魔鬼中的天使原唱试听:Framebuffer - 应用篇

Linux的帧缓冲（Frame Buffer）之一：原理及控制参数

大家都知道Unix/Linux系统是由命令驱动的。X－Window－System是Unix/Linux上的图形系统，它是通过X－Server来控制硬件的。但有一些Linux的发行版在引导的时候就会在屏幕上出现图形，这时的图形是不可能由X来完成的，那是什么机制呢？答案是FrameBuffer。
      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，所以可知其具有良好的移植性。
      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，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。在MID上，设备信息是/dev/graphics/fb0，在PC机上有显卡的原因是找不到fb的。  
      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。在MID上，采用的方式是cat /dev/graphics/fb0 tmp和cat tmp > /dev/graphics/fb0可以实现屏幕内存存储和重现，但是本人试了没有效果（原因不知）。
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。

      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。成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。
      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，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，在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。

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。
    典型程序段如下：
#include
#include
#include
#include
#include

int main () {
    int fp=0;
    struct fb_var_screeninfo vinfo;
    struct fb_fix_screeninfo finfo;
    fp = open ("/dev/graphics/fb0",O_RDWR);

    if (fp < 0){
        printf("Error : Can not open framebuffer device\n");
        exit(1);
    }

    if (ioctl(fp,FBIOGET_FSCREENINFO,&finfo)){
        printf("Error reading fixed information\n");
        exit(2);
    }
    if (ioctl(fp,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo)){
        printf("Error reading variable information\n");
        exit(3);
    }

    printf("The mem is :%d\n",finfo.smem_len);
    printf("The line_length is :%d\n",finfo.line_length);
    printf("The xres is :%d\n",vinfo.xres);
    printf("The yres is :%d\n",vinfo.yres);
    printf("bits_per_pixel is :%d\n",vinfo.bits_per_pixel);
    close (fp);
}
在服务器上加makefile用ARM交叉编译器编译后，拷贝到MID上，运行结果：

The mem is :1536000
The line_length is :1600
The xres is :800
The yres is :480
bits_per_pixel is :16

     struct fb_var_screeninfo 和 struct fb_fix_screeninfo 两个数据结构是在/usr/include/linux/fb.h中定义的，在fb_fix_screeninfo中有__u32 smem_len 是这个/dev/fb0的大小，也就是内存大小。__u32 line_length 是屏幕上一行的点在内存中占有的空间，不是一行上的点数。在fb_var_screeninfo 中有__u32 xres ，__u32 yres 是x和y方向的分辨率，就是两个方向上的点数。__u32 bits_per_pixel 是每一点占有的内存空间。
      如上：内存长度是1536000B，一行占的内存是1600B，分辨率是800*480，每像素占2B。你会发现1536000/(800*480*2)=2，分配的内存空间是单帧画面需要的内存空间的2倍？这是因为在现代的图形系统中大多有缓冲技术，显存中存有两页屏幕数据，这是方便快速的交换屏幕内容。

参考地址：http://blog.ednchina.com/exbob/37028/category.aspx

参考地址：http://blog.csdn.net/scwinter/archive/2010/01/08/5148967.aspx

Android原生(Native)C开发之二 framebuffer篇

如对Android原生(Natvie)C开发还任何疑问，请参阅http://emck.avaw.com/?p=205

虽然现在能通过交叉环境编译程序，并push到Android上执行，但那只是console台程序，是不是有些单调呢？下面就要看如何通过Linux的 framebuffer 技术在Android上画图形，关于Linux的framebuffer技术，这里就不再详细讲解了，请大家google一下。

操作framebuffer的主要步骤如下：

1、打开一个可用的FrameBuffer设备；
2、通过mmap调用把显卡的物理内存空间映射到用户空间；
3、更改内存空间里的像素数据并显示；

4、退出时关闭framebuffer设备。

下面的这个例子简单地用framebuffer画了一个渐变的进度条，代码 framebuf.c 如下：

#include
#include
#include
#include
#include

inline static unsigned short int make16color(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b)
{
return (
(((r >> 3) & 31) << 11) |
(((g >> 2) & 63) << 5)  |
((b >> 3) & 31)        );
}

int main() {
int fbfd = 0;
struct fb_var_screeninfo vinfo;
struct fb_fix_screeninfo finfo;
long int screensize = 0;
char *fbp = 0;
int x = 0, y = 0;
int guage_height = 20, step = 10;
long int location = 0;

// Open the file for reading and writing
fbfd = open(”/dev/graphics/fb0″, O_RDWR);
if (!fbfd) {
printf(”Error: cannot open framebuffer device.\n”);
exit(1);
}
printf(”The framebuffer device was opened successfully.\n”);

// Get fixed screen information
if (ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)) {
printf(”Error reading fixed information.\n”);
exit(2);
}

// Get variable screen information
if (ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)) {
printf(”Error reading variable information.\n”);
exit(3);
}

printf(”sizeof(unsigned short) = %d\n”, sizeof(unsigned short));
printf(”%dx%d, %dbpp\n”, vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.bits_per_pixel );
printf(”xoffset:%d, yoffset:%d, line_length: %d\n”, vinfo.xoffset, vinfo.yoffset, finfo.line_length );

// Figure out the size of the screen in bytes
screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;;

// Map the device to memory
fbp = (char *)mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
fbfd, 0);

if ((int)fbp == -1) {
printf(”Error: failed to map framebuffer device to memory.\n”);
exit(4);
}
printf(”The framebuffer device was mapped to memory successfully.\n”);

//set to black color first
memset(fbp, 0, screensize);
//draw rectangle
y = (vinfo.yres – guage_height) / 2 – 2;       // Where we are going to put the pixel
for (x = step – 2; x < vinfo.xres – step + 2; x++) {
location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) +
(y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length;

*((unsigned short int*)(fbp + location)) = 255;
}

y = (vinfo.yres + guage_height) / 2 + 2;       // Where we are going to put the pixel
for (x = step – 2; x < vinfo.xres – step + 2; x++) {
location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) +
(y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length;

*((unsigned short int*)(fbp + location)) = 255;
}

x = step – 2;
for (y = (vinfo.yres – guage_height) / 2 – 2; y < (vinfo.yres + guage_height) / 2 + 2; y++) {
location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) +
(y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length;

*((unsigned short int*)(fbp + location)) = 255;
}

x = vinfo.xres – step + 2;
for (y = (vinfo.yres – guage_height) / 2 – 2; y < (vinfo.yres + guage_height) / 2 + 2; y++) {
location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) +
(y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length;

*((unsigned short int*)(fbp + location)) = 255;
}

// Figure out where in memory to put the pixel
for ( x = step; x < vinfo.xres – step; x++ ) {
for ( y = (vinfo.yres – guage_height) / 2; y < (vinfo.yres + guage_height) / 2; y++ ) {
location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) +
(y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length;

if ( vinfo.bits_per_pixel == 32 ) {
*(fbp + location) = 100;        // Some blue
*(fbp + location + 1) = 15+(x-100)/2;     // A little green
*(fbp + location + 2) = 200-(y-100)/5;    // A lot of red
*(fbp + location + 3) = 0;      // No transparency
} else { //assume 16bpp
unsigned char b = 255 * x / (vinfo.xres – step);
unsigned char g = 255;     // (x – 100)/6 A little green
unsigned char r = 255;    // A lot of red
unsigned short int t = make16color(r, g, b);
*((unsigned short int*)(fbp + location)) = t;
}
}
//printf(”x = %d, temp = %d\n”, x, temp);
//sleep to see it
usleep(200);
}
//clean framebuffer
munmap(fbp, screensize);
close(fbfd);

return 0;
}

注意，在Android环境，framebuffer设备不是象linux一样的 /dev/fb0，而是 /dev/graphics/fb0 ，

fbfd = open(”/dev/graphics/fb0″, O_RDWR);

打开framebuffer设备，

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

将设备map到一块内存，然后就可以操作这块内存空间来显示你想画的图形了。

最后别忘了关闭设备：

munmap(fbp, screensize);
close(fbfd);

效果图如下：

 
Android framebuffer截图

  Linux的帧缓冲（Frame Buffer）之二：显示图形和图像

现在你应该对FrameBuffer有一个大概的了解了吧。那么接下来你一定会想在屏幕上画一些东西，让我们先从画一个方块开始吧。先说说我的想法：在类Unix系统中，一切东西都是文件。我们对屏幕的读写就可以转换成对帧缓冲设备的读写。那么就把帧缓冲设备用open打开，再用lseek定位要读写的位置，最后调用read或者write来操作。通过这么一大段的操作我们才完成了对一个点的读或者写。

      这种方法开销太大了。还有一种方法，我们把/dev/fb0映射到程序进程的内存空间中来，然后得到一个指向这段存储空间的指针，这样就可以方便的读写了。但是我们要知道能映射多少和该映射多少，这能很方便的从上面一个程序得出的参数来决定。

#include
#include
#include
#include
#include

int main () {
    int fp=0;
    struct fb_var_screeninfo vinfo;
    struct fb_fix_screeninfo finfo;
    long screensize=0;
    char *fbp = 0;
    int x = 0, y = 0;
    long location = 0;
    fp = open ("/dev/graphics/fb0",O_RDWR);

    if (fp < 0){
        printf("Error : Can not open framebuffer device\n");
        exit(1);
    }

    if (ioctl(fp,FBIOGET_FSCREENINFO,&finfo)){
        printf("Error reading fixed information\n");
        exit(2);
    }
    if (ioctl(fp,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo)){
        printf("Error reading variable information\n");
        exit(3);
    }

    screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;   //单帧画面空间
    /*这就是把fp所指的文件中从开始到screensize大小的内容给映射出来，得到一个指向这块空间的指针*/
    fbp =(char *) mmap (0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fp,0);
    if ((int) fbp == -1)
    {
         printf ("Error: failed to map framebuffer device to memory.\n");
         exit (4);
    }
/*这是你想画的点的位置坐标,(0，0)点在屏幕左上角*/
    for(x=100;x<150;x++)
   {
        for(y=100;y<150;y++)
       {
             location = x * (vinfo.bits_per_pixel / 8) + y  *  finfo.line_length;

             *(fbp + location) = 255;  /* 蓝色的色深 */  /*直接赋值来改变屏幕上某点的颜色*/
             *(fbp + location + 1) = 0; /* 绿色的色深*/   /*注明：这几个赋值是针对每像素四字节来设置的，如果针对每像素2字节，*/
             *(fbp + location + 2) = 0; /* 红色的色深*/   /*比如RGB565，则需要进行转化*/
             *(fbp + location + 3) = 0;  /* 是否透明*/
         }
    }
    munmap (fbp, screensize); /*解除映射*/
    close (fp);    /*关闭文件*/
    return 0;

}

在内核目录下用make编译好单个ARM格式的可执行文件后，拷贝到MID上，改变执行属性，再用./运行。即可在MID上产生一个蓝色的小方块。因为这是对线性存储空间的读写，所以代码有点不清晰，不易理解。但是有了这个基本的代码实现，我们可以很容易写一些DrawPoint之类的函数去包装一下低层的对线性存储空间的读写。有了画点的程序，再写出画线画圆的函数就不是非常困难了。

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