前言：
使用的开发板为韦东山老师的 IMX6ULL
目录
Framebuffer介绍
LCD 操作原理
涉及的 API 函数
1.open 函数
2.ioctl 函数
3.mmap 函数
Framebuffer 程序分析
1.打开设备
2.获取 LCD 参数
3.映射 Framebuffer
4.描点函数
5.随便画几个点
6.上机实验
Framebuffer介绍
Framebuffer，也叫帧缓冲，其内容对应于屏幕上的界面显示，可以将其简单理解为屏幕上显示内容对应的缓存，修改Framebuffer中的内容，即表示修改屏幕上的内容，所以，直接操作Framebuffer可以直接从显示器上观察到效果。
但Framebuffer并不是屏幕内容的直接的像素表示。Framebuffer实际上包含了几个不同作用的缓存，比如颜色缓存、深度缓存等，具体不详细说明。大家只需要知道，这几个缓存的共同作用下，形成了最终在屏幕上显示的图像。
其实，Framebuffer就是一段存储空间，其可以位于显存，也可以位于内存。
Framebuffer是一个逻辑上的概念，并非在显存或者是内存上有一块固定的物理区域叫Framebuffer。实际上，物理是显存或者内存，只要是在GPU能够访问的空间范围内(GPU的物理地址空间)，任意分配一段内存(或显存)，都可以作为Framebuffer使用，只需要在分配后将该内存区域信息，设置到显卡相关的寄存器中即可。这个其实跟DMA区域的概念是类似的。
一个支持OpenGL渲染的窗口 (即帧缓存) 可能包含以下的组合：
· 至多4个颜色缓存
· 一个深度缓存
· 一个模板缓存
· 一个积累缓存
· 一个多重采样缓存
帧缓冲存储器(Frame Buffer)：简称帧缓存或显存，它是屏幕所显示画面的一个直接映象，又称为位映射图(Bit Map)或光栅。帧缓存的每一存储单元对应屏幕上的一个像素，整个帧缓存对应一帧图像。
帧缓冲 [1] （framebuffer）是Linux为显示设备提供的一个接口，把显存抽象后的一种设备，他允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。这种操作是抽象的，统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。这些都是由Framebuffer设备驱动来完成的。
帧缓冲驱动的应用广泛，在linux的桌面系统中，Xwindow服务器就是利用帧缓冲进行窗口的绘制。尤其是通过帧缓冲可显示汉字点阵，成为Linux汉化的唯一可行方案。
Linux FrameBuffer 本质上只是提供了对图形设备的硬件抽象，在开发者看来，FrameBuffer 是一块显示缓存，往显示缓存中写入特定格式的数据就意味着向屏幕输出内容。所以说FrameBuffer就是一块白板。例如对于初始化为16 位色的FrameBuffer 来说， FrameBuffer中的两个字节代表屏幕上一个点，从上到下，从左至右，屏幕位置与内存地址是顺序的线性关系。
帧缓存可以在系统存储器(内存)的任意位置，视频控制器通过访问帧缓存来刷新屏幕。 帧缓存也叫刷新缓存 Frame buffer 或 refresh buffer, 这里的帧(frame)是指整个屏幕范围。
帧缓存有个地址，是在内存里。我们通过不停的向frame buffer中写入数据， 显示控制器就自动的从frame buffer中取数据并显示出来。全部的图形都共享内存中同一个帧缓存。
CPU指定显示控制器工作，则显示控制器根据CPU的控制到指定的地方去取数据 和 指令， 目前的数据一般是从显存里取，如果显存里存不下，则从内存里取， 内存也放不下，则从硬盘里取，当然也不是内存放不下，而是为了节省内存的话，可以放在硬盘里，然后通过指令控制显示控制器去取。帧缓存 Frame Buffer，里面存储的东西是一帧一帧的， 显卡会不停的刷新Frame Buffer, 这每一帧如果不捕获的话， 则会被丢弃，也就是说是实时的。这每一帧不管是保存在内存还是显存里，都是一个显性的信息，这每一帧假设是800x600的分辨率， 则保存的是800x600个像素点，和颜色值。
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 + 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。
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
1.open 函数
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.ioctl 函数
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。
3.mmap 函数
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
Framebuffer 程序分析
应用层代码示例：
#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;
/**********************************************************************
* 函数名称： lcd_put_pixel
* 功能描述： 在LCD指定位置上输出指定颜色（描点）
* 输入参数： x坐标，y坐标，颜色
* 输出参数： 无
* 返 回 值： 会
* 修改日期 版本号 修改人 修改内容
* -----------------------------------------------
* 2020/05/12 V1.0 zh(angenao) 创建
***********************************************************************/
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
{
unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;
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;
break;
}
case 16:
{
/* 565 */
red = (color >> 16) & 0xff;
green = (color >> 8) & 0xff;
blue = (color >> 0) & 0xff;
color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
*pen_16 = color;
break;
}
case 32:
{
*pen_32 = color;
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);
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;
pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
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;
}
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 }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 )：
可以使用以下代码获取 fb_var_screeninfo：
12 static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
……
79 if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
80 {
81 printf("can't get var\n");
82 return -1;
83 }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.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, M
AP_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
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.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);6.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-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c
然后在开发板上执行 show_pixel 程序，观察现象
