基于x86_64 ubuntu22.04的framebuffer编程

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前言

前段时间由于笔记本没有保管好，LCD显示屏压碎了。于是，将笔记本电脑拆开查看LCD型号。在淘宝上下单买了块新的，给老伙计重新装上了。又给笔记本重新装了系统，这个过程甚是艰辛。本来是想装WIN10 X64系统的，制作好U盘启动后程序卡在了win10的启动界面。本来以为可能是内存不够，在网上下单又购买了4G内存条给笔记本换上。装好内存条后，笔记本的运行速度确实有所提升。但是，安装win10 仍然是同样的情况。看来是CPU的性能不够，打算升级CPU。在网上查阅了很多关于升级CPU的帖子，最终结论是主板南桥芯片H55限制了CPU只能选择一代CPU。一代CPU都是双核四线程的，对性能提升应该不是很大。基于此，重新安装回win 7 x64旗舰版。装软件的时候发现，win7 跟 XP一样很多软件都不适用了。而且，还有大量的补丁。最终，选择了给它装上ubuntu 22.04。于是有了本文的硬件基础，本文就是在这台x86_64 ubuntu22.04上做的实验。

一、framebuffer简介

framebuffer是对LCD显示屏的硬件抽象，通过对framebuffer的操作可以直接显示到LCD上。framebuffer是一个字符设备，它向上为用户层提供统一的访问接口，向下屏蔽底层各类硬件显示设备的差异，提高framebuffer设备应用程序的兼容性和可移植性。
framebuffer是一个标准的字符设备，主设备号为29。linux系统最大支持32个framebuffer设备，次设备号一般从0开始，依次为0到31。与其它设备一样，设备节点位于/dev目录下面，一般命名为fbx。例如，/dev/fb0。

二、framebuffer接口

对于framebuffer应用程序开发，不需关心底层的具体实现，只需知道具体访问接口、数据结构以及显示设备的一些必要信息，即可开发应用程序。

1.framebuffer设备描述信息

framebuffer设备信息包括两部分，分别是不可更改和可更改信息。设备信息描述数据结构位于“include/uaip/linux/fb.h”中声明。
不可更改信息描述的是显示设备的固有属性、物理内存地址、物理内存大小等等；对于应用层来说，该部分信息可以用来查询显示设备固有属性信息，对于具体应用过程关联性不大。
struct fb_fix_screeninfo{
char id[16]; /* identification string eg “TT Builtin” /
unsigned long smem_start; / Start of frame buffer mem /
/ (physical address) /
__u32 smem_len; / Length of frame buffer mem /
__u32 type; / see FB_TYPE_* /
__u32 type_aux; / Interleave for interleaved Planes /
__u32 visual; / see FB_VISUAL_* /
__u16 xpanstep; / zero if no hardware panning /
__u16 ypanstep; / zero if no hardware panning /
__u16 ywrapstep; / zero if no hardware ywrap /
__u32 line_length; / length of a line in bytes /
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; / see FB_CAP_* /
__u16 reserved[2]; / Reserved for future compatibility */
};

第二部分可更改的信息，涉及显示设备物理分辨率、虚拟分辨率、像素位宽，这部分信息在应用编程需要关注的，以计算显示位置、颜色、映射内存等等。该部分也设计显示设备的固有信息，但应用程序可以通过接口修改。

						struct fb_var_screeninfo{__u32 xres;			/* 可视分辨率(物理分辨率) */__u32 yres;__u32 xres_virtual;	/* 虚拟分辨率 */__u32 yres_virtual;__u32 xoffset;		/* 虚拟分辨率相对可视分配率偏移值 */__u32 yoffset;			__u32 bits_per_pixel;	/* 像素位宽，每个像素用多少未表示 */__u32 grayscale;		/* 灰度等级，0表示彩色，1表示灰度（黑白屏）*//* 缓存RGB位域 */struct fb_bitfield red;		/* bitfield in fb mem if true color, */struct fb_bitfield green;	/* else only length is significant */struct fb_bitfield blue;struct fb_bitfield transp;	/* transparency	*/	__u32 nonstd;			/* != 0 Non standard pixel format */__u32 activate;			/* see FB_ACTIVATE_* */__u32 height;			/* height of picture in mm    */__u32 width;			/* width of picture in mm     */__u32 accel_flags;		/* (OBSOLETE) see fb_info.flags *//* 实际显示屏（LCD）参数，根据LCD手册设置，用户层一般不用更改 */__u32 pixclock;			/* 像素时钟 */__u32 left_margin;		/* 显示设备水平方向前肩，单位：时钟 */__u32 right_margin;		/* 显示设备水平方向后肩，单位：时钟 */__u32 upper_margin;		/* 显示设备垂直方式前肩，单位：行 */__u32 lower_margin;		/* 显示设备垂直方向后肩，单位：行 */__u32 hsync_len;		/* 显示设备水平方向有效区域，单位：时钟 */__u32 vsync_len;		/* 显示设备垂直方向有效区域，单位：行 */__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 */}

framebuffer应用程序开发，主要关注的的成员参数是物理分辨率、像素位宽。物理分辨率和像素位宽决定了映射内存的大小，如一个LCD分辨率为1024768、像素位宽为32位；则需要的内存空间大小为：1024768*32/8=3145728字节。

2.framebuffer访问接口

framebuffer设备是一个标准的linux字符设备，可以通过标准虚拟文件接口open/read/write/ioctl/close访问。设备访问分为两部分数据，分别是控制数据流和显示数据流传。对控制数据流通过ioctl结合指定命令实现；对于显示流数据，由于数据量比较大，结合mmap函数，将framebuffer物理内存映射到用户态，直接访问物理内存。
ioctl（fd, cmd, param）; /* 文件描述符， 命令字， 参数信息 */

	framebuffer设备ioctl命令位于“include/uapi/linux/fb.h”定义。/* include/uaip/linux/fb.h *//* ioctls0x46 is 'F'			*/#define FBIOGET_VSCREENINFO	0x4600	/* 查询显示设备可更改信息 */#define FBIOPUT_VSCREENINFO	0x4601	/* 设置显示设备可更改信息 */#define FBIOGET_FSCREENINFO	0x4602	/* 查询显示设备不可更改信息 */#define FBIOGETCMAP			0x4604#define FBIOPUTCMAP			0x4605#define FBIOPAN_DISPLAY		0x4606......

3.查询/设置可更改信息

函数原型：
int ioctl(int fd, int cmd, struct fb_var_screeninfo *var);

cmd，命令字：FBIOGET_VSCREENINFO
var，设备可更改信息数据结构
返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于errno中

获取显示设备可更改信息伪代码：

int fb = 0;
struct fb_var_screeninfo var;

fb = open(“/dev/fb0”, O_RDWR);
if (fb < 0)
{
printf(“open fb device failed:%s\n”,strerror(errno));
return -1;
}
if (ioctl(fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
{
printf(“read fb device param failed:%s\n”,strerror(errno));
return -1;
}

查询不可更改信息
函数原型：
int ioctl(int fd, int cmd, struct fb_fix_screeninfo *var);

cmd，命令字：FBIOGET_FSCREENINFO
var，设备不可更改信息数据结构
返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于errno中

获取显示设备不可更改信息伪代码：
int fb = 0;
struct fb_fix_screeninfo fix;

fb = open(“/dev/fb0”, O_RDWR);
if (fb < 0)
{
printf(“open fb device failed:%s\n”,strerror(errno));
return -1;
}
if (ioctl(fb, FBIOGET_FSCREENINFO, &fix))
{
printf(“read fb device param failed:%s\n”,strerror(errno));
return -1;
}

三、使用步骤

应用程序访问一个framebuffer设备的的总体流程如下图。

实例：
获取framebuffer设备信息
“红—绿—蓝” 1秒周期循环刷新输出

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

struct _fb_info
{
int fd; /* framebuffer 文件描述符 /
uint8_t pbuf; / 映射内存 /
struct fb_fix_screeninfo fix;
struct fb_var_screeninfo var;/ framebuffer设备信息/
};

struct _fb_info fb_app = {0};

/* 画点函数 */
static void draw_pixel(struct _fb_info *fb, int x, int y, uint32_t color)
{
uint8_t *poffset_buf = NULL;

poffset_buf = fb->pbuf + (x*fb->var.bits_per_pixel/8) + (y*fb->var.xres*fb->var.bits_per_pixel/8);	/* 计算内存偏移地址 */
*(uint32_t*)poffset_buf = color;	/* ARGB32格式 */

}

/* 全屏画点函数 */
static void fill_pixel(struct _fb_info *fb, uint32_t color)
{
int i, j;

for (i=0; i<fb->var.xres; i ++) 
{for (j=0; j<fb->var.yres; j ++) {draw_pixel(fb, i, j, color);}
}

}

int main(int argc, char *argv[])
{
int ret = 0;
int mem_size = 0;

if (argc < 2)
{printf("parameter invalid\n");return -1;
}fb_app.fd = open(argv[1], O_RDWR);
if (fb_app.fd < 0)
{printf("open device [%s] failed:%s\n", argv[1], strerror(errno));return -1;
}
printf("framebuffer device:%s\n", argv[1]);/* 读取不可更改信息 */
ret = ioctl(fb_app.fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_app.fix);    
if (ret < 0)
{printf("read fb device fscreeninfo failed:%s\n", strerror(errno));close(fb_app.fd);return -1;
}
printf("device id:%s\n", fb_app.fix.id);
printf("smem_start:0x%x, smem_len:%u\n", fb_app.fix.smem_start, fb_app.fix.smem_len);    /* 读取可更改信息 */
ret = ioctl(fb_app.fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_app.var);
if (ret < 0)
{printf("read fb device vscreeninfo failed:%s\n", strerror(errno));close(fb_app.fd);return -1;
}
printf("visible resolution:%d*%d\n", fb_app.var.xres, fb_app.var.yres);
printf("virtual resolution:%d*%d\n", fb_app.var.xres_virtual, fb_app.var.yres_virtual);
printf("pixel bits wide:%d\n", fb_app.var.bits_per_pixel);
printf("grayscale:%d\n", fb_app.var.grayscale);mem_size = fb_app.var.xres * fb_app.var.yres * fb_app.var.bits_per_pixel / 8;	/* 计算内存 */
fb_app.pbuf = (uint8_t *)mmap(NULL, mem_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fb_app.fd, 0);
if (fb_app.pbuf == NULL)
{printf("fb device mmap failed:%s\n", strerror(errno));close(fb_app.fd);return -1;
}
memset(fb_app.pbuf, 0, mem_size);	/* 清屏操作（黑屏）*/
for (;;)
{fill_pixel(&fb_app, 0xffff0000);/* 红 */sleep(1);fill_pixel(&fb_app, 0xff00ff00);/* 绿 */sleep(1);fill_pixel(&fb_app, 0xff0000ff);/* 蓝 */sleep(1);
}
munmap(fb_app.pbuf, mem_size);
close(fb_app.fd);return 0;	

}