framebuffer實驗:編寫應用程式測試lcd驅動
一、Linux的幀緩衝裝置原理
幀緩衝(framebuffer)是 Linux 為顯示裝置提供的一個介面,把視訊記憶體抽象後的一種裝置,他允許上層應用程式在圖形模式下直接對顯示緩衝區進行讀寫操作。這種操作是抽象的,統一的。使用者不必關心物理視訊記憶體的位置、換頁機制等等具體細節。這些都是由Framebuffer 裝置驅動來完成的。幀緩衝驅動的應用廣泛,在 linux 的桌面系統中,Xwindow 伺服器就是利用幀緩衝進行視窗的繪製。尤其是通過幀緩衝可顯示漢字點陣,成為 Linux漢化的唯一可行方案。
幀緩衝裝置對應的裝置檔案為/dev/fb*,如果系統有多個顯示卡,Linux 下還可支援多個幀緩衝裝置,最多可達 32 個,分別為/dev/fb0 到/dev/fb31,而/dev/fb 則為當前預設的幀緩衝裝置,通常指向/dev/fb0。當然在嵌入式系統中支援一個顯示裝置就夠了。幀緩衝裝置為標準字元裝置,主裝置號為29,次裝置號則從0到31。分別對應/dev/fb0-/dev/fb31。
通過/dev/fb,應用程式的操作主要有這幾種:
1.讀/寫(read/write)/dev/fb:相當於讀/寫螢幕緩衝區。例如用 cp /dev/fb0 tmp 命令可將當前螢幕的內容拷貝到一個檔案中,而命令 cp tmp > /dev/fb0 則將圖形檔案tmp顯示在螢幕上。
2.對映(map)操作:由於 Linux 工作在保護模式,每個應用程式都有自己的虛擬地址空間,在應用程式中是不能直接訪問物理緩衝區地址的。為此,Linux 在檔案操作 file_operations 結構中提供了mmap 函式,可將檔案的內容對映到使用者空間。對於幀緩衝裝置,則可通過對映操作,可將螢幕緩衝區的實體地址對映到使用者空間的一段虛擬地址中,之後使用者就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問螢幕緩衝區,在螢幕上繪圖了。
3.I/O控制:對於幀緩衝裝置,對裝置檔案的 ioctl操作可讀取/設定顯示裝置及螢幕的引數,如解析度,顯示顏色數,螢幕大小等等。ioctl 的操作是由底層的驅動程式來完成的。
在應用程式中,操作/dev/fb的一般步驟如下:
1.開啟/dev/fb裝置檔案。
2.用 ioctrl 操作取得當前顯示螢幕的引數,如螢幕解析度,每個畫素點的位元數。根據螢幕引數可計算螢幕緩衝區的大小。
3.將螢幕緩衝區對映到使用者空間(mmep)。
4.對映後就可以直接讀寫螢幕緩衝區,進行繪圖和圖片顯示了。
典型程式段如下:
#include <linux/fb.h>
int main()
{
int fbfd = 0;
struct fb_var_screeninfo vinfo;
struct fb_fix_screeninfo finfo;
long int screensize = 0;
/*開啟裝置檔案*/
fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
/*取得螢幕相關引數*/
ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
/*計算螢幕緩衝區大小*/
screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;
/*對映螢幕緩衝區到使用者地址空間*/
fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);
/*下面可通過 fbp指標讀寫緩衝區*/
……
/*釋放緩衝區,關閉裝置*/
munmap(fbp, screensize);
close(fbfd);
}
二、ioctl操作
ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)
獲取fb_var_screeninfo結構的資訊,在linux/include/linux/fb.h定義。
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)
獲取fb_fix_screeninfon結構的資訊。在linux/include/linux/fb.h定義。
fbfd為裝置檔案號。
三.mmap函式
功能描述:
mmap函式是unix/linux下的系統呼叫
mmap將一個檔案或者其它物件對映進記憶體。檔案被對映到多個頁上,如果檔案的大小不是所有頁的大小之和,最後一個頁不被使用的空間將會清零。munmap執行相反的操作,刪除特定地址區域的物件對映。
基於檔案的對映,在mmap和munmap執行過程的任何時刻,被對映檔案的st_atime可能被更新。如果st_atime欄位在前述的情況下沒有得到更新,首次對對映區的第一個頁索引時會更新該欄位的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED標誌建立起來的檔案對映,其st_ctime 和 st_mtime
在對對映區寫入之後,但在msync()通過MS_SYNC 和 MS_ASYNC兩個標誌呼叫之前會被更新。
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);
引數:
start:對映區的開始地址。
length:對映區的長度。
prot:期望的記憶體保護標誌,不能與檔案的開啟模式衝突。是以下的某個值,可以通過or運算合理地組合在一起
PROT_EXEC //頁內容可以被執行
PROT_READ //頁內容可以被讀取
PROT_WRITE //頁可以被寫入
PROT_NONE //頁不可訪問
flags:指定對映物件的型別,對映選項和對映頁是否可以共享。它的值可以是一個或者多個以下位的組合體
MAP_FIXED //使用指定的對映起始地址,如果由start和len引數指定的記憶體區重疊於現存的對映空間,重疊部分將會被丟棄。如果指定的起始地址不可用,操作將會失敗。並且起始地址必須落在頁的邊界上。
MAP_SHARED //與其它所有對映這個物件的程序共享對映空間。對共享區的寫入,相當於輸出到檔案。直到msync()或者munmap()被呼叫,檔案實際上不會被更新。
MAP_PRIVATE //建立一個寫入時拷貝的私有對映。記憶體區域的寫入不會影響到原檔案。這個標誌和以上標誌是互斥的,只能使用其中一個。
MAP_DENYWRITE //這個標誌被忽略。
MAP_EXECUTABLE //同上
MAP_NORESERVE //不要為這個對映保留交換空間。當交換空間被保留,對對映區修改的可能會得到保證。當交換空間不被保留,同時記憶體不足,對對映區的修改會引起段違例訊號。
MAP_LOCKED //鎖定對映區的頁面,從而防止頁面被交換出記憶體。
MAP_GROWSDOWN //用於堆疊,告訴核心VM系統,對映區可以向下擴充套件。
MAP_ANONYMOUS //匿名對映,對映區不與任何檔案關聯。
MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的別稱,不再被使用。
MAP_FILE //相容標誌,被忽略。
MAP_32BIT //將對映區放在程序地址空間的低2GB,MAP_FIXED指定時會被忽略。當前這個標誌只在x86-64平臺上得到支援。
MAP_POPULATE //為檔案對映通過預讀的方式準備好頁表。隨後對對映區的訪問不會被頁違例阻塞。
MAP_NONBLOCK //僅和MAP_POPULATE一起使用時才有意義。不執行預讀,只為已存在於記憶體中的頁面建立頁表入口。
fd:有效的檔案描述詞。如果MAP_ANONYMOUS被設定,為了相容問題,其值應為-1。
offset:被對映物件內容的起點。
返回說明:
成功執行時,mmap()返回被對映區的指標,munmap()返回0。失敗時,mmap()返回MAP_FAILED[其值為(void *)-1],munmap返回-1。errno被設為以下的某個值
EACCES:訪問出錯
EAGAIN:檔案已被鎖定,或者太多的記憶體已被鎖定
EBADF:fd不是有效的檔案描述詞
EINVAL:一個或者多個引數無效
ENFILE:已達到系統對開啟檔案的限制
ENODEV:指定檔案所在的檔案系統不支援記憶體對映
ENOMEM:記憶體不足,或者程序已超出最大記憶體對映數量
EPERM:權能不足,操作不允許
ETXTBSY:已寫的方式開啟檔案,同時指定MAP_DENYWRITE標誌
SIGSEGV:試著向只讀區寫入
SIGBUS:試著訪問不屬於程序的記憶體區
四、測試程式:
功能:在螢幕中間一塊區域填充指定一種顏色: R=(0b)100,g= (0b)100 ,b =(0b)10
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#include <unistd.h>
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#include <stdio.h>
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#include <fcntl.h>
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#include <linux/fb.h>
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#include <sys/mman.h>
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int main()
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{
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int fbfd = 0;
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struct fb_var_screeninfo vinfo;
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struct fb_fix_screeninfo finfo;
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struct fb_cmap cmapinfo;
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long int screensize = 0;
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char *fbp = 0;
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int x = 0, y = 0;
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long int location = 0;
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int b,g,r;
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// Open the file for reading and writing
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fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR); // 開啟Frame Buffer裝置
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if (fbfd < 0) {
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printf("Error: cannot open framebuffer device.%x\n",fbfd);
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exit(1);
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}
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printf("The framebuffer device was opened successfully.\n");
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// Get fixed screen information
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if (ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)) { // 獲取裝置固有資訊
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printf("Error reading fixed information.\n");
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exit(2);
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}
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printf(finfo.id);
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printf("\ntype:0x%x\n", finfo.type ); // FrameBuffer 型別,如0為象素
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printf("visual:%d\n", finfo.visual ); // 視覺型別:如真彩2,偽彩3
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printf("line_length:%d\n", finfo.line_length ); // 每行長度
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printf("\nsmem_start:0x%x,smem_len:%d\n", finfo.smem_start, finfo.smem_len ); // 映象RAM的引數
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printf("mmio_start:0x%x ,mmio_len:%d\n", finfo.mmio_start, finfo.mmio_len );
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// Get variable screen information
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if (ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)) { // 獲取裝置可變資訊
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printf("Error reading variable information.\n");
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exit(3);
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}
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printf("%dx%d, %dbpp\n", vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.bits_per_pixel );
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// Figure out the size of the screen in bytes
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screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;
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// Map the device to memory 通過mmap系統呼叫將framebuffer記憶體對映到使用者空間,並返回對映後的起始地址
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fbp = (char *)mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
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fbfd, 0);
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if ((int)fbp == -1) {
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printf("Error: failed to map framebuffer device to memory.\n");
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exit(4);
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}
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printf("The framebuffer device was mapped to memory successfully.\n");
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vinfo.xoffset = (640-420)/2; // (計算螢幕影象在螢幕中間一塊區域顯示)Where we are going to put the pixel (x座標偏移量:111) 要分清一塊屏有寬和高,寬即用x座標表示,高用y表示,和直角座標系一樣
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vinfo.yoffset = (480-340)/2; // (y座標偏移量:70) 即該區域的左上角的畫素點座標為(x,y)=(110,70),右下角的座標為(x,y)= (110+420,70+340)
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b = 10; // 即blue : 0000 0010
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g = 100; // A little green 即green: 0000 0100
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r = 100; // A lot of red 即red : 0000 0100
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// Figure out where in memory to put the pixel
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for ( y = 0; y < 340; y++ ) // 行掃描
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for ( x = 0; x < 420; x++ ) { // 列掃描
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location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) + // 定位到具體哪一行的第幾個畫素
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(y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length; //定位到哪一行(即該行的第一個畫素的地址) 這兩句即是實現求某一個畫素的地址的功能
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if ( vinfo.bits_per_pixel == 32 ) { //
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*(fbp + location) = b; // Some blue
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*(fbp + location + 1) = g; // A little green
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*(fbp + location + 2) = r; // A lot of red
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*(fbp + location + 3) = 0; // No transparency
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} else { //16bpp: r:g:b=5:6:5 //assume 16bpp
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unsigned short int t = r<<11 | g << 5 | b;
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*((unsigned short int*)(fbp + location)) = t;
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}
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}
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munmap(fbp, screensize);
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close(fbfd);
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return 0;
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}