【LCD应用编程】练习一 —— 绘制点、线、矩形框

之前获取LCD屏幕参数信息时了解到，LCD屏是 FrameBuffer 设备，操作 FrameBuffer 设备其实就是在读写 /dev/fb0 文件。除此之外，LCD屏上包含多个像素点，绘制点、线、矩形框本质是在修改这些像素点的颜色。

1、定义 lcd_color 结构体

2、获取LCD设备参数信息

3、mmap 建立显存映射

(1) 为什么要建立显存映射？

(2) 代码实现

3、定义绘制函数

4、完整代码

1、定义 lcd_color 结构体

为了后续方便传递颜色，这里定义一个 lcd_color 结构体，结构体声明如下。

struct lcd_color
{
    u_int8_t red;
    u_int8_t green;
    u_int8_t blue;
};

我们要如何将颜色传递给LCD屏呢？根据我们之前获取到的屏幕信息，LCD屏颜色格式是RGB565。我们改变像素点颜色，实际上就是传递一个值。

这个值低5位表示蓝色，中间6位表示绿色，高5位表示红色，因此，我们拿到R、G、B对应的数值后需要将他们按下面的方式拼接。

#define RGB565(color) (color->blue & 0x05) | \
                      ((color->green & 0x06) << 5) | \
                      ((color->red & 0x05) << 11)

2、获取LCD设备参数信息

这里就不再赘述，请参考：获取LCD屏幕参数信息

struct fb_fix_screeninfo fb_fix; // 固定参数信息
struct fb_var_screeninfo fb_var; // 可变参数信息

int fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
if (fd < 0)
{
    perror("open fb failed");
    exit(-1);
}

ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);    // 获取固定参数信息
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);    // 获取可变参数信息

3、mmap 建立显存映射

(1) 为什么要建立显存映射？

建立显存映射的目的是提升IO效率。实际上使用read/write操作显存也是可以的，然而数据量较大的时候，普通IO的方式效率较低。一般显示的图像是动态变化的，图像数据需要不断被更新，这种情况下的数据量较大，建议采用存储映射IO方式。

mmap 函数的详细使用可以参考：mmap函数详解

(2) 代码实现

值得一提的是，虽然最开始画的LCD示意图是一个矩形，但是在内存中还是线性存储的，显存的起始地址为 screen_base ，类型必须为 u_int16_t* 或者为 unsigned short*，因为指针类型决定了移动一次的步长，所以每次 screen_base + 1 的时候，实际上移动了16bit。（如果是 int，即32bit，screen_base + 1 时将会移动 32 bit）

u_int16_t *screen_base = NULL; // 映射基地址(全局变量)

int main(int args, char **argv)
{
    struct fb_fix_screeninfo fb_fix; // 固定参数信息
    struct fb_var_screeninfo fb_var; // 可变参数信息
    
    // ... ... 获取可变参数信息

    size_t len = fb_fix.line_length * fb_var.yres;
    screen_base = (u_int16_t *)mmap(NULL, len, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if ((void*)screen_base == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap failed");
        exit(-2);
    }
}

3、定义绘制函数

绘制点

绘制点的关键在于确定像素点的位置，然后赋予颜色。

/********************************************************************
 * 函数名称： lcd_draw_point
 * 功能描述： 在LCD屏上绘制一个点
 * 输入参数： x, y, color
 * 返 回 值： 无
 ********************************************************************/
void lcd_draw_point(uint x, uint y, struct lcd_color* color)
{
    screen_base[y*width + x] = RGB565(color);    // 这里的 width 是全局变量，对应LCD屏的每行的像素点个数
}

绘制线

/********************************************************************
 * 函数名称： lcd_draw_line
 * 功能描述： 在LCD屏上绘制一根线
 * 输入参数： 其实就是绘制一个实心的矩形
            start_x: 起始横坐标     start_y: 起始纵坐标
            line_width: 线的宽度    line_height: 线的高度
            color: 线的颜色
 * 返 回 值： 无
 ********************************************************************/
void lcd_draw_line(uint start_x, uint start_y, uint line_width, uint line_height, struct lcd_color* color)
{
    for (size_t i = start_y; i < start_y + line_height; i++)
    {
        for (size_t j = start_x; j < start_x + line_width; j++)
        {
            lcd_draw_point(j, i, color);
        }
    }
}

绘制矩形框

/********************************************************************
 * 函数名称： lcd_draw_rect
 * 功能描述： 在LCD屏上绘制一个矩形框
 * 输入参数： 其实就是绘制一个实心的矩形
            start_x: 起始横坐标     start_y: 起始纵坐标
            rect_width: 矩形框的宽度    rect_height: 矩形框的高度
            line_width：线的粗细程度
            color: 线的颜色
 * 返 回 值： 无
 ********************************************************************/
void lcd_draw_rect(uint start_x, uint start_y, uint rect_width, uint rect_height, uint line_width, struct lcd_color* color)
{
    lcd_draw_line(start_x, start_y, rect_width, line_width, color);         // 上
    lcd_draw_line(start_x, start_y + rect_height - line_width - 1, rect_width, line_width, color);  // 下

    lcd_draw_line(start_x, start_y + line_width, line_width, rect_height - line_width, color);         // 左
    lcd_draw_line(start_x + rect_width - line_width - 1, start_y + line_width, line_width, rect_height - line_width, color);         // 右
}

4、完整代码

由于只分配了 5 bit来表示红色，所以显示出来的红色可能偏暗。

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

u_int16_t width = 0;
u_int16_t height = 0;

u_int16_t *screen_base = NULL; // 映射基地址

typedef unsigned int uint;
struct lcd_color
{
    u_int8_t red;
    u_int8_t green;
    u_int8_t blue;
};
#define RGB565(color) (color->blue & 0x05) | \
                      ((color->green & 0x06) << 5) | \
                      ((color->red & 0x05) << 11)

/********************************************************************
 * 函数名称： lcd_draw_point
 * 功能描述： 在LCD屏上绘制一个点
 * 输入参数： x, y, color
 * 返 回 值： 无
 ********************************************************************/
void lcd_draw_point(uint x, uint y, struct lcd_color* color)
{
    screen_base[y*width + x] = RGB565(color);
}

/********************************************************************
 * 函数名称： lcd_draw_line
 * 功能描述： 在LCD屏上绘制一根线
 * 输入参数： start_x, start_y, line_width, line_height, color
 * 返 回 值： 无
 ********************************************************************/
void lcd_draw_line(uint start_x, uint start_y, uint line_width, uint line_height, struct lcd_color* color)
{
    for (size_t i = start_y; i < start_y + line_height; i++)
    {
        for (size_t j = start_x; j < start_x + line_width; j++)
        {
            lcd_draw_point(j, i, color);
        }
    }
}

/********************************************************************
 * 函数名称： lcd_draw_rect
 * 功能描述： 在LCD屏上绘制一个矩形框
 * 输入参数： start_x, start_y, rect_width, rect_height, line_width, color
 * 返 回 值： 无
 ********************************************************************/
void lcd_draw_rect(uint start_x, uint start_y, uint rect_width, uint rect_height, uint line_width, struct lcd_color* color)
{
    lcd_draw_line(start_x, start_y, rect_width, line_width, color);         // 上
    lcd_draw_line(start_x, start_y + rect_height - line_width - 1, rect_width, line_width, color);  // 下

    lcd_draw_line(start_x, start_y + line_width, line_width, rect_height - line_width, color);         // 左
    lcd_draw_line(start_x + rect_width - line_width - 1, start_y + line_width, line_width, rect_height - line_width, color);         // 右
}

int main(int args, char **argv)
{
    struct fb_fix_screeninfo fb_fix; // 固定参数信息
    struct fb_var_screeninfo fb_var; // 可变参数信息

    int fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open fb failed");
        exit(-1);
    }

    ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);
    ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);
    width = fb_var.xres;
    height = fb_var.yres;

    size_t len = fb_fix.line_length * fb_var.yres;
    screen_base = (u_int16_t *)mmap(NULL, len, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if ((void*)screen_base == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap failed");
        exit(-2);
    }

    // 将整个屏幕填充成红色
    for (size_t i = 0; i < height; i++)
    {
        for (size_t j = 0; j < width; j++)
        {
            struct lcd_color color = {31, 0, 0};
            lcd_draw_point(j, i, &color);
        }
    }
    
    // 绘制一根长为width，宽为 height/2 的线
    struct lcd_color line_color = {0, 31, 0};
    lcd_draw_line(0, 0, width, height/2, &line_color);

    // 绘制一个长为width，宽为height，线粗为10的矩形框
    struct lcd_color rect_color = {31, 31, 0};
    lcd_draw_rect(0, 0, width, height, 10, &rect_color);

    return 0;
}