1. Framebuffer应用编程
1.1 LCD操作原理
在Linux系统中通过Framebuffer驱动程序来控制LCD。Frame是帧的意思，buffer是缓冲的意思，这意味着Framebuffer就是一块内存，里面保存着一帧图像。Framebuffer中保存着一帧图像的每一个像素颜色值，假设LCD的分辨率是1024x768，每一个像素的颜色用32位来表示，那么Framebuffer的大小就是：1024x768x32/8=3145728字节。
简单介绍LCD的操作原理：
① 驱动程序设置好LCD控制器：
根据LCD的参数设置LCD控制器的时序、信号极性；
根据LCD分辨率、BPP分配Framebuffer。
② APP使用ioctl获得LCD分辨率、BPP
③ APP通过mmap映射Framebuffer，在Framebuffer中写入数据
如何设置LCD中坐标（x,y）像素处的颜色？
假设需要设置LCD中坐标(x,y)处像素的颜色，首要要找到这个像素对应的内存，然后根据它的BPP值设置颜色。假设fb_base是APP执行mmap后得到的Framebuffer地址，如下图所示：
可以用以下公式算出(x,y)坐标处像素对应的Framebuffer地址：
(x，y)像素起始地址=fb_base+(xres*bpp/8)*y + x*bpp/8
最后一个要解决的问题就是像素的颜色怎么表示？
它是用RGB三原色(红、绿、蓝)来表示的，在不同的BPP格式中，用不同的位来分别表示R、G、B，如下图所示：
对于32BPP，一般只设置其中的低24位，高8位表示透明度，一般的LCD都不支持。
对于24BPP，硬件上为了方便处理，在Framebuffer中也是用32位来表示，效果跟32BPP是一样的。
对于16BPP，常用的是RGB565；很少的场合会用到RGB555，这可以通过ioctl读取驱动程序中的RGB位偏移来确定使用哪一种格式。
1.2 涉及的API函数
本节程序的目的是：打开LCD设备节点，获取分辨率等参数，映射Framebuffer，最后实现描点函数。
1.2.1 open函数
在Ubuntu中执行“man 2 open”，可以看到open函数的说明：
头文件：
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>
函数原型：
int open(const char *pathname, int flags); int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
函数说明：
① pathname 表示打开文件的路径；
② Flags表示打开文件的方式，常用的有以下6种，
a. O_RDWR表示可读可写方式打开;
b. O_RDONLY表示只读方式打开;
c. O_WRONLY表示只写方式打开;
d. O_APPEND 表示如果这个文件中本来是有内容的，则新写入的内容会接续到原来内容的后面;
e. O_TRUNC表示如果这个文件中本来是有内容的，则原来的内容会被丢弃，截断；
f. O_CREAT表示当前打开文件不存在，我们创建它并打开它，通常与O_EXCL结合使用，当没有文件时创建文件，有这个文件时会报错提醒我们；
③ Mode表示创建文件的权限，只有在flags中使用了O_CREAT时才有效，否则忽略。
④ 返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。
1.2.2 ioctl函数
在Ubuntu中执行“man ioctl”，可以看到ioctl函数的说明：
头文件：
#include <sys/ioctl.h>
函数原型：
int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);
函数说明：
① fd 表示文件描述符；
② request表示与驱动程序交互的命令，用不同的命令控制驱动程序输出我们需要的数据；
③ … 表示可变参数arg，根据request命令，设备驱动程序返回输出的数据。
④ 返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。
ioctl的作用非常强大、灵活。不同的驱动程序内部会实现不同的ioctl，APP可以使用各种ioctl跟驱动程序交互：可以传数据给驱动程序，也可以从驱动程序中读出数据。
1.2.3 mmap函数
在Ubuntu中执行“man mmap”，可以看到mmap函数的说明：
想更深刻地理解mmap的内部机制，可以看《嵌入式Linux驱动开发基础知识》中关于mmap的介绍。作为APP开发，只需要知道它的用法就可以了。
头文件：
#include <sys/mman.h>
函数原型：
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
函数说明：
① addr表示指定映射的內存起始地址，通常设为 NULL表示让系统自动选定地址，并在成功映射后返回该地址；
② length表示将文件中多大的内容映射到内存中；
③ prot 表示映射区域的保护方式，可以为以下4种方式的组合
a. PROT_EXEC 映射区域可被执行
b. PROT_READ 映射区域可被读出
c. PROT_WRITE 映射区域可被写入
d. PROT_NONE 映射区域不能存取
④ Flags 表示影响映射区域的不同特性，常用的有以下两种
a. MAP_SHARED 表示对映射区域写入的数据会复制回文件内，原来的文件会改变。
b. MAP_PRIVATE 表示对映射区域的操作会产生一个映射文件的复制，对此区域的任何修改都不会写回原来的文件内容中。
⑤ 返回值：若成功映射，将返回指向映射的区域的指针，失败将返回-1。
1.3 Framebuffer程序分析
使用GIT下载所有源码后，本节源码位于如下目录：
01_all_series_quickstart\ 04_嵌入式Linux应用开发基础知识\source\07_framebuffer\show_pixel.c
1.3.1 打开设备
首先打开设备节点：
73 fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR); 74 if (fd_fb < 0) 75 { 76 printf("can't open /dev/fb0\n"); 77 return -1; 78 }
1.3.2 获取LCD参数
LCD驱动程序给APP提供2类参数：可变的参数fb_var_screeninfo、固定的参数fb_fix_screeninfo。编写应用程序时主要关心可变参数，它的结构体定义如下(#include <linux/fb.h>)：
可以使用以下代码获取fb_var_screeninfo：
12 static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */ …… 79 if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)) 80 { 81 printf("can't get var\n"); 82 return -1; 83 }
注意到ioctl里用的参数是：FBIOGET_VSCREENINFO，它表示get var screen info，获得屏幕的可变信息；当然也可以使用FBIOPUT_VSCREENINFO来调整这些参数，但是很少用到。
对于固定的参数fb_fix_screeninfo，在应用编程中很少用到。它的结构体定义如下：
可以使用ioctl FBIOGET_FSCREENINFO来读出这些信息，但是很少用到。
1.3.3 映射Framebuffer
要映射一块内存，需要知道它的地址──这由驱动程序来设置，需要知道它的大小──这由应用程序决定。代码如下：
85 line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8; 86 pixel_width = var.bits_per_pixel / 8; 87 screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8; 88 fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0); 89 if (fb_base == (unsigned char *)-1) 90 { 91 printf("can't mmap\n"); 92 return -1; 93 }
第88行中，screen_size是整个Framebuffer的大小；PROT_READ | PROT_WRITE表示该区域可读、可写；MAP_SHARED表示该区域是共享的，APP写入数据时，会直达驱动程序，这个参数的更深刻理解可以参考后面驱动基础中讲到的mmap知识。
1.3.4 描点函数
能够在LCD上描绘指定像素后，就可以写字、画图，描点函数是基础。代码如下：
28 void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color) 29 { 30 unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width; 31 unsigned short *pen_16; 32 unsigned int *pen_32; 33 34 unsigned int red, green, blue; 35 36 pen_16 = (unsigned short *)pen_8; 37 pen_32 = (unsigned int *)pen_8; 38 39 switch (var.bits_per_pixel) 40 { 41 case 8: 42 { 43 *pen_8 = color; 44 break; 45 } 46 case 16: 47 { 48 /* 565 */ 49 red = (color >> 16) & 0xff; 50 green = (color >> 8) & 0xff; 51 blue = (color >> 0) & 0xff; 52 color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3); 53 *pen_16 = color; 54 break; 55 } 56 case 32: 57 { 58 *pen_32 = color; 59 break; 60 } 61 default: 62 { 63 printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel); 64 break; 65 } 66 } 67 }
第28行中传入的color表示颜色，它的格式永远是0x00RRGGBB，即RGB888。当LCD是16bpp时，要把color变量中的R、G、B抽出来再合并成RGB565格式。
第30行计算(x,y)坐标上像素对应的Framebuffer地址。
第43行，对于8bpp，color就不再表示RBG三原色了，这涉及调色板的概念，color是调色板的值。
第49～51行，先从color变量中把R、G、B抽出来。
第52行，把red、green、blue这三种8位颜色值，根据RGB565的格式，只保留red中的高5位、green中的高6位、blue中的高5位，组合成一个新的16位颜色值。
第53行，把新的16位颜色值写入Framebuffer。
第58行，对于32bpp，颜色格式跟color参数一致，可以直接写入Framebuffer。
1.3.5 随便画几个点
本程序的main函数，在最后只是简单地画了几个点：
95 /* 清屏: 全部设为白色 */ 96 memset(fbmem, 0xff, screen_size); 97 98 /* 随便设置出100个为红色 */ 99 for (i = 0; i < 100; i++) 100 lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);
描点的完整函数如下：
#include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <unistd.h> #include <linux/fb.h> #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <string.h> #include <sys/ioctl.h> static int fd_fb; static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */ static int screen_size; static unsigned char *fb_base; static unsigned int line_width; static unsigned int pixel_width; /********************************************************************** * 函数名称： lcd_put_pixel * 功能描述： 在LCD指定位置上输出指定颜色（描点） * 输入参数： x坐标，y坐标，颜色 * 输出参数： 无 * 返 回 值： 会 * 修改日期 版本号 修改人 修改内容 * ----------------------------------------------- * 2020/05/12 V1.0 zh(angenao) 创建 ***********************************************************************/ void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color) /*描点函数：第28行中传入的color表示颜色，它的格式永远是0x00RRGGBB，即RGB888。当LCD是16bpp时，要把color变量中的R、G、B抽出来再合并成RGB565格式。 第30行计算(x,y)坐标上像素对应的Framebuffer地址。 第43行，对于8bpp，color就不再表示RBG三原色了，这涉及调色板的概念，color是调色板的值。 第49～51行，先从color变量中把R、G、B抽出来。 第52行，把red、green、blue这三种8位颜色值，根据RGB565的格式，只保留red中的高5位、green中的高6位、blue中的高5位，组合成一个新的16位颜色值。 第53行，把新的16位颜色值写入Framebuffer。 第58行，对于32bpp，颜色格式跟color参数一致，可以直接写入Framebuffer。*/ { unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width; unsigned short *pen_16; unsigned int *pen_32; unsigned int red, green, blue; pen_16 = (unsigned short *)pen_8; pen_32 = (unsigned int *)pen_8; switch (var.bits_per_pixel) { case 8: { *pen_8 = color; break; } case 16: { /* 565 */ red = (color >> 16) & 0xff; green = (color >> 8) & 0xff; blue = (color >> 0) & 0xff; color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3); *pen_16 = color; break; } case 32: { *pen_32 = color; break; } default: { printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel); break; } } } int main(int argc, char **argv) { int i; fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR); if (fd_fb < 0) { printf("can't open /dev/fb0\n"); return -1; } //打开设备结点 if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)) { printf("can't get var\n"); return -1; } /*获取fb_var_screeninfo FBIOGET_VSCREENINFO，它表示get var screen info，获得屏幕的可变信息； 当然也可以使用FBIOPUT_VSCREENINFO来调整这些参数，但是很少用到。*/ line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8; pixel_width = var.bits_per_pixel / 8; screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8; fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0); if (fb_base == (unsigned char *)-1) { printf("can't mmap\n"); return -1; }/*要映射一块内存，需要知道它的地址──这由驱动程序来设置， 需要知道它的大小──这由应用程序决定。*/ /* 清屏: 全部设为白色 */ memset(fb_base, 0xff, screen_size); /* 随便设置出100个为红色 */ for (i = 0; i < 100; i++) lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000); munmap(fb_base , screen_size); close(fd_fb); return 0; }
1.4 上机实验
在Ubuntu中编译程序，先设置交叉编译工具链，再执行以下命令：
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c
挂载 拷贝，然后在开发板上执行show_pixel程序。
注意：板子的出厂程序中一般都有GUI，所以可能需要把GUI程序禁止掉。具体方法请看本文档，以后会补充禁止GUI的方法。你可以先不禁止GUI，直接执行show_pixel看看LCD有无现象。
