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  • Linux内核修炼之framebuffer分析

    Linux源代码包中/document/fb/framebuffer.txt有例如以下介绍：

    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机制为图形显示卡提供了一个抽象层。

    能够使得应用程序不用考虑底层硬件的实现细节而通过一些API接口就可以訪问到显示设备。  但Framebuffer本身不具备不论什么运算数据的能力,就仅仅好比是一个临时存放水的水池。水池里的水就是显示的东西。CPU将运算后的结果放到这个水池,水池再将结果流到显示器（通常通过DMA传输）. 所以应用程序通过读写这个水池。就可以相当于操作了显示卡。系统中能够在/dev/fb*看到framebuffer设备。

    以下这幅图非常好的描写叙述了framebuffer执行机制：


    framebuffer子系统的层次结构：



    上图主要在以下文件里：

    drivers/vedio/fbmem.c   该文件是framebuffer实现的核心。与硬件无关

    drivers/vedio/xxxfb.c     该文件主要是framebuffer 设备驱动的实现，如s3c2410fb.c实现了framebuffer设备驱动

    fbmem.c是实现framebuffer的核心。与硬件无关。

    它使用了以下这些数据结构：

    struct fb_info   *fb_info    该数据结构描写叙述了一个framebuffer device相关一系列信息
    struct fb_ops   *fb_ops      该数据结构描写叙述了一个framebuffer device的操作函数集合。相似file_operations，但仅仅供内核使用
    static const struct file_operations fb_fops   该数据结构为文件操作函数集合。当应用程序打开设备时。用户能够read,write,ioctl等
    struct fb_var_screeninfo var      该数据结构描写叙述了framebuffer device显示特性，是能够更改的
    struct fb_fix_screeninfo fix        该数据结构用于保存framebuffer device显示特性，是固定不变的，不能够更改

    详细数据结构：

    [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设备的注冊与注销：

    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(
fb_ioctl mem
);
	if (!info)
		return -ENODEV;
	return do_fb_ioctl(info, cmd, arg);
}


    依据文件操作的static const struct file_operations fb_fops，应用程序在打开一个framebuffer设备时。能够使用read,write,ioctl来直接操作设备。

    应用例程：

    [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: ");  
    17.     printf("xres =%d, yres =%d, bits_per_pixel = %d ",tmp.xres,tmp.yres,tmp.bits_per_pixel);  
    18.     printf("height=%d,width = %d ",tmp.height,tmp.width);  
    19.     printf("xres_virtual =%d, yres_virtual =%d, xoffset=%d,yoffset=%d ",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 ");  
    32.          return 1;  
    33.     }  
    34.     printf("fbfd = %d ", fbfd);  
    35.     if ((res =ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo))) { //获取设备显示特性信息  
    36.         printf("bad vscreeninfo ioctl.error = %d ",res);  
    37.     }  
    38.   
    39.     fb_var_printf(vinfo);  
    40.     fbsize = vinfo.xres * vinfo.yres * (vinfo.bits_per_pixel/8); //计算显卡（LCD控制器）显存大小。也就是一整屏共占多少个字节  
    41.     printf("fbisze: %d ",fbsize);  
    42.     if ((fbbuf = mmap(0, fbsize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fbfd, 0)) == (void*) -1)  //映射显卡设备的内存到用户控件，使得用户直接訪问设备内存（显存）  
    43.     {  
    44.         printf("map video error. ");  
    45.     }  
    46.       
    47.     for (i = 0; i< fbsize; i++) {  //填充farmebuffer缓冲区  
    48.         *(fbbuf+i) = 0xaa;  //颜色信息  
    49.     }  
    50.     munmap(fbbuf, fbsize);         
    51.     close(fbfd);  
    52.     return 0;  
    53. }  
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