framebuffer实验：编写应用程序测试lcd驱动

一、Linux的帧缓冲设备原理

帧缓冲（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。

帧缓冲设备对应的设备文件为/dev/fb*，如果系统有多个显示卡，Linux 下还可支持多个帧缓冲设备，最多可达 32 个，分别为/dev/fb0 到/dev/fb31，而/dev/fb 则为当前缺省的帧缓冲设备，通常指向/dev/fb0。当然在嵌入式系统中支持一个显示设备就够了。帧缓冲设备为标准字符设备，主设备号为29，次设备号则从0到31。分别对应/dev/fb0-/dev/fb31。

通过/dev/fb，应用程序的操作主要有这几种：

1．读/写（read/write）/dev/fb：相当于读/写屏幕缓冲区。例如用  cp /dev/fb0 tmp 命令可将当前屏幕的内容拷贝到一个文件中，而命令 cp tmp > /dev/fb0 则将图形文件tmp显示在屏幕上。

2．映射（map）操作：由于 Linux 工作在保护模式，每个应用程序都有自己的虚拟地址空间，在应用程序中是不能直接访问物理缓冲区地址的。为此，Linux 在文件操作 file_operations 结构中提供了mmap 函数，可将文件的内容映射到用户空间。对于帧缓冲设备，则可通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间的一段虚拟地址中，之后用户就可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图了。

3．I/O控制：对于帧缓冲设备，对设备文件的 ioctl操作可读取/设置显示设备及屏幕的参数，如分辨率，显示颜色数，屏幕大小等等。ioctl 的操作是由底层的驱动程序来完成的。

在应用程序中，操作/dev/fb的一般步骤如下：

1．打开/dev/fb设备文件。

2．用 ioctrl 操作取得当前显示屏幕的参数，如屏幕分辨率，每个像素点的比特数。根据屏幕参数可计算屏幕缓冲区的大小。

3．将屏幕缓冲区映射到用户空间（mmep）。

4．映射后就可以直接读写屏幕缓冲区，进行绘图和图片显示了。

 典型程序段如下：

#include <linux/fb.h>

int main()

{  

 int fbfd = 0;

 struct fb_var_screeninfo vinfo;

 struct fb_fix_screeninfo finfo;

 long int screensize = 0;

/*打开设备文件*/

 fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);

/*取得屏幕相关参数*/

 ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);  

 ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);

/*计算屏幕缓冲区大小*/

 screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;

/*映射屏幕缓冲区到用户地址空间*/

fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);

/*下面可通过 fbp指针读写缓冲区*/

……

/*释放缓冲区，关闭设备*/

munmap(fbp, screensize);

close(fbfd);

}

二、ioctl操作

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)

获取fb_var_screeninfo结构的信息，在linux/include/linux/fb.h定义。

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)

获取fb_fix_screeninfon结构的信息。在linux/include/linux/fb.h定义。

fbfd为设备文件号。

三．mmap函数

功能描述：

mmap函数是unix/linux下的系统调用

mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。

基于文件的映射，在mmap和munmap执行过程的任何时刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情况下没有得到更新，首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射，其st_ctime 和 st_mtime

在对映射区写入之后，但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。

用法：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,

int fd, off_t offset);

int munmap(void *start, size_t length);

参数：

start：映射区的开始地址。

length：映射区的长度。

prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起

PROT_EXEC //页内容可以被执行

PROT_READ //页内容可以被读取

PROT_WRITE //页可以被写入

PROT_NONE //页不可访问

flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体

MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。

MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。

MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。

MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。

MAP_EXECUTABLE //同上

MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。

MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。

MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。

MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。

MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。

MAP_FILE //兼容标志，被忽略。

MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。

MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。

MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。

offset：被映射对象内容的起点。

返回说明：

成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值

EACCES：访问出错

EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定

EBADF：fd不是有效的文件描述词

EINVAL：一个或者多个参数无效

ENFILE：已达到系统对打开文件的限制

ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射

ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量

EPERM：权能不足，操作不允许

ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志

SIGSEGV：试着向只读区写入

SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

四、测试程序：
功能：在屏幕中间一块区域填充指定一种颜色： R=(0b)100,g= (0b)100 ,b =(0b)10

1. #include <unistd.h>

2. #include <stdio.h>

3. #include <fcntl.h>

4. #include <linux/fb.h>

5. #include <sys/mman.h>

6.  

7. int main()

8. {

9. int fbfd = 0;

10. struct fb_var_screeninfo vinfo;

11. struct fb_fix_screeninfo finfo;

12. struct fb_cmap cmapinfo;

13. long int screensize = 0;

14. char *fbp = 0;

15. int x = 0, y = 0;

16. long int location = 0;

17. int b,g,r;

18. // Open the file for reading and writing

19. fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR); // 打开Frame Buffer设备

20. if (fbfd < 0) {

21. printf("Error: cannot open framebuffer device.%x\n",fbfd);

22. exit(1);

23. }

24. printf("The framebuffer device was opened successfully.\n");

25.  

26. // Get fixed screen information

27. if (ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)) { // 获取设备固有信息

28. printf("Error reading fixed information.\n");

29. exit(2);

30. }

31. printf(finfo.id);

32. printf("\ntype:0x%x\n", finfo.type ); // FrameBuffer 类型,如0为象素

33. printf("visual:%d\n", finfo.visual ); // 视觉类型：如真彩2，伪彩3

34. printf("line_length:%d\n", finfo.line_length ); // 每行长度

35. printf("\nsmem_start:0x%x,smem_len:%d\n", finfo.smem_start, finfo.smem_len ); // 映象RAM的参数

36. printf("mmio_start:0x%x ,mmio_len:%d\n", finfo.mmio_start, finfo.mmio_len );

37.  

38. // Get variable screen information

39. if (ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)) { // 获取设备可变信息

40. printf("Error reading variable information.\n");

41. exit(3);

42. }

43. printf("%dx%d, %dbpp\n", vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.bits_per_pixel );

44. // Figure out the size of the screen in bytes

45. screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;

46. // Map the device to memory 通过mmap系统调用将framebuffer内存映射到用户空间,并返回映射后的起始地址

47. fbp = (char *)mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,

48. fbfd, 0);

49. if ((int)fbp == -1) {

50. printf("Error: failed to map framebuffer device to memory.\n");

51. exit(4);

52. }

53. printf("The framebuffer device was mapped to memory successfully.\n");

54.  

55. vinfo.xoffset = (640-420)/2; // (计算屏幕图像在屏幕中间一块区域显示)Where we are going to put the pixel (x坐标偏移量：111) 要分清一块屏有宽和高，宽即用x坐标表示，高用y表示，和直角坐标系一样

56. vinfo.yoffset = (480-340)/2; // (y坐标偏移量：70) 即该区域的左上角的像素点坐标为（x,y）=（110,70）,右下角的坐标为(x,y)= (110+420,70+340)

57. b = 10; // 即blue : 0000 0010

58. g = 100; // A little green 即green: 0000 0100

59. r = 100; // A lot of red 即red : 0000 0100

60. // Figure out where in memory to put the pixel

61. for ( y = 0; y < 340; y++ ) // 行扫描

62. for ( x = 0; x < 420; x++ ) { // 列扫描

63.  

64. location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) + // 定位到具体哪一行的第几个像素

65. (y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length; //定位到哪一行(即该行的第一个像素的地址) 这两句即是实现求某一个像素的地址的功能

66.  

67. if ( vinfo.bits_per_pixel == 32 ) { //

68. *(fbp + location) = b; // Some blue

69. *(fbp + location + 1) = g; // A little green

70. *(fbp + location + 2) = r; // A lot of red

71. *(fbp + location + 3) = 0; // No transparency

72. } else { //16bpp: r:g:b=5:6:5 //assume 16bpp

73.  

74. unsigned short int t = r<<11 | g << 5 | b;

75. *((unsigned short int*)(fbp + location)) = t;

76. }

77.  

78. }

79. munmap(fbp, screensize);

80. close(fbfd);

81. return 0;

82. }