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Linux帧缓冲(Framebuffer)

    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。


    Linux FrameBuffer 本质上只是提供了对图形设备的硬件抽象,在开发者看来,FrameBuffer 是一块显示缓存,往显示缓存中写入特定格式的数据就意味着向屏幕输出内容。所以说FrameBuffer就是一块白板。例如对于初始化为16 位色的FrameBuffer 来说, FrameBuffer中的两个字节代表屏幕上一个点,从上到下,从左至右,屏幕位置与内存地址是顺序的线性关系。


    帧缓存可以在系统存储器(内存)的任意位置,视频控制器通过访问帧缓存来刷新屏幕。 帧缓存也叫刷新缓存 Frame buffer 或 refresh buffer, 这里的帧(frame)是指整个屏幕范围。


    帧缓存有个地址,是在内存里。我们通过不停的向frame buffer中写入数据, 显示控制器就自动的从frame buffer中取数据并显示出来。全部的图形都共享内存中同一个帧缓存。


    CPU指定显示控制器工作,则显示控制器根据CPU的控制到指定的地方去取数据 和 指令, 目前的数据一般是从显存里取,如果显存里存不下,则从内存里取, 内存也放不下,则从硬盘里取,当然也不是内存放不下,而是为了节省内存的话,可以放在硬盘里,然后通过指令控制显示控制器去取。帧缓存 Frame Buffer,里面存储的东西是一帧一帧的, 显卡会不停的刷新Frame Buffer, 这每一帧如果不捕获的话, 则会被丢弃,也就是说是实时的。这每一帧不管是保存在内存还是显存里,都是一个显性的信息,这每一帧假设是800×600的分辨率, 则保存的是800×600个像素点,和颜色值。


   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;


fbfd = open(“/dev/fb0”, O_RDWR);


ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);


ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);


screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;


fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);


}

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。


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(mmap)。


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 <linux/fb.h>


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*/


……


/*释放缓冲区,关闭设备*/


munmap(fbp, screensize);


close(fbfd);


}
———————–
ioctl操作


ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)


获取fb_var_screeninfo结构的信息,在linux/include/linux/fb.h定义。


ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)


获取fb_fix_screeninfon结构的信息。在linux/include/linux/fb.h定义。


fbfd为设备文件号。


———————–
mmap函数


功能描述:


mmap函数是unix/linux下的系统调用


mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上,如果文件的大小不是所有页的大小之和,最后


一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作,删除特定地址区域的对象映射。


基于文件的映射,在mmap和munmap执行过程的任何时刻,被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在


前述的情况下没有得到更新,首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标


志建立起来的文件映射,其st_ctime 和 st_mtime


在对映射区写入之后,但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。


用法:


#include <sys/mman.h>


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


int fd, off_t offset);


int munmap(void *start, size_t length);


参数:


start:映射区的开始地址。


length:映射区的长度。


prot:期望的内存保护标志,不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值,可以通过or运算合理地组合在一起


PROT_EXEC //页内容可以被执行


PROT_READ //页内容可以被读取


PROT_WRITE //页可以被写入


PROT_NONE //页不可访问


flags:指定映射对象的类型,映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体


MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址,如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间,重叠部分将


会被丢弃。如果指定的起始地址不可用,操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。


MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入,相当于输出到文件。直到msync()


或者munmap()被调用,文件实际上不会被更新。


MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥


的,只能使用其中一个。


MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。


MAP_EXECUTABLE //同上


MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留,对映射区修改的可能会得到保证。当交换空


间不被保留,同时内存不足,对映射区的修改会引起段违例信号。


MAP_LOCKED //锁定映射区的页面,从而防止页面被交换出内存。


MAP_GROWSDOWN //用于堆栈,告诉内核VM系统,映射区可以向下扩展。


MAP_ANONYMOUS //匿名映射,映射区不与任何文件关联。


MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称,不再被使用。


MAP_FILE //兼容标志,被忽略。


MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB,MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得


到支持。


MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。


MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读,只为已存在于内存中的页面建立页表入口。


fd:有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定,为了兼容问题,其值应为-1。


offset:被映射对象内容的起点。


返回说明:


成功执行时,mmap()返回被映射区的指针,munmap()返回0。失败时,mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1],


munmap返回-1。errno被设为以下的某个值


EACCES:访问出错


EAGAIN:文件已被锁定,或者太多的内存已被锁定


EBADF:fd不是有效的文件描述词


EINVAL:一个或者多个参数无效


ENFILE:已达到系统对打开文件的限制


ENODEV:指定文件所在的文件系统不支持内存映射


ENOMEM:内存不足,或者进程已超出最大内存映射数量


EPERM:权能不足,操作不允许


ETXTBSY:已写的方式打开文件,同时指定MAP_DENYWRITE标志


SIGSEGV:试着向只读区写入


SIGBUS:试着访问不属于进程的内存区

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