圖像顯示之Linux Framebuffer

深圳技師學(xué)院 梁 志 郭惠婷 吳躍前

現(xiàn)代大部分智能設(shè)備所用操作系統(tǒng)是linux,其中顯示圖像是不可缺少的功能。本文分析圖像顯示所用的linux Frambuffer的工作原理、底層設(shè)備驅(qū)動注冊和應(yīng)用層的使用。

1.Linux Frambuffer的基本介紹

Linux Frambuffer 中文名簡稱為linux幀緩沖區(qū)，可以理解其為linux系統(tǒng)對底層圖像設(shè)備進行抽象而形成的抽象層（中間層），它屏蔽了圖像硬件的底層差異，向用戶態(tài)進程提供了一個接口方便應(yīng)用層程序顯示圖像。

在不帶操作系統(tǒng)的情況下，要液晶屏顯示圖像，首先得驅(qū)動液晶屏，這需要根據(jù)具體型號液晶屏的分辨率、時延參數(shù)、位色等相關(guān)硬件參數(shù)去配置相關(guān)的硬件寄存器，而所用編程語言一般是嵌入式C語言，明顯這樣顯示圖像的操作對于應(yīng)用工程師有非常大難度和操作上的麻煩。

在帶操作系統(tǒng)的況下，需要液晶屏顯示圖像，應(yīng)用工程師只需知道底層的圖像設(shè)備已經(jīng)給內(nèi)核抽象成一個緩存區(qū)（這個緩存區(qū)就可以理解為Frambuffer），這個緩存區(qū)一般每一個INT型數(shù)據(jù)就對應(yīng)著屏上的一個像素點顯示數(shù)據(jù).應(yīng)用工程師只需要把圖像數(shù)據(jù)寫到緩存沖區(qū)，緩存沖區(qū)的數(shù)據(jù)會由底層驅(qū)動傳輸?shù)揭壕辽稀Ｓ纱丝梢姂?yīng)用程序工程師顯示圖像再不需要關(guān)注圖像硬件操作，把更多精力放在應(yīng)用邏輯上的思考。

2.Linux Frambuffer的架構(gòu)

Linux Frambuあer在系統(tǒng)中位置示意圖如圖1所示：

圖1

由圖1可見從應(yīng)用到硬件，共分三層。Linux Framebuあer 處于系統(tǒng)中間位置，是linux 內(nèi)核顯示子系統(tǒng)，對下層提供了相應(yīng)的注冊接口，讓下層的圖像硬件設(shè)備注冊進內(nèi)核；對上層的應(yīng)用程序提供系統(tǒng)調(diào)用，讓應(yīng)用程序簡單操作顯示圖像。

（1）Linux 內(nèi)核顯示子系統(tǒng)層：

在Linux內(nèi)核中顯示子系統(tǒng)定義了很多信息.其中重要的結(jié)構(gòu)體信息有：

fb_info :用于定義幀緩存設(shè)備的相關(guān)信息，比如：可變參數(shù)，固定參數(shù)，底層操作函數(shù)指針。

fb_var_screeninfo:描述幀緩存設(shè)備可以修改的參數(shù),如：長寬等

fb_ fi x_screeninfo:描述幀緩存設(shè)備固定的參數(shù)，比如：緩存首地址，緩存長度等

fb_ops:描述幀緩存設(shè)備具體硬件操作的函數(shù)指針，是底層硬件操作的抽象，比如fb_open、fb_release、fb_read、fb_write、fb_ioctl、fb_mmap等：

重要的函數(shù)如下：

register_framebuffer（):底層硬件驅(qū)動注冊函數(shù)，底層驅(qū)動通過設(shè)置fb_info后調(diào)用該函數(shù)向系統(tǒng)注冊。

unregister_framebuffer（):底層硬件驅(qū)動注鎖函數(shù)，底層驅(qū)動通過該函數(shù)向系統(tǒng)注銷自身。

（2）底層硬件設(shè)備驅(qū)動層：

Linux framebuffer是一個字符設(shè)備（主設(shè)備號是29),在內(nèi)核中使用platform驅(qū)動模型實現(xiàn)，platform device描述了設(shè)備相關(guān)的硬件信息，主要通過結(jié)構(gòu)體resource描述幀緩存設(shè)備所用的地址資源，中斷資源等等。

platform driver描述設(shè)備相關(guān)軟件信息，主要實現(xiàn)幀緩存設(shè)備具體的寄存器相關(guān)操作。

比如幀設(shè)備（LCD）platform driver實現(xiàn)過程實如下：

（1）通過platform_get_resource從platform device獲得設(shè)備所用資源。

（2）通過kzalloc申請顯存空間大小。

（3）初始化設(shè)備控件器所使用的GPIO，主要初始化引腳功能選擇、引腳驅(qū)動能力。

（4）設(shè)備驅(qū)動信號初始化，其中重點設(shè)置行同步信號，像素時鐘信號，幀同步信號，數(shù)據(jù)使能號，其設(shè)置要根據(jù)硬件手冊和控制器手冊來配置。

（5）定義一個fb_info并始化相關(guān)成員，指定設(shè)備可變和固定參數(shù)。

（6）調(diào)用register_framebuあer（)把設(shè)備注冊進內(nèi)核。

（7）最實現(xiàn)一個注銷設(shè)備操作，這時使用unregister_framebuffer。

3.應(yīng)用層

在應(yīng)用層使用framebuffer顯示圖像前，需要了解映射，如圖2所示：

因硬件顯示設(shè)備的物理顯示區(qū)是通過幀緩存區(qū)操作，而幀緩存區(qū)是處于內(nèi)核空間，應(yīng)用程序不能隨意操作，此時可以通過系統(tǒng)調(diào)用mmap把幀緩存映射到用戶空間，在用戶空間中創(chuàng)建出幀緩存映射區(qū)（用戶圖像數(shù)據(jù)緩存區(qū)），以后只需把用戶圖像數(shù)據(jù)寫入到幀緩存映射區(qū)就可在硬件設(shè)備上顯示圖像。

具體實現(xiàn)流程如下：

（1）打開幀設(shè)備的設(shè)備文件，常用設(shè)備文件為/dev/f0。

（2)通過系統(tǒng)調(diào)用ioctl函數(shù)獲得幀設(shè)備相關(guān)信息，比如幀設(shè)備的寬、高和像素位等。

（3）通過mmap映射內(nèi)核幀緩存區(qū)到用戶空間圖像數(shù)據(jù)緩存區(qū)，映射區(qū)的大小由幀設(shè)備的寬高等參數(shù)確定。

（4）把圖像數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間圖像數(shù)據(jù)緩存區(qū)，圖像就可以在幀設(shè)備上顯示出來。

（5）使用完后 ,調(diào)用close關(guān)閉設(shè)備。

Linux frambuffer 的出現(xiàn)大大簡化對顯示設(shè)備的操作，不過需要注意的是framebuffer最大支持32顯示緩存。