驱动程序——Framebuffer应用编程

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。LCD的操作原理：

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 。
APP 使用 ioctl 获得 LCD 分辨率、 BPP
APP 通过 mmap 映射 Framebuffer ，在 Framebuffer 中写入数据

bpp：每个像素用多少位来表示它的颜色

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

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。

2.涉及的 API 函数

open 打开 LCD 设备节点

ioctl 获取LCD黑色版分辨率等参数

mmap 映射 Framebuffer

最后实现描点函数。

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：

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，

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；
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 。

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：

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 。

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。

2.3 mmap 函数

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

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

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。
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 打开设备节点

fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);//打开设备节点
if (fd_fb < 0)
{
	printf("can't open /dev/fb0\n");
	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，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。

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：

line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;//屏幕宽度大小（多少个字节）
pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;//一个像素大小（多少个字节）
screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8; //屏幕大小（多少个字节）
fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
if (fb_base == (unsigned char *)-1)
{
	printf("can't mmap\n");
	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，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。

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：

 //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
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
{
	unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;//计算要显示的坐标fb_base(原地址)y*line_width+x*pixel_width（偏移地址）
	unsigned short *pen_16;	
	unsigned int *pen_32;	

	unsigned int red, green, blue;	

	pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
	pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

	switch (var.bits_per_pixel)
	{
		case 8:
		{
			*pen_8 = color;//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。
			break;
		}
		case 16:
		{
			/* 565 */
			red   = (color >> 16) & 0xff; //32位red数据是：16~24  24~32没用
			green = (color >> 8) & 0xff;  //32位green数据是：8~16
			blue  = (color >> 0) & 0xff;  //32位blue数据是：0~8
			//总共16位:红保留高5位放在11~16，绿保留高6位放在5~11，蓝保留高5位放在0~5
			color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
			*pen_16 = color;//将计算的位置坐标显示该颜色
			break;
		}
		case 32:
		{
			*pen_32 = color;//对于 32bpp，颜色格式跟 color 参数一致，可以直接写入Framebuffer。
			break;
		}
		default:
		{
			printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
			break;
		}
	}
}

3.5 随便画几个点的完整程序

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

static int fd_fb;
static struct fb_var_screeninfo var;	/* Current var */
static int screen_size;
static unsigned char *fb_base;
static unsigned int line_width;
static unsigned int pixel_width;

 //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
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
{
	unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;//计算要显示的坐标fb_base(原地址)y*line_width+x*pixel_width（偏移地址）
	unsigned short *pen_16;	
	unsigned int *pen_32;	

	unsigned int red, green, blue;	

	pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
	pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

	switch (var.bits_per_pixel)
	{
		case 8:
		{
			*pen_8 = color;//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。
			break;
		}
		case 16:
		{
			/* 565 */
			red   = (color >> 16) & 0xff; //32位red数据是：16~24  24~32没用
			green = (color >> 8) & 0xff;  //32位green数据是：8~16
			blue  = (color >> 0) & 0xff;  //32位blue数据是：0~8
			//总共16位:红保留高5位放在11~16，绿保留高6位放在5~11，蓝保留高5位放在0~5
			color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
			*pen_16 = color;//将计算的位置坐标显示该颜色
			break;
		}
		case 32:
		{
			*pen_32 = color;//对于 32bpp，颜色格式跟 color 参数一致，可以直接写入Framebuffer。
			break;
		}
		default:
		{
			printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
			break;
		}
	}
}

int main(int argc, char **argv)
{
	int i;
	
	fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);//打开设备节点
	if (fd_fb < 0)
	{
		printf("can't open /dev/fb0\n");
		return -1;
	}
	if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
	{
		printf("can't get var\n");
		return -1;
	}

	line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;//屏幕宽度大小（多少个字节）
	pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;//一个像素大小（多少个字节）
	screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8; //屏幕大小（多少个字节）
	fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
	if (fb_base == (unsigned char *)-1)
	{
		printf("can't mmap\n");
		return -1;
	}

	/* 清屏: 全部设为白色 */
	memset(fb_base, 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);
	
	munmap(fb_base , screen_size);
	close(fd_fb);
	
	return 0;	
}