RK3568平台（显示篇）FrameBuffer 应用编程

news2024/10/5 16:30:00

一.FrameBuffer介绍

FrameBuffer（帧缓冲器）是一种计算机图形学概念，用于在显示器上显示图形和文本。在 计算机显示系统中，FrameBuffer 可以看作是显存的一个抽象概念，用于存储显示屏幕上显示 的像素点的颜色和位置信息。FrameBuffer 包含了所有要在显示器上显示的像素点的颜色值， 每个像素点的颜色值通常用一个 32 位的无符号整数表示，其中每 8 个比特表示一个颜色分 量（红、绿、蓝和透明度）。

二.LCD基础

成像原理：

液晶 LCD 显示器是由两片平行的玻璃基板组成，两片平行的玻璃基板之间放置了一个液晶 盒。在下基板玻璃上，有一组被称为薄膜晶体管（TFT）的电子元件，而在上基板玻璃上则放 置了彩色滤光片。液晶分子可以通过施加电压来改变其方向，从而控制光线的传播方向。具体 地说，TFT 上的电信号会通过电压的变化来控制液晶分子的方向，使其可以旋转或者不旋转。 通过这种方式，每个像素点的偏振光可以被控制为出射或不出射，从而达到显示图像的目的。

分辨率：

分辨率（Resolution）是指在一定的屏幕尺寸下，可以显示的像素点的数量。它通常用于 描述数字设备（如电视、计算机显示器、智能手机、平板电脑等）的屏幕质量和清晰度，以及 图像和视频的清晰度和细节。

720p       1280 x 720 高清电视、视频游戏和视频流媒体

1080p     1920 x 1080 高清电视、计算机显示器和视频游戏

2K           2560 x 1440 高端计算机显示器和智能手机

4K           3840 x 2160 高端电视、计算机显示器和游戏机

8K           7680 x 4320 高端电视和计算机显示器

像素格式：

像素格式通常包括两个方面的信息：色彩深度和色彩空间。

色彩深度：指的是每个像素存储颜色信息所需要的位数，通常以位/像素（bit/pixel）的形式 表示。例如，8 位像素格式表示每个像素使用 8 个二进制位来表示颜色信息，可以表示 256 种 不同的颜色。而 16 位像素格式则可以表示 65536 种不同的颜色。

色彩空间：是指用来描述颜色的数学模型。不同的色彩空间有不同的颜色模型和颜色空间， 它们可以描述不同的颜色和亮度值。例如，RGB 色彩空间使用红、绿、蓝三个颜色通道来描述 颜色，而 YUV 色彩空间使用亮度和两个色差通道来描述颜色。常见的像素格式包括 RGB、YUV、 YCbCr 等。

三.LCD 成像步骤

帧缓冲区（frame buffer）：用于存放 LCD 显示数据的显存。帧缓冲区通过 LCD 控制器和 LCD 面板之间建立一一映射关系。

LCD 控制器：配置 LCD 控制器，用于发出 LCD 控制信号并驱动 LCD 显示。 扫描方式：如图所示，从一行开始到一帧结束的扫描方向为从左到右，从上到下。

HSYNC：行同步信号，用于行切换。当一行扫描结束并需要扫描新行时，需要先发送行同 步信号。

VSYNC：列同步信号，用于列切换。当一帧扫描结束并需要扫描新的一帧时，需要先发送 列同步信号。

时钟信号：每当一个时钟信号到来时，对应的扫描点将移动一个单位。 下面是成像步骤的图形描述：

LCD 驱动器类似于一支电子枪，它由 LCD 控制器控制，LCD 控制器从显存中获取像素数据 并发送命令给电子枪发射像素颜色。整个成像过程可以分为以下 3 个步骤：

步骤 1：LCD 控制器发送 VSYNC 信号，告诉电子枪要开始发射新帧了。电子枪将枪头调整 到 LCD 屏幕的左上角，准备开始发射像素。

步骤 2：LCD 控制器同时发送 HSYNC 信号，告诉电子枪新的一行开始了，并且从左向右 开始扫射像素。但是电子枪反应速度较慢，需要一段时间才能开始扫射像素，因此会出现一些 无效的数据区域。当一行结束时，LCD 控制器再次发送 HSYNC 信号，电子枪将枪头扭转到下一 行开始扫描，也会出现一些左右无效区域。当一帧结束时，LCD 控制器会等待电子枪游离一段 时间，然后开始下一帧的成像。

步骤 3：当电子枪扫描到最后一行结束时，LCD 控制器不会再发送有效像素数据，并且等 待电子枪游离一段时间，因此出现了下方的无效区。之后回到步骤 1 开始重复。 至此 LCD 成像步骤就介绍完了。

四.LCD 应用编程介绍

应用程序通过对 LCD 设备节点 /dev/fb0 （假设 LCD 对应的设备节点是 /dev/fb0）进行 I/O 操作即可实现对 LCD 的显示控制，实质就相当于读写了 LCD 的显存，而显存是 LCD 的 显示缓冲区，LCD 硬件会从显存中读取数据显示到 LCD 液晶面板上。
在应用程序中，操作/dev/fbX 的一般步骤如下：

①、首先打开 /dev/fbX 设备文件。
②、使用 ioctl() 函数获取到当前显示设备的参数信息，譬如屏幕的分辨率大小、像素格式，根据屏幕参 数计算显示缓冲区的大小。
③、通过存储映射 I/O 方式将屏幕的显示缓冲区映射到用户空间（ mmap ）。
④、映射成功后就可以直接读写屏幕的显示缓冲区，进行绘图或图片显示等操作了。
⑤、完成显示后，调用 munmap() 取消映射、并调用 close() 关闭设备文件。

使用 ioctl()获取屏幕参数信息：

FBIOGET_VSCREENINFO ： 表示获取 FrameBuffer 设备的可变参数信息，可变参数信息使用 struct fb_var_screeninfo 结 构 体 来 描 述 ， 所 以 此 时 ioctl() 需 要 有 第 三 个 参 数 ， 它 是 一 个 struct fb_var_screeninfo *指针，指向 struct fb_var_screeninfo 类型对象，调用 ioctl() 会将 LCD 屏的可变参 数信息保存在 struct fb_var_screeninfo 类型对象中，如下所示：

struct fb_var_screeninfo fb_var;
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);

struct fb_var_screeninfo 结构体内容如下所示：

struct fb_var_screeninfo {
__u32 xres ;
/* 可视区域，一行有多少个像素点， X 分辨率 */
__u32 yres ;
/* 可视区域，一列有多少个像素点， Y 分辨率 */
__u32 xres_virtual ;
/* 虚拟区域，一行有多少个像素点 */
__u32 yres_virtual ;
/* 虚拟区域，一列有多少个像素点 */
__u32 xoffset ;
/* 虚拟到可见屏幕之间的行偏移 */
__u32 yoffset ;
/* 虚拟到可见屏幕之间的列偏移 */
__u32 bits_per_pixel ; /* 每个像素点使用多少个 bit 来描述，也就是像素深度 bpp */
__u32 grayscale ;
/* =0 表示彩色 , =1 表示灰度 , >1 表示 FOURCC 颜色 */
/* 用于描述 R 、 G 、 B 三种颜色分量分别用多少位来表示以及它们各自的偏移量 */
struct fb_bitfield red ;
/* Red 颜色分量色域偏移 */
struct fb_bitfield green ; /* Green 颜色分量色域偏移 */
struct fb_bitfield blue ; /* Blue 颜色分量色域偏移 */
struct fb_bitfield transp ; /* 透明度分量色域偏移 */
__u32 nonstd ;
/* nonstd 等于 0 ，表示标准像素格式；不等于 0 则表示非标准像素格式 */
__u32 activate ;
__u32 height ;
/* 用来描述 LCD 屏显示图像的高度（以毫米为单位） */
__u32 width ;
/* 用来描述 LCD 屏显示图像的宽度（以毫米为单位） */
__u32 accel_flags ;
/* 以下这些变量表示时序参数 */
__u32 pixclock ;
/* pixel clock in ps (pico seconds) */
__u32 left_margin ;
/* time from sync to picture */
__u32 right_margin ; /* time from picture to sync */
__u32 upper_margin ; /* time from sync to picture */
__u32 lower_margin ;
__u32 hsync_len ;
/* length of horizontal sync */
__u32 vsync_len ;
/* length of vertical sync */
__u32 sync ;
/* see FB_SYNC_* */
__u32 vmode ;
/* see FB_VMODE_* */
__u32 rotate ;
/* angle we rotate counter clockwise */
__u32 colorspace ;
/* colorspace for FOURCC-based modes */
__u32 reserved [ 4 ];
/* Reserved for future compatibility */
};

FBIOGET_FSCREENINFO ： 表示获取 FrameBuffer 设备的固定参数信息，既然是固定参数，那就 意味着应用程序不可修改。固定参数信息使用struct fb_fix_screeninfo 结构体来描述，所以此时 ioctl() 需要有第三个参数，它是一个 struct fb_fix_screeninfo * 指针，指向 struct fb_fix_screeninfo 类型对象， 调用 ioctl() 会将 LCD 的固定参数信息保存在 struct fb_fix_screeninfo 对象中，如下所示：

struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);

 struct fb_fix_screeninfo 结构体内容如下所示：

struct fb_fix_screeninfo {
char id [ 16 ];
/* 字符串形式的标识符 */
unsigned long smem_start ; /* 显存的起始地址（物理地址） */
__u32 smem_len ;
/* 显存的长度 */
__u32 type ;
__u32 type_aux ;
__u32 visual ;
__u16 xpanstep ;
__u16 ypanstep ;
__u16 ywrapstep ;
__u32 line_length ;
/* 一行的字节数 */
unsigned long mmio_start ; /* Start of Memory Mapped I/O(physical address) */
__u32 mmio_len ;
/* Length of Memory Mapped I/O */
__u32 accel ;
/* Indicate to driver which specific chip/card we have */
__u16 capabilities ;
__u16 reserved [ 2 ];
};

使用 mmap()将显示缓冲区映射到用户空间

为什么这里需要使用存储映射 I/O 这种方式呢？其实使用普通的 I/O 方式（譬如直接 read 、 write ）也是 可以的，只是，当数据量比较大时，普通 I/O 方式效率较低。假设某一显示器的分辨率为 1920 * 1080 ，像 素格式为 ARGB8888 ，针对该显示器，刷一帧图像的数据量为 1920 x 1080 x 32 / 8 = 8294400 个字节（约等 于 8MB ），这还只是一帧的图像数据，而对于显示器来说，显示的图像往往是动态改变的，意味着图像数 据会被不断更新。
在这种情况下，数据量是比较庞大的，使用普通 I/O 方式必然导致效率低下，所以才会采用存储映射 I/O 方式。

LCD 应用编程实验：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/fb.h>

#define SCREEN_WIDTH 800
#define SCREEN_HEIGHT 1280
#define BYTES_PER_PIXEL 4 // 32-bit color (RGBA)

int main(int argc, char* argv[]) 
{
    int fbfd = 0; // framebuffer设备的文件描述符
    struct fb_var_screeninfo vinfo; // 可变屏幕信息
    struct fb_fix_screeninfo finfo; // 固定屏幕信息
    char *fbp = NULL; // framebuffer内存的指针

    // 打开framebuffer设备以进行读写
    fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
    if (fbfd == -1) 
	{
        perror("Error: 无法打开framebuffer设备");
        exit(1);
    }

    // 获取固定屏幕信息
    if (ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo) == -1) 
	{
        perror("Error: 读取固定信息时发生错误");
        exit(2);
    }

    // 获取可变屏幕信息
    if (ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo) == -1) 
	{
        perror("Error: 读取可变信息时发生错误");
        exit(3);
    }

    // 将framebuffer设备内存映射到用户空间
    fbp = (char*)mmap(0, finfo.smem_len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fbfd, 0);
    if ((int)fbp == -1) 
	{
        perror("Error: 映射framebuffer设备到内存时出错");
        exit(4);
    }

    // 计算线条的像素位置和颜色值
    int x = atoi(argv[1]);
    int y = atoi(argv[2]);
    int length = atoi(argv[3]);
    unsigned int color = 0xFFFF0000; // 红色 (格式：ARGB)

    // 绘制线条
    for (int i = 0; i < length; i++) 
	{
        int location = (x + i) * BYTES_PER_PIXEL + (y * SCREEN_WIDTH * BYTES_PER_PIXEL);
        *((unsigned int*)(fbp + location)) = color;
    }

   // 刷新framebuffer以显示绘制的线条
    struct fb_var_screeninfo new_vinfo;
    new_vinfo.activate = FB_ACTIVATE_VBL;
    ioctl(fbfd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &new_vinfo);

    // 从用户空间中取消映射framebuffer设备内存
    if (munmap(fbp, finfo.smem_len) == -1) 
	{
        perror("Error: 从内存中取消映射framebuffer设备时发生错误");
        exit(6);
    }

    // 关闭framebuffer设备
    close(fbfd);

    return 0;
}

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