Framebuffer的介绍

Framebuffer的介绍

Framebuffer在Linux中是作为设备来实现的，它是对图形硬件的一种抽象[1]，代表着显卡中的帧缓冲区（Framebuffer）。通过Framebuffer设备，上层软件可以通过一个良好定义的软件接口访问图形硬件，而不需要关心底层图形硬件是如何工作的，比如，上层软件不用关心应该如何读写显卡寄存器，也不需要知道显卡中的帧缓冲区从什么地址开始，所有这些工作都由Framebuffer去处理，上层软件只需要集中精力在自己要做的事情上就是了。

Framebuffer的优点在于它是一种低级的通用设备，而且能够跨平台工作，比如Framebuffer既可以工作在x86平台上，也能工作在PPC平台上，甚至也能工作在m68k和SPARC等平台上，在很多嵌入式设备上Framebuffer也能正常工作。诸如Minigui之类的GUI软件包也倾向于采用Framebuffer作为硬件抽象层（HAL）。

从用户的角度来看，Framebuffer设备与其它设备并没有什么不同。Framebuffer设备位于/dev下，通常设备名为fb*，这里*的取值从0到31。对于常见的计算机系统而言，32个Framebuffer设备已经绰绰有余了（至少作者还没有看到过有32个监视器的计算机）。最常用到的Framebuffer设备是/dev/fb0。通常，使用Framebuffer的程序通过环境变量FRAMEBUFFER来取得要使用的Framebuffer设备，环境变量FRAMEBUFFER通常被设置为”/dev/fb0”。

从程序员的角度来看，Framebuffer设备其实就是一个文件而已，可以像对待普通文件那样读写Framebuffer设备文件，可以通过mmap()将其映射到内存中，也可以通过ioctl()读取或者设置其参数，等等。最常见的用法是将Framebuffer设备通过mmap()映射到内存中，这样可以大大提高IO效率。

要在PC平台上启用Framebuffer，首先必须要内核支持，这通常需要重新编译内核。另外，还需要修改内核启动参数。在作者的系统上，为了启用Framebuffer，需要将/boot/grub/menu.lst中的下面这一行：

kernel /boot/vmlinuz-2.4.20-8 ro root=LABEL=/1

修改为

kernel /boot/vmlinuz-2.4.20-8 ro root=LABEL=/1 vga=0x0314

即增加了vga=0x0314这样一个内核启动参数。这个内核启动参数表示的意思是：Framebuffer设备的大小是800x600，颜色深度是16bits/像素。

下面，来了解一下如何编程使用Framebuffer设备。由于对Framebuffer设备的读写应该是不缓冲的，但是标准IO库默认是要进行缓冲的，因此通常不使用标准IO库读写Framebuffer设备，而是直接通过read()、write()或者mmap()等系统调用来完成与Framebuffer有关的IO操作。又由于mmap()能够大大降低IO的开销，因此与Framebuffer设备有关的IO通常都是通过mmap()系统调用来完成的。mmap()的函数原型如下（Linux系统上的定义）：

#include

#ifdef _POSIX_MAPPED_FILES

 

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

       off_t offset);

 

int munmap(void *start, size_t length);

 

#endif

系统调用mmap()用来实现内存映射IO。所谓内存映射IO，是指将一个磁盘文件的内容与内存中的一个空间相映射。当从这个映射内存空间中取数据时，就相当于从文件中读取相应的字节，而当向此映射内存空间写入数据时，就相当于向磁盘文件中写入数据。这就是内存映射IO的含义。

具体到对mmap()而言，当调用成功时，返回值就是与磁盘文件建立了映射关系的内存空间的起始地址，当调用失败时，mmap()的返回值是-1。第一个参数start通常设置为0，表示由系统选择映射内存空间；第二个参数length指定了要映射的字节数；第三个参数指明了映射内存空间的保护属性，对于Framebuffer通常将其设置为PROT_READ | PROT_WRITE，表示既可读也可写；第四个参数flags指明了影响映射内存空间行为的标志，对于Framebuffer编程而言，要将flags设置为MAP_SHARED，表明当向映射内存空间写入数据时，将数据写入磁盘文件中；第五个参数fd是要映射的文件的文件描述符；第六个参数offset指明了要映射的字节在文件中的偏移量。

如果mmap()调用成功，就可以在程序中对得到的映射内存空间进行读写操作了。所有的读写都将由操作系统内核转换成IO操作。

在使用完映射内存空间之后，应当将其释放，这是通过munmap()系统调用完成的。munmap()的第一个参数是映射内存空间的起始地址，第二个参数length是映射内存空间的长度，单位为字节。如果释放成功，munmap()返回0，否则返回-1。

如果应用程序需要知道Framebuffer设备的相关参数，必须通过ioctl()系统调用来完成。在头文件中定义了所有的ioctl命令字，不过，最常用的ioctl命令字是下面这两个：FBIOGET_FSCREENINFO和FBIOGET_VSCREENINFO，前者返回与Framebuffer有关的固定的信息，比如图形硬件上实际的帧缓存空间的大小、能否硬件加速等信息；而后者返回的是与Framebuffer有关的可变信息，之所以可变，是因为对同样的图形硬件，可以工作在不同的模式下，简单来讲，一个支持1024x768x24图形模式的硬件通常也能工作在800x600x16的图形模式下，可变的信息就是指Framebuffer的长度、宽度以及颜色深度等信息。这两个命令字相关的结构体有两个：struct fb_fix_screeninfo和struct fb_var_screeninfo，这两个结构体都比较大，前者用于保存Framebuffer设备的固定信息，后者用于保存Framebuffer设备的可变信息。在调用ioctl()的时候，要用到这两个结构体。应用程序中通常要用到struct fb_var_screeninfo的下面这几个字段：xres、yres、bits_per_pixel，分别表示x轴的分辨率、y轴的分辨率以及每像素的颜色深度（颜色深度的单位为bit/pixel），其类型定义都是无符号32位整型数。