framebuffer驱动分析

在后续的几篇里面会详细介绍如何编写一个显卡的驱动程序。

一、内核代码中framebuffer的documentation

framebuffer device在内核里面作为显卡驱动模型，许多函数和数据结构都是特定，正是这些特定的东西为我们的编程提供了方便。要开发framebuffer device driver，你应该阅读linux\Documentation\fb下面的说明文件，三个重要文件00-INDEX， framebuffer.txt，internals.txt，其他文件都是针对具体显卡芯片的说明了。

1、文件00-INDEX译文

文档/documentation/fb的索引文件。

00-index 这个文件：
framebuffer.txt--- frame buffer 设备介绍
internals.txt----frame buffer设备内部快速浏览
modedb.txt----关于视频模式的资料
aty128fb.txt----关于ATI Rage128显卡的frame buffer设备
clgenfb.txt-----关于Cirrus Logic的显卡
matroxfb.txt----关于Matrox的显卡
pvr2fb.txt----关于PowerVR 2的显卡
tgafb.txt----关于TGA（DECChip 21030）显卡
vesafb.txt----关于VESA显卡

2.framebuffer.txt

0）.介绍

    帧缓冲设备提供了显卡的抽象描述。他同时代表了显卡上的显存，应用程序通过定义好的接口可以访问显卡，而不需要知道底层的任何操作。

    该设备使用特殊的设备节点，通常位于/dev目录，如/dev/fb*.

1）.用户角度的/dev/fb*

    从用户的角度看，帧缓冲设备和其他位于/dev下面的设备类似。他是一个字符设备，通常主设备号是29，次设备号定义帧缓冲的个数。通常，使用如下方式（前面的数字代码次设备号）

        0 = /dev/fb0    First frame buffer
        1 = /dev/fb1    Second frame buffer
    ...
        31 = /dev/fb31 32nd frame buffer

    

    考虑到向下兼容，你可以创建符号链接：

        /dev/fb0current -> fb0
        /dev/fb1current -> fb1

        and so on...

    帧缓冲设备也是一种普通的内存设备，你可以读写其内容。例如，对屏幕抓屏：

         cp /dev/fb0 myfile

    你也可以同时有多个显示设备，例如你的主板上除了内置的显卡还有另一独立的显卡。对应的帧缓冲设备(/dev/fb0 and /dev/fb1 etc.)可以独立工作。应用程序如 X server一般使用/dev/fb0作为默认的显示帧缓冲区。你可以自定把某个设备作为默认的帧缓冲设备，设置$FRAMEBUFFER环境变量即可。

在sh/bash：

    export FRAMEBUFFER=/dev/fb1

在csh中：

    setenv FRAMEBUFFER /dev/fb1

   

设定后，X server将使用第二个帧缓冲区设备。

2）.程序员角度看/dev/fb*

    正如你所知，一个帧缓冲设备和内存设备类似/dev/mem，并且有许多共性。你可以read,write,seek以及mmap()。不同仅仅是帧缓冲的内存不是所有的内存区，而是显卡专用的那部分内存。/dev/fb*也允许尽心ioctl操作，通过ioctl可以读取或设定设备参数。颜色映射表也是通过Ioctl设定。查看下 就知道有多少ioctl应用以及相关数据结构。

例如：

     FBIOGET_VSCREENINFO -->fb_get_var

     获取能够发生变化的信息，例如位深，颜色格式，时序等。如果你改变这些值，驱动程序将对值进行优化，以满足设备特性（返回EINVAL，如果你的设定，设备不支持）

     FBIOGET_FSCREENINFO -->fb_get_fix

   获取设备一些不变的信息，如设备名，屏幕的组织（平面，象素,...)对应内存区的长度和起始地址。

     FBIOGETCMAP    -->fb_get_cmap

     获取或设定部分颜色表

     FBIOPUTCMAP                  -->fb_set_cmap

     FBIOPUT_VSCREENINFO -->fb_set_var

     FBIOPAN_DISPLAY    -->fb_pan_display

   所有这些特性让应用程序十分容易的使用设备。X server可以使用/dev/fb*而不需知道硬件的寄存器是如何组织的。 XF68_FBDev是一个用于位映射（单色）X server，唯一要做的就是在应用程序在相应的位置设定是否显示。

在新内核中，帧缓冲设备可以工作于模块中，允许动态加载。这类驱动必须调用register_framebuffer()在系统中注册。使用模块更方便！

3）.帧缓冲分辨率设定 

    fbset

    帧缓冲的分辨率可以用工具fbset设定。他可以改变视频设备的显示模式。主要就是改变当前视频模式，如在启动过程中，在/etc/rc.* 或 /etc/init.d/* 文件中调用，可以把视频模式从单色显示变成真彩色。

    fbset使用存储在配置文件中的视频模式数据表，你可以在文件中增加自己需要的显示模式。

4）.X Server

    X server (XF68_FBDev)是对帧缓冲设备的最主要应用。从XFree86 3.2后，X server就是XFree86 的一部分了，有2个工作模式:

- 在/etc/XF86Config文件中，如果`Display'段关于 `fbdev'的配置：

    Modes "default"

    X server 将使用前面讨论的，从环境变量$FRAMEBUFFER获取当前帧缓冲设备. 你也可以设定颜色位深，使用Depth关键字，使用Virtual设定虚拟分辨率。这也是默认设置。
    
- 然而你也可以通过设定/etc/XF86Config,改变分辨率。这样有很多灵活性，唯一的不足就是你必须设定刷新频率。可以用fbset -x

   通过fbset或xvidtune切换显示模式。

5）.视频模式频率

    CRT显示器是用3个电子枪轰击磷粉完成颜色的显示的。电子枪从左到右的水平扫描，并从上至下的垂直扫描。通过改变枪的电压，所显示的颜色可以不同。当电子枪完成一行扫描重新回到下一行的开始，被称作“水平折回”。当一屏幕全部扫描完毕，电子枪将回到最左上脚，被成为“垂直折回”。在折回的途中电子枪是关闭的。电子枪打点的移动速度取决于点时钟。

如果点时钟是28.37516 MHz，打一个点需要35242 ps。

        1/(28.37516E6 Hz) = 35.242E-9 s

如果屏幕分辨率是640x480，那么一行的时间是：

        640*35.242E-9 s = 22.555E-6 s

然而水平折回也是需要时间的，通常272个打点时间，因此一行总共需要：

        (640+272)*35.242E-9 s = 32.141E-6 s

我们就认为水平扫描的频率是31KHz：      

        1/(32.141E-6 s) = 31.113E3 Hz

一屏幕含有480行，加上垂直折回时间49，一屏所需的时间：

        (480+49)*32.141E-6 s = 17.002E-3 s

我们就认为垂直扫描的频率是59Hz：

        1/(17.002E-3 s) = 58.815 Hz

这也意味着屏幕数据每秒钟刷新59次。为了得到稳定的图像显示效果，VESA垂直扫描频率不低于72Hz。但是也因人而异，有些人50Hz感觉不到任何问题，有些至少在80Hz以上才可以。由于显示器不知道什么时候新行开始扫描，显卡为每一行扫描提供水平同步信号。

类似的，他也为每一帧显示提供垂直同步信号。图像在屏幕上点的位置取决于这些同步信号的发生时刻。

下图给出了所有时序的概要。水平折回的时间就是左边空白＋右边空白＋水平同步长度。

垂直折回的时间就是上空白＋下空白＋垂直同步长。     
+----------+---------------------------------------------+----------+-------+
|          |                |                            |          |       |
|          |                |upper_margin                |          |       |
|          |                |                          |          |       |
+----------###############################################----------+-------+
|          #                ^                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
| left     #                |                            # right    | hsync |
| margin   #                |       xres                 # margin   | len   |
|<-------->#<---------------+--------------------------->#<-------->|<----->|
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |yres                        #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                            #          |       |
|          #                |                          #          |       |
+----------###############################################----------+-------+
|          |                |                            |          |       |
|          |                |lower_margin                |          |       |
|          |                |                           |          |       |
+----------+---------------------------------------------+----------+-------+
|          |                |                            |          |       |
|          |                |vsync_len                   |          |       |
|          |                |                           |          |       |
+----------+---------------------------------------------+----------+-------+

6）.把XFree86时序变成frame buffer device时序

典型的显示模式：

"800x600"     50      800 856 976 1040    600 637 643 666
< name >     DCF       HR SH1 SH2 HFL     VR SV1 SV2 VFL  

而帧缓冲设备使用下面的参数：

- pixclock:     点时钟 in ps (pico seconds)
- left_margin: time from sync to picture
- right_margin: time from picture to sync
- upper_margin: time from sync to picture
- lower_margin: time from picture to sync
- hsync_len:    length of horizontal sync
- vsync_len:    length of vertical sync

1) Pixelclock:
   xfree: in MHz
   fb: in picoseconds (ps)

   pixclock = 1000000 / DCF

2) horizontal timings:
   left_margin = HFL - SH2
   right_margin = SH1 - HR
   hsync_len    = SH2 - SH1

3) vertical timings:
   upper_margin = VFL - SV2
   lower_margin = SV1 - VR
   vsync_len    = SV2 - SV1

更好的VESA的例子可以在XFree86的源码中找到，

"xc/programs/Xserver/hw/xfree86/doc/modeDB.txt".

7）. 引用

    http:/linux-fbdev.sourceforge.net/

或者查阅下面的文档：

- The manual pages for fbset: fbset(8), fb.modes(5)
- The manual pages for XFree86: XF68_FBDev(1), XF86Config(4/5)
- The mighty kernel sources:
      o linux/drivers/video/
      o linux/include/linux/fb.h
      o linux/include/video/