基于framebuffer的驱动分析

framebuffer帧缓冲（简称fb）是linux内核中用代码虚拟出的一个设备，是一个platform类型设备，设备文件位于/dev/fb*

  • 在嵌入式系统中一般没有专门的显存，而仅仅是从RAM(SDRAM)空间中分配一段显示缓冲区
  • framebuffer的作用是：向应用层提供一个统一标准接口的显示设备。不论最终输出是通过hdmi还是lcd控制器，可以认为所有的GUI都是向fb输出画面的
  • 实际上是frambuffer就是linux内核驱动申请的一片内存空间，然后lcd内有一片sram，cpu内部有个lcd控制器，它有个单独的dma用来将frambuffer中的数据拷贝到lcd的sram中去，拷贝到lcd的sram中的数据就会显示在lcd上，具体数据的内容是由应用程序控制的。
  • LCD驱动和framebuffer驱动没有必然的联系，它只是驱动LCD正常工作的，比如有信号传过来，那么LCD驱动负责把信号转成显示屏上的内容，至于什么内容，怎么显示，它根本不关心也不知道。
  • 对于现代LCD，有一种“多屏叠加”的机制，即一个LCD设备可以有多个独立虚拟屏幕，以达到画面叠加的效果。所以fb与LCD不是一对一的关系，在常见的情况下，一个LCD对应了fb0~fb4。像QT这种GUI会默认把画面输出到fb0

1.画面输出原理

  • 如何输出画面？应用程序通过往显存中写数据，LCD控制器将自动把显存中的数据映射到lcd屏幕。映射是全自动的，应用层负责往显存里写数据，而驱动要做的仅仅是配置LCD控制器、创建显存罢了
  • 由于显存实际是处于内核态的物理内存，所以要把这块物理内存映射到用户态，所谓“映射”就可以理解为建立了一个“符号链接”，这样应用程序就可以直接操作这块物理内存了
  • 关于LCD的硬件原理详见LCD简介
  • 关于如何在应用层测试fb，详见framebuffer的使用与测试

2.framebuffer驱动结构

fb的结构和misc极为类似，由内核中的fb框架实现一部分，然后再由设备驱动本身实现一部分。设备驱动本身就是一个普通的platform总线驱动 
虽然每家原厂写的fb设备驱动可能有些差异，但是基本的套路还是相同的 
 

  • 在内核fb框架中，所有的fb设备公用一个主设备号（都是29），它们之间以次设备号互相区分。所以在框架中使用register_chrdev注册了一个主设备号为29的设备，而在驱动中device_create创建设备文件主设备号都为29，次设备号不同
  • 由上图可以看出，内核提供了fb框架，原厂提供了fb的platform设备和驱动；不论有多少LCD屏幕，用的都是这一套platform驱动，它们的操作方式都是固定的，唯一的区别就在platform_data里的硬件参数。而我们驱动工程师重点关注的就是该硬件参数

3.修改LCD的硬件参数（2.6版本内核）

当我们板子上的LCD需要更换时，驱动中也需要进行相应的修改

  • 具体的思路，是去修改platform_device中的platform_data，LCD的硬件参数都在里面，但是怎么找到这个platform_data是一门学问，因为原厂写的代码是比较复杂的。。。。具体方法详见基于platform总线的驱动分析 的文末
  • 不难找到设置platform_data的地方，如图 
     
    那么目前导入的platform_data是哪一个呢？根据menuconfig和xxxxdefconfig，分析可知是ek070tn93_fb_data：
static struct s3c_platform_fb ek070tn93_fb_data __initdata = {.hw_ver = 0x62,.nr_wins = 5,.default_win = CONFIG_FB_S3C_DEFAULT_WINDOW,.swap = FB_SWAP_WORD | FB_SWAP_HWORD,.lcd = &ek070tn93,.cfg_gpio   = ek070tn93_cfg_gpio,.backlight_on   = ek070tn93_backlight_on,.backlight_onoff    = ek070tn93_backlight_off,.reset_lcd  = ek070tn93_reset_lcd,
};
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  • 里面最关键的是.lcd 这个成员，即结构体ek070tn93，查看发现里面有时序、分辨率等各种参数，这样我们就可以随便修改参数了
static struct s3cfb_lcd ek070tn93 = {.width = S5PV210_LCD_WIDTH,.height = S5PV210_LCD_HEIGHT,.bpp = 32,.freq = 60,.timing = {.h_fp   = 210,.h_bp   = 38,.h_sw   = 10,.v_fp   = 22,.v_fpe  = 1,.v_bp   = 18,.v_bpe  = 1,.v_sw   = 7,},.polarity = {.rise_vclk = 0,.inv_hsync = 1,.inv_vsync = 1,.inv_vden = 0,},
};
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4.修改LCD的硬件参数（3.0+版本内核）

对于新的内核，platformdata都包含在了dts中，所以需要在dts中修改LCD的硬件参数。有关设备树详见设备树详解

  • 首先进入我们项目的dts以及包含的dtsi，寻找合适的地方安放我们新增的时序，一般某个dtsi里有一个叫display-timings的节点，里面会放时序。其实说实话时序放在哪里根本就无所谓，因为lcd/ldb节点是通过标号来访问具体的时序节点的，我们之所以选择放在display-timings里，仅仅是为了规范一点
    display-timings {lq4851lg03:lvds_1280x480_53M{clock-frequency = <53172000>;hactive = <1280>;vactive = <480>;hback-porch = <268>;hfront-porch = <70>;vback-porch = <10>;vfront-porch = <10>;hsync-len = <70>;vsync-len = <25>;pixelclk-active = <0>;};ak070tn93:ttl_1280x480_45M{clock-frequency = <45000000>;hactive = <1280>;vactive = <480>;hback-porch = <40>;hfront-porch = <73>;vback-porch = <20>;vfront-porch = <23>;hsync-len = <20>;vsync-len = <10>;};xxxxx:xxxxx{/*需要添加的参数*/};};
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  • 那么我们有两种方案，第一种是直接在默认的时序上修改，第二种添加一个时序，并在项目的dts中使用该时序。在此，我们选择第二种更优越的方法
  • 首先在已有的时序后面添加一个时序，具体参数照抄datasheet即可，唯一要注意的是某几个参数的名字可能和datasheet上不同：hsync-len对应datasheet上的Horizontal pulse width；vsync-len 对应datasheet上的Vertical pulse width。那么上面代码中的pixelclk-active = <0>;意味着什么呢？这个元素代表时钟的极性，如果显示图片清晰度不足时，可以尝试加入该元素
  • 打开我们项目的dts，然后可以做如下的修改
&mxcfb1 {disp_dev = "lcd";
};&ldb {status = "disabled";
};&lcd {status = "okay";native-mode = <&xxxx>;
};
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  • 可以看到有三项，mxcfb1、ldb、lcd。mxcfb1里面的disp_dev决定了图像通过什么方式输出，显然这里有两种方式，ldb和lcd，即lvds输出或ttl输出RGB信号。这里我们选择了lcd（即ttl输出RGB信号），那么ldb显然是要被”disabled”了，而lcd显然是”okay”，并且lcd的native-mode选择了我们刚刚添加的时序
  • 有时，除了时序之外，显示的模式可能也需要设置，比如某个屏幕需要jeida的data-mapping模式，而我们项目中的dtsi中并未设置过：
ldb: ldb@020e0008 {#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;gpr = <&gpr>;status = "disabled";lvds-channel@0 {reg = <0>;status = "disabled";};
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  • 那么在我们项目的dts中就要对其进行引用，并设置（类似于重写）
&ldb {status = "okay";lvds-channel@0 {native-mode = <&SHARP_LQ123B5LW>;fsl,data-mapping = "jeida";status = "okay";};
};
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5.修改logo显示（2.6版本内核）

注意：本段关于logo显示的ne 
当kernel启动，在probe函数运行时，一般会往fb中输出一个小企鹅logo（开发板厂商可能会改成其他的）。很多时候产品是不需要这个企鹅logo的，我们要学会去修改它

  • 在probe函数中，我们可以发现调用了显示logo的相关代码，下面是三星写的，其他厂家应该也不会有很大的区别：
#if !defined(CONFIG_FRAMEBUFFER_CONSOLE) && defined(CONFIG_LOGO)if (fb_prepare_logo( fbdev->fb[pdata->default_win], FB_ROTATE_UR)) {printk("Start display and show logo\n");/* Start display and show logo on boot */fb_set_cmap(&fbdev->fb[pdata->default_win]->cmap, fbdev->fb[pdata->default_win]);fb_show_logo(fbdev->fb[pdata->default_win], FB_ROTATE_UR);}
#endif
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  • 不难发现如果要让logo消失，只需要让CONFIG_LOGO不被定义即可，即在menuconfig中配置，或者直接修改xxxdefconfig
  • 那么如果我们想要添加另外的logo呢？linux的启动logo全部放在drivers/video/logo/下，而且都是以一种专门的格式存在的，称之为ppm格式。我们可以使用专门的工具把png格式图片转成ppm格式，ubuntu里也有这个工具，网上教程很多
  • 假设添加完了，我们要选择该logo，怎么选择？很简单，这些logo也是由kconfig管理的，我们只要在drivers/video/logo/下的kconfig和makefile中照葫芦画瓢，添加我们的logo，然后就能在menuconfig中选择了！
  • 有时，我们做了一个很小的logo，比屏幕像素小得多，它会被系统放到屏幕左上角。那么如何把它放到屏幕正中央呢？有两种思路，第一种方法是把logo的整个画面做的和屏幕分辨率一样大小，这样自然就对齐到中间了；第二种方法是修改显示logo函数的参数。首先找到probe函数中的fb_show_logo，在进去一层，找到fb_show_logo_line，查看其定义，发现里面有两行：
image.dx = 0;
image.dy = y;
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这便是logo图像的坐标偏移量，只需改成恰当的值即可让logo显示到中央了

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b_fix_screeninfo 和 fb_var_screeninfo



fb_fix_screeninfo 和 fb_var_screeninfo 都和 frame buffer 有关。

结构体的成员变量

[cpp]  view plain copy print ?
  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. };

结构体的成员变量

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

fb_fix_screeninfo 的 line_length 成员，含义是一行的 size，以字节数表示，就是屏幕的宽度。

结 构fb_var_screeninfo定义了视频硬件一些可变的特性。这些特性在程序运行期间可以由应用程序动态改变

6.在LCD上划线

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[cpp]  view plain copy print ?
  1. #include <stdlib.h>
  2. #include <unistd.h>
  3. #include <stdio.h>
  4. #include <fcntl.h>
  5. #include <linux/fb.h>
  6. #include <linux/kd.h>
  7. #include <sys/mman.h>
  8. #include <sys/ioctl.h>
  9. #include <sys/time.h>
  10. #include <string.h>
  11. #include <errno.h>
  12. struct fb_var_screeninfo vinfo;
  13. struct fb_fix_screeninfo finfo;
  14. char *frameBuffer = 0;
  15. //打印fb驱动中fix结构信息，注：在fb驱动加载后，fix结构不可被修改。
  16. void printFixedInfo ()
  17. {
  18. printf ("Fixed screen info:\n"
  19. "\tid: %s\n"
  20. "\tsmem_start:0x%lx\n"
  21. "\tsmem_len:%d\n"
  22. "\ttype:%d\n"
  23. "\ttype_aux:%d\n"
  24. "\tvisual:%d\n"
  25. "\txpanstep:%d\n"
  26. "\typanstep:%d\n"
  27. "\tywrapstep:%d\n"
  28. "\tline_length: %d\n"
  29. "\tmmio_start:0x%lx\n"
  30. "\tmmio_len:%d\n"
  31. "\taccel:%d\n"
  32. "\n",
  33. finfo.id, finfo.smem_start, finfo.smem_len, finfo.type,
  34. finfo.type_aux, finfo.visual, finfo.xpanstep, finfo.ypanstep,
  35. finfo.ywrapstep, finfo.line_length, finfo.mmio_start,
  36. finfo.mmio_len, finfo.accel);
  37. }
  38. //打印fb驱动中var结构信息，注：fb驱动加载后，var结构可根据实际需要被重置
  39. void printVariableInfo ()
  40. {
  41. printf ("Variable screen info:\n"
  42. "\txres:%d\n"
  43. "\tyres:%d\n"
  44. "\txres_virtual:%d\n"
  45. "\tyres_virtual:%d\n"
  46. "\tyoffset:%d\n"
  47. "\txoffset:%d\n"
  48. "\tbits_per_pixel:%d\n"
  49. "\tgrayscale:%d\n"
  50. "\tred: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"
  51. "\tgreen: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"
  52. "\tblue: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"
  53. "\ttransp: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"
  54. "\tnonstd:%d\n"
  55. "\tactivate:%d\n"
  56. "\theight:%d\n"
  57. "\twidth:%d\n"
  58. "\taccel_flags:0x%x\n"
  59. "\tpixclock:%d\n"
  60. "\tleft_margin:%d\n"
  61. "\tright_margin: %d\n"
  62. "\tupper_margin:%d\n"
  63. "\tlower_margin:%d\n"
  64. "\thsync_len:%d\n"
  65. "\tvsync_len:%d\n"
  66. "\tsync:%d\n"
  67. "\tvmode:%d\n"
  68. "\n",
  69. vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.xres_virtual, vinfo.yres_virtual,
  70. vinfo.xoffset, vinfo.yoffset, vinfo.bits_per_pixel,
  71. vinfo.grayscale, vinfo.red.offset, vinfo.red.length,
  72. vinfo.red.msb_right,vinfo.green.offset, vinfo.green.length,
  73. vinfo.green.msb_right, vinfo.blue.offset, vinfo.blue.length,
  74. vinfo.blue.msb_right, vinfo.transp.offset, vinfo.transp.length,
  75. vinfo.transp.msb_right, vinfo.nonstd, vinfo.activate,
  76. vinfo.height, vinfo.width, vinfo.accel_flags, vinfo.pixclock,
  77. vinfo.left_margin, vinfo.right_margin, vinfo.upper_margin,
  78. vinfo.lower_margin, vinfo.hsync_len, vinfo.vsync_len,
  79. vinfo.sync, vinfo.vmode);
  80. }

下面才是我们的重点，这个代码是我自己参考别人画矩形的代码改过来的

[cpp]  view plain copy print ?
  1. //画一条直线
  2. void drawline_rgb16 (int x0,int y0, int width,int height, int color,int flag0)
  3. {
  4. const int bytesPerPixel = 2;//因为是rgb16，用16位来描述色深，所以2个字节
  5. const int stride = finfo.line_length / bytesPerPixel;，一行有多少个点
  6. const int red = (color & 0xff0000) >> (16 + 3);//下面是颜色的操作，我目前还没弄明白
  7. const int green = (color & 0xff00) >> (8 + 2);
  8. const int blue = (color & 0xff) >> 3;
  9. const short color16 = blue | (green << 5) | (red << (5 +6));
  10. int flag=flag0;//这里我为了图个方便就用一个flag来区分是画横线还是竖线，0表示横线，1表示竖线。
  11. short *dest = (short *) (frameBuffer)+ (y0 + vinfo.yoffset) * stride + (x0 +vinfo.xoffset);//这个就是我们画点的起始位置，其+stride就是换行（这个是我个人通过代码测试得出来的结论）
  12. int x=0,y=0;
  13. if(flag==0)
  14. {
  15. for (x = 0; x < width; ++x)//width就是我们x方向的终点
  16. {
  17. dest[x] = color16;
  18. }
  19. }
  20. else if(flag==1)
  21. {
  22. for(y=0;y<height;y++)//height就是我们y方向的终点
  23. {
  24. dest[x]=color16;//这里x始终为0，和下面一句结合起来就是每一行就画一个点，一共画height行，不就是一条竖线了么，这里我还思考了很久。
  25. dest +=stride;
  26. }
  27. }
  28. }
解释：我的屏的lcd分辨率是480*272，分辨率的意思是一行有480个点，一共有272行，其实屏蔽上都是一个个点组成的，在上面画线的意思并不是真正意思上的拿一支笔画线。打个比方来说你你把一行中80-180个点都改成红色（我们屏蔽不是黑色么），改完你就可以看见一条红线了，感觉就是画了一条红色的直线对不对？
而且“上色”是从左到右一个点一个点，一行一行“上色”的，屏幕的坐标系如下图所示：
[cpp]  view plain copy print ?
  1. short *dest = (short *) (frameBuffer)+ (y0 + vinfo.yoffset) * stride + (x0 +vinfo.xoffset);

上面这一行代码的具体意思就是定位到（x0,y0）这个坐标，也就是我们要画的其实位置

可以下面这个代码画一个矩形。
[cpp]  view plain copy print ?
  1. //画大小为width*height的同色矩阵，5reds+6greens+5blues
  2. void drawRect_rgb16 (int x0, int y0, int width,int height, int color)
  3. {
  4. const int bytesPerPixel = 2;
  5. const int stride = finfo.line_length / bytesPerPixel;
  6. const int red = (color & 0xff0000) >> (16 + 3);
  7. const int green = (color & 0xff00) >> (8 + 2);
  8. const int blue = (color & 0xff) >> 3;
  9. const short color16 = blue | (green << 5) | (red << (5 +6));
  10. short *dest = (short *) (frameBuffer)+ (y0 + vinfo.yoffset) * stride + (x0 +vinfo.xoffset);
  11. int x, y;
  12. for (y = 0; y < height; ++y)
  13. {
  14. for (x = 0; x < width; ++x)
  15. {
  16. dest[x] = color16;
  17. }
  18. dest += stride;
  19. }
  20. }
下面是main函数：
[cpp]  view plain copy print ?
  1. int main (int argc, char **argv)
  2. {
  3. const char *devfile = "/dev/fb0";
  4. long int screensize = 0;
  5. int fbFd = 0;
  6. /* Open the file for reading and writing */
  7. fbFd = open (devfile, O_RDWR);
  8. if (fbFd == -1)
  9. {
  10. perror ("Error: cannot open framebuffer device");
  11. exit (1);
  12. }
  13. //获取finfo信息并显示
  14. if (ioctl (fbFd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo) == -1)
  15. {
  16. perror ("Error reading fixed information");
  17. exit (2);
  18. }
  19. printFixedInfo ();
  20. //获取vinfo信息并显示
  21. if (ioctl (fbFd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo) == -1)
  22. {
  23. perror ("Error reading variable information");
  24. exit (3);
  25. }
  26. printVariableInfo ();
  27. /* Figure out the size of the screen in bytes */
  28. screensize = finfo.smem_len;//fb的缓存长度
  29. /* Map the device to memory */
  30. frameBuffer =(char *) mmap (0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fbFd, 0);
  31. if (frameBuffer == MAP_FAILED)
  32. {
  33. perror ("Error: Failed to map framebuffer device to memory");
  34. exit (4);
  35. }
  36. //drawRect_rgb16 (vinfo.xres *3 / 8, vinfo.yres * 3 / 8,vinfo.xres / 4, vinfo.yres / 4,0xff00ff00);//实现画矩形
  37. drawline_rgb16(50,80,260,0,0xffff0000,0);
  38. drawline_rgb16(160,10,0,180,0xff00ff00,1);//可以画出一个交叉的十字，坐标都是自己设的。
  39. sleep (2);
  40. printf (" Done.\n");
  41. munmap (frameBuffer, screensize);   //解除内存映射，与mmap对应
  42. close (fbFd);
  43. return 0;
  44. }

用一个流程图还说明一下mian函数吧

*****************************************************************************************************************************************************************************************
****************************************************************************************************************************************************************************************
这里最重要的就是mmap这个函数了
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，一般被指定一个空指针，此时选择起始地址的任务留给内核来完成。函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。
    len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。
    prot参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或：PROT_READ（可读）,PROT_WRITE（可写）,PROT_EXEC（可执行）,PROT_NONE（不可访问）。
   flags由以下几个常值指定：MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_FIXED。其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必选其一，而MAP_FIXED则不推荐使用。
 如果指定为MAP_SHARED，则对映射的内存所做的修改同样影响到文件。如果是MAP_PRIVATE，则对映射的内存所做的修改仅对该进程可见，对文件没有影响。
    offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射。
mmap使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。
 再来看看我们代码中的mmap的实例
frameBuffer =(char *) mmap (0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fbFd, 0);

前面我们不是说了frambuffer就是linux内核驱动申请的一片内存空间，lcd驱动将frambuffer的地址通过mmap（）将这片内存映射到应用程序空间，这样我们写入到fb的数据就写入到内核驱动里的frambuffer中去了，而lcd 的dma就将这些数据写入到lcd的sram中，从而显示在lcd上.

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