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Linux內核修煉之framebuffer分析

本文轉載自   查看原文   2017-08-20 08:59   2820 

Linux源代碼包中/document/fb/framebuffer.txt有例如以下介紹：

The frame buffer device provides an abstraction for the graphics hardware. It represents the frame buffer of some video hardware and allows application software to access the graphics hardware through a well-defined interface, so the software doesn't need to know anything about the low-level (hardware register) stuff.

Frame buffer機制為圖形顯示卡提供了一個抽象層。

能夠使得應用程序不用考慮底層硬件的實現細節而通過一些API接口就可以訪問到顯示設備。  但Framebuffer本身不具備不論什么運算數據的能力,就僅僅好比是一個臨時存放水的水池。水池里的水就是顯示的東西。CPU將運算后的結果放到這個水池,水池再將結果流到顯示器（通常通過DMA傳輸）. 所以應用程序通過讀寫這個水池。就可以相當於操作了顯示卡。系統中能夠在/dev/fb*看到framebuffer設備。

以下這幅圖非常好的描寫敘述了framebuffer執行機制：


framebuffer子系統的層次結構：



上圖主要在以下文件里：

drivers/vedio/fbmem.c   該文件是framebuffer實現的核心。與硬件無關

drivers/vedio/xxxfb.c     該文件主要是framebuffer 設備驅動的實現，如s3c2410fb.c實現了framebuffer設備驅動

fbmem.c是實現framebuffer的核心。與硬件無關。

它使用了以下這些數據結構：

struct fb_info   *fb_info    該數據結構描寫敘述了一個framebuffer device相關一系列信息
struct fb_ops   *fb_ops      該數據結構描寫敘述了一個framebuffer device的操作函數集合。相似file_operations，但僅僅供內核使用
static const struct file_operations fb_fops   該數據結構為文件操作函數集合。當應用程序打開設備時。用戶能夠read,write,ioctl等
struct fb_var_screeninfo var      該數據結構描寫敘述了framebuffer device顯示特性，是能夠更改的
struct fb_fix_screeninfo fix        該數據結構用於保存framebuffer device顯示特性，是固定不變的，不能夠更改

詳細數據結構：

[cpp]  view plain  copy
  1. struct fb_var_screeninfo {  
  2.     __u32 xres;         /* visible resolution       */  
  3.     __u32 yres;  
  4.     __u32 xres_virtual;     /* virtual resolution       */  
  5.     __u32 yres_virtual;  
  6.     __u32 xoffset;          /* offset from virtual to visible */  
  7.     __u32 yoffset;          /* resolution           */  
  8.   
  9.     __u32 bits_per_pixel;       /* guess what           */  
  10.     __u32 grayscale;        /* != 0 Graylevels instead of colors */  
  11.   
  12.     struct fb_bitfield red;     /* bitfield in fb mem if true color, */  
  13.     struct fb_bitfield green;   /* else only length is significant */  
  14.     struct fb_bitfield blue;  
  15.     struct fb_bitfield transp;  /* transparency         */    
  16.   
  17.     __u32 nonstd;           /* != 0 Non standard pixel format */  
  18.   
  19.     __u32 activate;         /* see FB_ACTIVATE_*        */  
  20.   
  21.     __u32 height;           /* height of picture in mm    */  
  22.     __u32 width;            /* width of picture in mm     */  
  23.   
  24.     __u32 accel_flags;      /* (OBSOLETE) see fb_info.flags */  
  25.   
  26.     /* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */  
  27.     __u32 pixclock;         /* pixel clock in ps (pico seconds) */  
  28.     __u32 left_margin;      /* time from sync to picture    */  
  29.     __u32 right_margin;     /* time from picture to sync    */  
  30.     __u32 upper_margin;     /* time from sync to picture    */  
  31.     __u32 lower_margin;  
  32.     __u32 hsync_len;        /* length of horizontal sync    */  
  33.     __u32 vsync_len;        /* length of vertical sync  */  
  34.     __u32 sync;         /* see FB_SYNC_*        */  
  35.     __u32 vmode;            /* see FB_VMODE_*       */  
  36.     __u32 rotate;           /* angle we rotate counter clockwise */  
  37.     __u32 reserved[5];      /* Reserved for future compatibility */  
  38. };  

[cpp]  view plain  copy
  1. struct fb_fix_screeninfo {  
  2.     char id[16];            /* identification string eg "TT Builtin" */  
  3.     unsigned long smem_start;   /* Start of frame buffer mem */  
  4.                     /* (physical address) */  
  5.     __u32 smem_len;         /* Length of frame buffer mem */  
  6.     __u32 type;         /* see FB_TYPE_*        */  
  7.     __u32 type_aux;         /* Interleave for interleaved Planes */  
  8.     __u32 visual;           /* see FB_VISUAL_*      */   
  9.     __u16 xpanstep;         /* zero if no hardware panning  */  
  10.     __u16 ypanstep;         /* zero if no hardware panning  */  
  11.     __u16 ywrapstep;        /* zero if no hardware ywrap    */  
  12.     __u32 line_length;      /* length of a line in bytes    */  
  13.     unsigned long mmio_start;   /* Start of Memory Mapped I/O   */  
  14.                     /* (physical address) */  
  15.     __u32 mmio_len;         /* Length of Memory Mapped I/O  */  
  16.     __u32 accel;            /* Indicate to driver which */  
  17.                     /*  specific chip/card we have  */  
  18.     __u16 reserved[3];      /* Reserved for future compatibility */  
  19. };  

[cpp]  view plain  copy
  1. struct fb_info {  
  2.     int node;  
  3.     int flags;  
  4.     struct mutex lock;      /* Lock for open/release/ioctl funcs */  
  5.     struct fb_var_screeninfo var;   /* Current var */  
  6.     struct fb_fix_screeninfo fix;   /* Current fix */  
  7.     struct fb_monspecs monspecs;    /* Current Monitor specs */  
  8.     struct work_struct queue;   /* Framebuffer event queue */  
  9.     struct fb_pixmap pixmap;    /* Image hardware mapper */  
  10.     struct fb_pixmap sprite;    /* Cursor hardware mapper */  
  11.     struct fb_cmap cmap;        /* Current cmap */  
  12.     struct list_head modelist;      /* mode list */  
  13.     struct fb_videomode *mode;  /* current mode */  
  14.         ...  
  15.     struct fb_ops *fbops;  
  16.     struct device *device;      /* This is the parent */  
  17.     struct device *dev;     /* This is this fb device */  
  18.     int class_flag;                    /* private sysfs flags */  
  19. #ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING  
  20.     struct fb_tile_ops *tileops;    /* Tile Blitting */  
  21. #endif  
  22.     char __iomem *screen_base;  /* Virtual address */  
  23.     unsigned long screen_size;  /* Amount of ioremapped VRAM or 0 */   
  24.     void *pseudo_palette;       /* Fake palette of 16 colors */   
  25.         ...  
  26. };  
[cpp]  view plain  copy
  1. struct fb_ops {  
  2.     /* open/release and usage marking */  
  3.     struct module *owner;  
  4.     int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);  
  5.     int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);  
  6.   
  7.     /* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not 
  8.      * work with normal memory mapped access 
  9.      */  
  10.     ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,  
  11.                size_t count, loff_t *ppos);  
  12.     ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,  
  13.                 size_t count, loff_t *ppos);  
  14.   
  15.     /* checks var and eventually tweaks it to something supported, 
  16.      * DO NOT MODIFY PAR */  
  17.     int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);  
  18.   
  19.     /* set the video mode according to info->var */  
  20.     int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);  
  21.   
  22.     /* set color register */  
  23.     int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,  
  24.                 unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);  
  25.   
  26.     /* set color registers in batch */  
  27.     int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);  
  28.   
  29.     /* blank display */  
  30.     int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);  
  31.   
  32.     /* pan display */  
  33.     int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);  
  34.   
  35.     /* Draws a rectangle */  
  36.     void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);  
  37.     /* Copy data from area to another */  
  38.     void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);  
  39.     /* Draws a image to the display */  
  40.     void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);  
  41.   
  42.     /* Draws cursor */  
  43.     int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);  
  44.   
  45.     /* Rotates the display */  
  46.     void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);  
  47.   
  48.     /* wait for blit idle, optional */  
  49.     int (*fb_sync)(struct fb_info *info);  
  50.   
  51.     /* perform fb specific ioctl (optional) */  
  52.     int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,  
  53.             unsigned long arg);  
  54.   
  55.     /* Handle 32bit compat ioctl (optional) */  
  56.     int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,  
  57.             unsigned long arg);  
  58.   
  59.     /* perform fb specific mmap */  
  60.     int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);  
  61.   
  62.     /* save current hardware state */  
  63.     void (*fb_save_state)(struct fb_info *info);  
  64.   
  65.     /* restore saved state */  
  66.     void (*fb_restore_state)(struct fb_info *info);  
  67.   
  68.     /* get capability given var */  
  69.     void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps,  
  70.                 struct fb_var_screeninfo *var);  
  71. };  

[cpp]  view plain  copy
  1. static const struct file_operations fb_fops = {  
  2.     .owner =    THIS_MODULE,  
  3.     .read =     fb_read,  
  4.     .write =    fb_write,  
  5.     .check_flags = my_check,  
  6.     .unlocked_ioctl = fb_ioctl,  
  7. #ifdef CONFIG_COMPAT  
  8.     .compat_ioctl = fb_compat_ioctl,  
  9. #endif  
  10.     .mmap =     fb_mmap,  
  11.     .open =     fb_open,  
  12.     .release =  fb_release,  
  13. #ifdef HAVE_ARCH_FB_UNMAPPED_AREA  
  14.     .get_unmapped_area = get_fb_unmapped_area,  
  15. #endif  
  16. #ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO  
  17.     .fsync =    fb_deferred_io_fsync,  
  18. #endif  
  19. };  

framebuffer設備的注冊與注銷：

register_framebuffer(struct fb_info *fb_info);

unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info);

以下看看fb_ioctl 都做了什么？

static long do_fb_ioctl(struct fb_info *info, unsigned int cmd,
			unsigned long arg)
{
	struct fb_ops *fb;
	struct fb_var_screeninfo var;
	struct fb_fix_screeninfo fix;
	struct fb_con2fbmap con2fb;
	struct fb_cmap cmap_from;
	struct fb_cmap_user cmap;
	struct fb_event event;
	void __user *argp = (void __user *)arg;
	long ret = 0;

	switch (cmd) {
	case FBIOGET_VSCREENINFO:
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		var = info->var;
		unlock_fb_info(info);

		ret = copy_to_user(argp, &var, sizeof(var)) ? -EFAULT : 0;
		break;
	case FBIOPUT_VSCREENINFO:
		if (copy_from_user(&var, argp, sizeof(var)))
			return -EFAULT;
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		console_lock();
		info->flags |= FBINFO_MISC_USEREVENT;
		ret = fb_set_var(info, &var);
		info->flags &= ~FBINFO_MISC_USEREVENT;
		console_unlock();
		unlock_fb_info(info);
		if (!ret && copy_to_user(argp, &var, sizeof(var)))
			ret = -EFAULT;
		break;
	case FBIOGET_FSCREENINFO:
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		fix = info->fix;
		unlock_fb_info(info);

		ret = copy_to_user(argp, &fix, sizeof(fix)) ? -EFAULT : 0;
		break;
	case FBIOPUTCMAP:
		if (copy_from_user(&cmap, argp, sizeof(cmap)))
			return -EFAULT;
		ret = fb_set_user_cmap(&cmap, info);
		break;
	case FBIOGETCMAP:
		if (copy_from_user(&cmap, argp, sizeof(cmap)))
			return -EFAULT;
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		cmap_from = info->cmap;
		unlock_fb_info(info);
		ret = fb_cmap_to_user(&cmap_from, &cmap);
		break;
	case FBIOPAN_DISPLAY:
		if (copy_from_user(&var, argp, sizeof(var)))
			return -EFAULT;
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		console_lock();
		ret = fb_pan_display(info, &var);
		console_unlock();
		unlock_fb_info(info);
		if (ret == 0 && copy_to_user(argp, &var, sizeof(var)))
			return -EFAULT;
		break;
	case FBIO_CURSOR:
		ret = -EINVAL;
		break;
	case FBIOGET_CON2FBMAP:
		if (copy_from_user(&con2fb, argp, sizeof(con2fb)))
			return -EFAULT;
		if (con2fb.console < 1 || con2fb.console > MAX_NR_CONSOLES)
			return -EINVAL;
		con2fb.framebuffer = -1;
		event.data = &con2fb;
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		event.info = info;
		fb_notifier_call_chain(FB_EVENT_GET_CONSOLE_MAP, &event);
		unlock_fb_info(info);
		ret = copy_to_user(argp, &con2fb, sizeof(con2fb)) ? -EFAULT : 0;
		break;
	case FBIOPUT_CON2FBMAP:
		if (copy_from_user(&con2fb, argp, sizeof(con2fb)))
			return -EFAULT;
		if (con2fb.console < 1 || con2fb.console > MAX_NR_CONSOLES)
			return -EINVAL;
		if (con2fb.framebuffer < 0 || con2fb.framebuffer >= FB_MAX)
			return -EINVAL;
		if (!registered_fb[con2fb.framebuffer])
			request_module("fb%d", con2fb.framebuffer);
		if (!registered_fb[con2fb.framebuffer]) {
			ret = -EINVAL;
			break;
		}
		event.data = &con2fb;
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		event.info = info;
		ret = fb_notifier_call_chain(FB_EVENT_SET_CONSOLE_MAP, &event);
		unlock_fb_info(info);
		break;
	case FBIOBLANK:
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		console_lock();
		info->flags |= FBINFO_MISC_USEREVENT;
		ret = fb_blank(info, arg);
		info->flags &= ~FBINFO_MISC_USEREVENT;
		console_unlock();
		unlock_fb_info(info);
		break;
	default:
		if (!lock_fb_info(info))
			return -ENODEV;
		fb = info->fbops;
		if (fb->fb_ioctl)
			ret = fb->fb_ioctl(info, cmd, arg);
		else
			ret = -ENOTTY;
		unlock_fb_info(info);
	}
	return ret;
}

static long fb_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	struct fb_info *info = file_fb_info(file);

   printk(\nfb_ioctl mem\n);
	if (!info)
		return -ENODEV;
	return do_fb_ioctl(info, cmd, arg);
}


依據文件操作的static const struct file_operations fb_fops，應用程序在打開一個framebuffer設備時。能夠使用read,write,ioctl來直接操作設備。

應用例程：

[cpp]  view plain  copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <unistd.h>  
  4. #include <sys/ioctl.h>  
  5. #include <fcntl.h>          
  6. #include <linux/fb.h>  
  7. #include <sys/mman.h>  
  8.   
  9. struct fb_var_screeninfo vinfo;  
  10. struct fb_fix_screeninfo finfo;  
  11.   
  12. static void fb_var_printf(struct fb_var_screeninfo tmp)  
  13. {  
  14.   
  15.   
  16.     printf("fb_var_screeninfo:\n");  
  17.     printf("xres =%d, yres =%d, bits_per_pixel = %d\n",tmp.xres,tmp.yres,tmp.bits_per_pixel);  
  18.     printf("height=%d,width = %d\n",tmp.height,tmp.width);  
  19.     printf("xres_virtual =%d, yres_virtual =%d, xoffset=%d,yoffset=%d\n",tmp.xres_virtual,tmp.yres_virtual,tmp.xoffset,tmp.yoffset);  
  20.     return ;  
  21. }  
  22. int main(void)  
  23. {  
  24.     int fbfd;  
  25.     int fbsize;  
  26.     unsigned char *fbbuf;  
  27.     char buf[100];  
  28.     int i,res,adc_data;  
  29.     for (i=0; i<100; i++) buf[i] = 0xaa;  
  30.     if ((fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR)) < 0) {  
  31.             printf("open fb0 failed\n");  
  32.          return 1;  
  33.     }  
  34.     printf("fbfd = %d\n", fbfd);  
  35.     if ((res =ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo))) { //獲取設備顯示特性信息  
  36.         printf("bad vscreeninfo ioctl.error = %d\n",res);  
  37.     }  
  38.   
  39.     fb_var_printf(vinfo);  
  40.     fbsize = vinfo.xres * vinfo.yres * (vinfo.bits_per_pixel/8); //計算顯卡（LCD控制器）顯存大小。也就是一整屏共占多少個字節  
  41.     printf("fbisze: %d\n",fbsize);  
  42.     if ((fbbuf = mmap(0, fbsize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fbfd, 0)) == (void*) -1)  //映射顯卡設備的內存到用戶控件，使得用戶直接訪問設備內存（顯存）  
  43.     {  
  44.         printf("map video error.\n");  
  45.     }  
  46.       
  47.     for (i = 0; i< fbsize; i++) {  //填充farmebuffer緩沖區  
  48.         *(fbbuf+i) = 0xaa;  //顏色信息  
  49.     }  
  50.     munmap(fbbuf, fbsize);         
  51.     close(fbfd);  
  52.     return 0;  
  53. }  


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