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分类: 嵌入式

2009-12-21 16:47:00

一. Linux的帧缓冲设备
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。帧缓冲驱 动的应用广泛,在linux的桌面系统中,Xwindow服务器就是利用帧缓冲进行窗口的绘制。尤其是通过帧缓冲可显示汉字点阵,成为Linux汉化的唯 一可行方案。
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,而/dev/fb则为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。
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。例如用 cp /dev/fb0 tmp命令可将当前屏幕的内容拷贝到一个文件中,而命令cp tmp > /dev/fb0 则将图形文件tmp显示在屏幕上。
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。实际上,使用帧缓冲设备的应用程序都是通过映射操 作来显示图形的。由于映射操作都是由内核来完成,下面我们将看到,帧缓冲驱动留给开发人员的工作并不多。
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。
在应用程序中,操作/dev/fb的一般步骤如下:
1. 打开/dev/fb设备文件。
2. 用ioctrl操作取得当前显示屏幕的参数,如屏幕分辨率,每个像素点的比特数。根据屏幕参数可计算屏幕缓冲区的大小。
3. 将屏幕缓冲区映射到用户空间。
4. 映射后就可以直接读写屏幕缓冲区,进行绘图和图片显示了。
典型程序段如下:
#include
int main()
{
int fbfd = 0;
struct fb_var_screeninfo vinfo;
struct fb_fix_screeninfo finfo;
long int screensize = 0;
/*打开设备文件*/
fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
/*取得屏幕相关参数*/
ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
/*计算屏幕缓冲区大小*/
screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;
/*映射屏幕缓冲区到用户地址空间*/
fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);
/*下面可通过fbp指针读写缓冲区*/
……
}
二. 帧缓冲驱动的编写
帧缓冲设备属于字符设备,与声音设备一样,也采用“文件层-驱动层”的接口方式。在文件层次上,Linux为其定义了
static struct file_operations fb_fops = {
owner: THIS_MODULE,
read: fb_read, /* 读操作 */
write: fb_write, /* 写操作 */
ioctl: fb_ioctl, /* 控制操作 */
mmap: fb_mmap, /* 映射操作 */
open: fb_open, /* 打开操作 */
release: fb_release, /* 关闭操作 */
};
其中的成员函数都在文件linux/driver/video/fbmem.c中定义。
由于显示设备的特殊性,在驱动层的接口中不但要包含底层函数,还要有一些纪录设备状态的数据。Linux为帧缓冲设备定义的驱动层接口为struct fb_info结构,在include/linux/fb.h中定义。这个结构比较长,限于篇幅,文章中就不全部列出了。幸运的是,嵌入式系统要求的显示 操作比较简单,只涉及到结构中少数几个成员,下面只对编写驱动中要用到的几个关键成员作一说明。
fb_info中纪录了帧缓冲设备的全部信息,包括设备的设置参数,状态以及操作函数指针。每一个帧缓冲设备都必须对应一个fb_info结构。其中成员 变量Modename为设备名称,fontname为显示字体,fbops为指向底层操作的函数的指针,这些函数是需要驱动程序开发人员编写的。成员 fb_var_screeninfo和 fb_fix_screeninfo也是结构体。其中fb_var_screeninfo记录用户可修改的显示控制器参数,包括屏幕分辨率和每个像素点的 比特数。fb_var_screeninfo中的xres定义屏幕一行有多少个点, yres定义屏幕一列有多少个点, bits_per_pixel定义每个点用多少个字节表示。而fb_fix_screeninfo中记录用户不能修改的显示控制器的参数,如屏幕缓冲区的 物理地址,长度。当对帧缓冲设备进行映射操作的时候,就是从fb_fix_screeninfo中取得缓冲区物理地址的。上面所说的数据成员都是需要在驱 动程序中设置的。
在了解了上面所述的概念后,编写帧缓冲驱动的实际工作并不复杂,需要做的工作是:
1. 编写初始化函数:初始化函数首先初始化LCD控制器,设置显示模式和显示颜色数,然后分配LCD显示缓冲区。在Linux可通过kmalloc函数分配一 片连续的空间。笔者采用的LCD显示方式为240x320,16位彩色。需要分配的显示缓冲区为240x320x2 = 150k字节,缓冲区通常分配在片外SDRAM中,起始地址保存在LCD控制器寄存器中。
最后是初始化一个fb_info结构,填充其中的成员变量,并调用register_framebuffer(&fb_info)将fb_info登记入内核。
2. 编写结构fb_info中函数指针fb_ops对应的成员函数:对于嵌入式系统的简单实现,只需要下列三个函数就可以了:
struct fb_ops {
……..
int (*fb_get_fix)(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con, struct fb_info *info);
int (*fb_get_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info);
int (*fb_set_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,struct fb_info *info);
…….
};
struct fb_ops在include/linux/fb.h中定义。这些函数都是用来设置/获取fb_info结构中的成员变量的。当应用程序对设备文件进行 Ioctl操作时候会调用它们,读者可参考前文中的应用程序例子。例如,对于fb_get_fix(),应用程序传入的是 fb_fix_screeninfo结构,在函数中对其成员变量赋值,主要是smem_start(缓冲区起始地址)和smem_len(缓冲区长度), 最终返回给应用程序。而fb_set_var()函数的传入参数是fb_var_screeninfo,函数中需要对xres,yres,和 bits_per_pixel赋值。
驱动程序编写完成后,开发者可选择将其编译为动态加载模块,或静态地编译入内核中。由于篇幅所限,有关这方面的内容请读者参考相关驱动程序文档。
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