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Linux系统开发之Framebuffer应用编程

The following article is from 百问科技 Author 韦东山

Linux项目实战视频更新一节《Framebuffer应用编程》,免费观看

B站,网盘,百问网均已同步更新。这是视频配套的文档。


Framebuffer应用编程(点击观看):


视频配套文档内容如下:

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 + xbpp/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。

open函数

在Ubuntu中执行“man 2 open”,可以看到open函数的说明:

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: 

① pathname 表示打开文件的路径;② Flags表示打开文件的方式,常用的有以下6种, a. O_RDWR表示可读可写方式打开; b. O_RDONLY表示只读方式打开; c. O_WRONLY表示只写方式打开; d. 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; e. 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; f. 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;③ 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。④ 返回值:打开成功返回文件描述符,失败将返回-1。

ioctl函数

在Ubuntu中执行“man ioctl”,可以看到ioctl函数的说明:

头文件:

#include <sys/ioctl.h>

函数原型:

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

函数说明: 

① fd 表示文件描述符;② 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;③ … 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。④ 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。

mmap函数

在Ubuntu中执行“man mmap”,可以看到mmap函数的说明:

想更深刻地理解mmap的内部机制,可以看《嵌入式Linux驱动开发基础知识》中关于mmap的介绍。作为APP开发,只需要知道它的用法就可以了。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: 

① 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;② length表示将文件中多大的内容映射到内存中;③ prot 表示映射区域的保护方式,可以为以下4种方式的组合 a. PROT_EXEC 映射区域可被执行 b. PROT_READ 映射区域可被读出 c. PROT_WRITE 映射区域可被写入 d. PROT_NONE 映射区域不能存取 ④ Flags 表示影响映射区域的不同特性,常用的有以下两种 a. 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。 b. 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。⑤ 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

使用GIT下载所有源码后,本节源码位于如下目录:

01_all_series_quickstart\04_快速入门_正式开始\
01_嵌入式Linux应用开发基础知识\source\07_framebuffer\show_pixel.c

git地址:

https://e.coding.net/weidongshan/01_all_series_quickstart.git

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      }

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 <linux/fb.h>):

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。

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, MAP_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,这个参数的更深刻理解可以参考后面驱动基础中讲到的mmap知识。

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。

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);

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-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c

然后在开发板上执行show_pixel程序。

注意:板子的出厂程序中一般都有GUI,所以可能需要把GUI程序禁止掉。具体方法请看完全手册V2.3。


免责声明:本文来源网络,免费传达知识,版权归原作者所有。如涉及作品版权问题,请联系我进行删除。

5、最后

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