【嵌入式Linux】嵌入式项目实战之七步从零编写带GUI的应用之显示系统、输入系统、文字系统
2024-05-23 11:33:30
文章目录
- 前言
- 1、显示系统
- 1.1、程序分层
- 1.2、几个重要的数据结构
- 1.3、程序分析
- 2、输入系统
- 2.1、程序分层
- 2.2、触摸屏输入
- 2.2.1、几个重要的数据结构
- 2.2.1、程序分析
- 2.3、网络输入
- 2.4、输入管理
- 2.4.1、框架framework
- 程序分析
- 2.4.2、环形缓冲区circlebuff
- 什么是环形缓冲区？
- 环形缓冲区的用法
- 环形缓冲区的工作过程
- 环形缓冲区工作机制
- 程序分析
- 2.5、测试程序
- 3、文字系统
- 3.1、数据结构抽象
- 3.2、实现Freetype代码
- 3.3、文字管理
- 3.5、单元测试
- 参考资料
前言
韦东山项目实战之七步从零编写带GUI的应用(项目开发|论文参考|C|GUI)学习笔记
文章中大多内容来自韦东山老师的文档，还有部分个人根据自己需求补充的内容
视频教程地址： https://www.bilibili.com/video/BV1it4y1Q75z
1、显示系统
【嵌入式Linux】嵌入式Linux应用开发基础知识之Framebuffer应用编程和字符汉字显示
1.1、程序分层
▲程序分层
目前还没有按钮和web显示的代码
1.2、几个重要的数据结构
/*
* 显示缓冲区
* iXres iYres:屏幕的x，y轴长度
* iBpp:字符的颜色Bpp(bit per pixel)信息
* buff:framebuffer基地址
*/
typedef struct DispBuff {int iXres;int iYres;int iBpp;char *buff;
}DispBuff, *PDispBuff;/*
* 区域信息
* iLeftUpX iLeftUpY:里面包含了绘制的起始坐标
* iWidth iHeigh:字符的长宽信息
*/
typedef struct Region {int iLeftUpX;int iLeftUpY;int iWidth;int iHeigh;
}Region, *PRegion;/*
* Display相关函数集合结构体 用来表示一个Display设备
* DeviceInit:初始化设备
* DeviceExit:退出回收设备
* GetBuffer :获得Displaybuffer
* FlushRegio:融合区
* ptNext:指向下一个DispOpr类型结构体指针即下一个Display设备
*/
typedef struct DispOpr {char *name;int (*DeviceInit)(void);int (*DeviceExit)(void);int (*GetBuffer)(PDispBuff ptDispBuff);int (*FlushRegion)(PRegion ptRegion, PDispBuff ptDispBuff);struct DispOpr *ptNext;
}DispOpr, *PDispOpr;
在程序中使用了一个链表g_DispDevs来保存Display设备，LCD设备和web设备都将保存在这个链表中
而g_DispDefault指向默认的Display设备
g_tDispBuff保存Dispalybuffer使用LCD时可以理解为Frambuffer
/* 管理底层的LCD、WEB */
static PDispOpr g_DispDevs = NULL; //Display设备链表
static PDispOpr g_DispDefault = NULL; //默认Display设备指针 从Display设备链表中获取Display设备地址
static DispBuff g_tDispBuff; //保存Dispalybuffer 在这里可以理解为Frambuffer
1.3、程序分析
disp_test.c：使屏幕上显示字符A
注：fontdata_8x16数组见韦东山老师的程序
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>#include <disp_manager.h>/*********************************************************************** 函数名称： lcd_put_ascii* 功能描述： 在LCD指定位置上显示一个8*16的字符* 输入参数： x坐标，y坐标，ascii码* 输出参数： 无* 返 回 值： 无* 修改日期 版本号 修改人 修改内容* -----------------------------------------------* 2020/05/12 V1.0 zh(angenao) 创建***********************************************************************/
void lcd_put_ascii(int x, int y, unsigned char c)
{unsigned char *dots = (unsigned char *)&fontdata_8x16[c*16];int i, b;unsigned char byte;for (i = 0; i < 16; i++){byte = dots[i];for (b = 7; b >= 0; b--){if (byte & (1<<b)){/* show */PutPixel(x+7-b, y+i, 0xffffff); /* 白 */}else{/* hide */PutPixel(x+7-b, y+i, 0); /* 黑 */}}}
}int main(int argc, char **argv)
{Region region;PDispBuff ptBuffer;//初始化Display相关设备，LCD设备和Web设备（暂无），在Display设备链表中插入节点 DisplayInit();//设定默认Display设备，在g_DispDevs链表中寻找name == fb的设备使g_DispDefault指向它SelectDefaultDisplay("fb");//初始化默认Display设备 包含设备初始化和获得DisplaybufferInitDefaultDisplay();//向Framebuffer缓冲区中填写内容lcd_put_ascii(100, 100, 'A');/* * 下面的函数及内容是为web设备准备的，由于在InitDefaultDisplay时已经获得了framebuffer的基地址* 所以这里不用FlushDisplayRegion*///填写区域信息region.iLeftUpX = 100;region.iLeftUpY = 100;region.iWidth = 8;region.iHeigh = 16;//获得Framebuffer地址ptBuffer = GetDisplayBuffer();//将区域信息和Framebuffer信息融合FlushDisplayRegion(®ion, ptBuffer);return 0;
}
disp_manager.h：包含一些数据结构和函数声明
#ifndef _DISP_MANAGER_H
#define _DISP_MANAGER_H#ifndef NULL
#define NULL (void *)0
#endif/*
* 显示缓冲区
* iXres iYres:屏幕的x，y轴长度
* iBpp:字符的颜色Bpp(bit per pixel)信息
* buff:framebuffer基地址
*/
typedef struct DispBuff {int iXres;int iYres;int iBpp;char *buff;
}DispBuff, *PDispBuff;/*
* 区域信息
* iLeftUpX iLeftUpY:里面包含了绘制的起始坐标
* iWidth iHeigh:字符的长宽信息
*/
typedef struct Region {int iLeftUpX;int iLeftUpY;int iWidth;int iHeigh;
}Region, *PRegion;/*
* Display相关函数集合结构体 用来表示一个Display设备
* DeviceInit:初始化设备
* DeviceExit:退出回收设备
* GetBuffer :获得Displaybuffer
* FlushRegio:融合区
* ptNext:指向下一个DispOpr类型结构体指针即下一个Display设备
*/
typedef struct DispOpr {char *name;int (*DeviceInit)(void);int (*DeviceExit)(void);int (*GetBuffer)(PDispBuff ptDispBuff);int (*FlushRegion)(PRegion ptRegion, PDispBuff ptDispBuff);struct DispOpr *ptNext;
}DispOpr, *PDispOpr;void RegisterDisplay(PDispOpr ptDispOpr);void DisplayInit(void);
int SelectDefaultDisplay(char *name);
int InitDefaultDisplay(void);
int PutPixel(int x, int y, unsigned int dwColor);
int FlushDisplayRegion(PRegion ptRegion, PDispBuff ptDispBuff);
PDispBuff GetDisplayBuffer(void);#endif
disp_manager.c：管理Display设备相关函数
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <disp_manager.h>/* 管理底层的LCD、WEB */
static PDispOpr g_DispDevs = NULL; //Display设备链表
static PDispOpr g_DispDefault = NULL; //默认Display设备指针 从Display设备链表中获取Display设备地址
static DispBuff g_tDispBuff; //保存Dispalybuffer 在这里可以理解为Frambuffer
static int line_width;
static int pixel_width;/*显示一个像素，涉及到颜色计算*/
int PutPixel(int x, int y, unsigned int dwColor)
{unsigned char *pen_8 = (unsigned char *)(g_tDispBuff.buff+y*line_width+x*pixel_width);unsigned short *pen_16; unsigned int *pen_32; unsigned int red, green, blue; pen_16 = (unsigned short *)pen_8;pen_32 = (unsigned int *)pen_8;switch (g_tDispBuff.iBpp){case 8:{*pen_8 = dwColor;break;}case 16:{/* 565 */red = (dwColor >> 16) & 0xff;green = (dwColor >> 8) & 0xff;blue = (dwColor >> 0) & 0xff;dwColor = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);*pen_16 = dwColor;break;}case 32:{*pen_32 = dwColor;break;}default:{printf("can't surport %dbpp\n", g_tDispBuff.iBpp);return -1;break;}}return 0;
}void RegisterDisplay(PDispOpr ptDispOpr)
{//在Display设备链表中用头插法插入节点ptDispOpr->ptNext = g_DispDevs; //ptNext指向原来的Display设备g_DispDevs = ptDispOpr; //g_DispDevs指向新的Dispay设备
}int SelectDefaultDisplay(char *name)
{PDispOpr pTmp = g_DispDevs;while (pTmp) {//遍历g_DispDevs设备链表寻找name相同设备让g_DispDefault指向该Display设备if (strcmp(name, pTmp->name) == 0){g_DispDefault = pTmp;return 0;}pTmp = pTmp->ptNext;}return -1;
}int InitDefaultDisplay(void)
{int ret;ret = g_DispDefault->DeviceInit();if (ret){printf("DeviceInit err\n");return -1;}ret = g_DispDefault->GetBuffer(&g_tDispBuff);if (ret){printf("GetBuffer err\n");return -1;}//LCD行宽 单位：byteline_width = g_tDispBuff.iXres * g_tDispBuff.iBpp/8;//像素宽度 单位：bytepixel_width = g_tDispBuff.iBpp/8;return 0;
}PDispBuff GetDisplayBuffer(void)
{//返回Displaybuffer地址return &g_tDispBuff;
}int FlushDisplayRegion(PRegion ptRegion, PDispBuff ptDispBuff)
{//将区域信息和Framebuffer信息融合return g_DispDefault->FlushRegion(ptRegion, ptDispBuff);
}void DisplayInit(void)
{extern void FramebufferInit(void);//初始化LCD设备FramebufferInit();
}
framebuffer.c：LCD的framebuffer操作的相关函数，同时也定义了LCD设备结构体g_tFramebufferOpr
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>#include <disp_manager.h>static int fd_fb;
static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
static int screen_size;
static unsigned char *fb_base;
static unsigned int line_width;
static unsigned int pixel_width;/*Framebuffer初始化*/
static int FbDeviceInit(void)
{fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);if (fd_fb < 0){printf("can't open /dev/fb0\n");return -1;}if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)){printf("can't get var\n");return -1;}line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8; //行宽 单位：bytepixel_width = var.bits_per_pixel / 8; //像素宽度 单位：bytescreen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8; //屏幕尺寸 单位：bytefb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);//申请屏幕尺寸大小的内存并返回基地址if (fb_base == (unsigned char *)-1){printf("can't mmap\n");return -1;}return 0;
}/*Framebuffer回收*/
static int FbDeviceExit(void)
{munmap(fb_base, screen_size);close(fd_fb);return 0;
}/* 可以返回LCD的framebuffer, 以后上层APP可以直接操作LCD, 可以不用FbFlushRegion* 也可以malloc返回一块无关的buffer, 要使用FbFlushRegion*/
static int FbGetBuffer(PDispBuff ptDispBuff)
{ptDispBuff->iXres = var.xres;ptDispBuff->iYres = var.yres;ptDispBuff->iBpp = var.bits_per_pixel;ptDispBuff->buff = (char *)fb_base;return 0;
}static int FbFlushRegion(PRegion ptRegion, PDispBuff ptDispBuff)
{return 0;
}//初始化g_tFramebufferOpr结构体
static DispOpr g_tFramebufferOpr = {.name = "fb",.DeviceInit = FbDeviceInit,.DeviceExit = FbDeviceExit,.GetBuffer = FbGetBuffer,.FlushRegion = FbFlushRegion,
};void FramebufferInit(void)
{//注册一个Display设备 RegisterDisplay(&g_tFramebufferOpr);
}
2、输入系统
【嵌入式Linux】嵌入式Linux应用开发基础知识之输入系统应用编程
【嵌入式Linux】嵌入式Linux应用开发基础知识之网络通信
【嵌入式Linux】嵌入式Linux应用开发基础知识之多线程编程
2.1、程序分层
▲程序分层
2.2、触摸屏输入
2.2.1、几个重要的数据结构
抽象出两个结构体，数据和设备
/*
* 输入事件结构体
* iType:输入事件类型
* iX iY:输入事件坐标
* iPressure:输入事件压力值
* str:输入事件字符串，网络编程使用
*/
typedef struct InputEvent {struct timeval tTime;int iType;int iX;int iY;int iPressure;char str[1024];
}InputEvent, *PInputEvent;/*
* 输入设备结构体 用来表示一个输入设备
* DeviceInit:初始化设备
* DeviceExit:退出回收设备
* GetInputEvent:接收输入事件
* ptNext:指向下一个InputDevice类型结构体指针即下一个输入设备
*/
typedef struct InputDevice {char *name;int (*GetInputEvent)(PInputEvent ptInputEvent);int (*DeviceInit)(void);int (*DeviceExit)(void);struct InputDevice *ptNext;
}InputDevice, *PInputDevice;2.2.1、程序分析
input_manager.h:包含数据结构和函数声明
#ifndef _INPUT_MANAGER_H
#define _INPUT_MANAGER_H#include <sys/time.h>#ifndef NULL
#define NULL (void *)0
#endif#define INPUT_TYPE_TOUCH 1
#define INPUT_TYPE_NET 2/*
* 输入事件结构体
* iType:输入事件类型
* iX iY:输入事件坐标
* iPressure:输入事件压力值
* str:输入事件字符串，网络编程使用
*/
typedef struct InputEvent {struct timeval tTime;int iType;int iX;int iY;int iPressure;char str[1024];
}InputEvent, *PInputEvent;/*
* 输入设备结构体 用来表示一个输入设备
* DeviceInit:初始化设备
* DeviceExit:退出回收设备
* GetInputEvent:接收输入事件
* ptNext:指向下一个InputDevice类型结构体指针即下一个输入设备
*/
typedef struct InputDevice {char *name;int (*GetInputEvent)(PInputEvent ptInputEvent);int (*DeviceInit)(void);int (*DeviceExit)(void);struct InputDevice *ptNext;
}InputDevice, *PInputDevice;void RegisterInputDevice(PInputDevice ptInputDev);
void InputSystemRegister(void);
void IntpuDeviceInit(void);
int GetInputEvent(PInputEvent ptInputEvent);#endif
touchscreen.c:监测触控屏设备事件及输出报点信息
#include <input_manager.h>
#include <tslib.h>
#include <stdio.h>static struct tsdev *g_ts;static int TouchscreenGetInputEvent(PInputEvent ptInputEvent)
{struct ts_sample samp;int ret;//使用ts_lib库函数读取报点信息ret = ts_read(g_ts, &samp, 1);if (ret != 1)return -1;//将报点信息传入ptInputEventptInputEvent->iType = INPUT_TYPE_TOUCH;ptInputEvent->iX = samp.x;ptInputEvent->iY = samp.y;ptInputEvent->iPressure = samp.pressure;ptInputEvent->tTime = samp.tv;return 0;
}static int TouchscreenDeviceInit(void)
{//使用ts_lib函数初始化触控设备g_ts = ts_setup(NULL, 0);if (!g_ts){printf("ts_setup err\n");return -1;}return 0;
}static int TouchscreenDeviceExit(void)
{//使用ts_lib函数关闭触控设备ts_close(g_ts);return 0;
}/*创建一个输入设备：触控屏*/
static InputDevice g_tTouchscreenDev ={.name = "touchscreen",.GetInputEvent = TouchscreenGetInputEvent,.DeviceInit = TouchscreenDeviceInit,.DeviceExit = TouchscreenDeviceExit,
};#if 1int main(int argc, char **argv)
{InputEvent event;int ret;//初始化触控屏设备g_tTouchscreenDev.DeviceInit();while (1){//获得触控屏设备上报的输入事件ret = g_tTouchscreenDev.GetInputEvent(&event);if (ret) {printf("GetInputEvent err!\n");return -1;}else{printf("Type : %d\n", event.iType);printf("iX : %d\n", event.iX);printf("iY : %d\n", event.iY);printf("iPressure : %d\n", event.iPressure);}}return 0;
}#endif
2.3、网络输入
网络输入编程使用的数据结构和触摸屏使用的数据结构相同，这里不再赘述
在开发板上运行的是server端的程序使用udp通信，所以在创建设备的时候需要完成
/* socket* bind* sendto/recvfrom*/
netinput.c：创建一个server设备使用udp通信协议，接收client信息并打印到console终端上
#include <input_manager.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>/* socket* bind* sendto/recvfrom*/#define SERVER_PORT 8888static int g_iSocketServer;/*网络设备文件描述符*//*获取网络设备上报信息*/
static int NetinputGetInputEvent(PInputEvent ptInputEvent)
{struct sockaddr_in tSocketClientAddr;int iRecvLen;char aRecvBuf[1000];unsigned int iAddrLen = sizeof(struct sockaddr);//没有数据报到达时阻塞iRecvLen = recvfrom(g_iSocketServer, aRecvBuf, 999, 0, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen);if (iRecvLen > 0){aRecvBuf[iRecvLen] = '\0';//printf("Get Msg From %s : %s\n", inet_ntoa(tSocketClientAddr.sin_addr), ucRecvBuf);ptInputEvent->iType = INPUT_TYPE_NET;//设置上报信息类型为网络类型gettimeofday(&ptInputEvent->tTime, NULL);//获取默认时区的时间strncpy(ptInputEvent->str, aRecvBuf, 1000);//拷贝缓冲区的数据到ptInputEventptInputEvent->str[999] = '\0';//添加结束符return 0;}elsereturn -1;
}/*网络输入设备初始化*/
static int NetinputDeviceInit(void)
{struct sockaddr_in tSocketServerAddr;int iRet;//使用udp协议通信g_iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == g_iSocketServer){printf("socket error!\n");return -1;}tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); /* host to net, short */tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);//绑定socket文件描述符和socket addressiRet = bind(g_iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr));if (-1 == iRet){printf("bind error!\n");return -1;}return 0;
}/*关闭网络设备*/
static int NetinputDeviceExit(void)
{close(g_iSocketServer); return 0;
}/*创建一个网络输入设备*/
static InputDevice g_tNetinputDev ={.name = "touchscreen",.GetInputEvent = NetinputGetInputEvent,.DeviceInit = NetinputDeviceInit,.DeviceExit = NetinputDeviceExit,
};#if 1int main(int argc, char **argv)
{InputEvent event;int ret;g_tNetinputDev.DeviceInit();while (1){/*接收client信息并输出*/ret = g_tNetinputDev.GetInputEvent(&event);if (ret) {printf("GetInputEvent err!\n");return -1;}else{printf("Type : %d\n", event.iType);printf("str : %s\n", event.str);}}return 0;
}#endif
client.c:测试使用的client程序，使用./client <server_ip> <str>来向server发送信息
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>/* socket* connect* send/recv*/#define SERVER_PORT 8888int main(int argc, char **argv)
{int iSocketClient;struct sockaddr_in tSocketServerAddr;int iRet;int iSendLen;int iAddrLen;if (argc != 3){printf("Usage:\n");printf("%s <server_ip> <str>\n", argv[0]);return -1;}iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);tSocketServerAddr.sin_family = AF_INET;tSocketServerAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); /* host to net, short *///tSocketServerAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (0 == inet_aton(argv[1], &tSocketServerAddr.sin_addr)){printf("invalid server_ip\n");return -1;}memset(tSocketServerAddr.sin_zero, 0, 8);#if 0iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr)); if (-1 == iRet){printf("connect error!\n");return -1;}
#endifiAddrLen = sizeof(struct sockaddr);iSendLen = sendto(iSocketClient, argv[2], strlen(argv[2]), 0,(const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, iAddrLen);close(iSocketClient);return 0;
}2.4、输入管理
2.4.1、框架framework
▲输入管理器
在输入管理器中一共向外部提供了三个函数：
void InputInit(void)
连接到驱动侧，驱动侧通过这个函数将注册输入设备结构体到设备链表中
void RegisterInputDevice(PInputDevice ptInputDev) / void InpuInit(PInputDevice ptInputDev)
连接到APP侧，APP侧可以使用这个函数初始化设备链表中所有的输入设备，并且为其创建监听线程
int GetInputEvent(PT_InputEvent ptInputEvent)
连接到APP侧，APP侧可以使用这个函数获取底层上报的事件信息
此外还有一个线程函数static void *input_recv_thread_func (void *data)负责完成监听线程工作
程序分析
input_manage.c:其中int GetInputEvent(PT_InputEvent ptInputEvent)和static void *input_recv_thread_func (void *data) static void *input_recv_thread_func (void *data)函数没写完
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>static PInputDevice g_InputDevs = NULL;void RegisterInputDevice(PInputDevice ptInputDev)
{ptInputDev->ptNext = g_InputDevs;g_InputDevs = ptInputDev;
}/* */
void InputInit(void)
{/* regiseter touchscreen */extern void TouchscreenRegister(void);TouchscreenRegister();/* regiseter netinput */extern void NetInputRegister(void);NetInputRegister();
}static void *input_recv_thread_func (void *data)
{PInputDevice tInputDev = (PInputDevice)data;InputEvent tEvent;int ret;while (1){/* 读数据 */ret = tInputDev->GetInputEvent(&tEvent);if (!ret){ /* 保存数据 *//* 唤醒等待数据的线程 */pthread_mutex_lock(&g_tMutex);pthread_cond_wait(&g_tConVar, &g_tMutex); pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);}}return NULL;
}void IntpuDeviceInit(void)
{int ret;pthread_t tid;/* for each inputdevice, init, pthread_create */PInputDevice ptTmp = g_InputDevs;while (ptTmp){/* init device */ret = ptTmp->DeviceInit();/* pthread create */if (!ret){ret = pthread_create(&tid, NULL, input_recv_thread_func, ptTmp);}ptTmp= ptTmp->ptNext;}
}int GetInputEvent(PT_InputEvent ptInputEvent)
{/* 无数据则休眠 *//* 返回数据 */
}
touchscreen.c：添加函数void TouchscreenRegister(void)
...
void TouchscreenRegister(void)
{RegisterInputDevice(&g_tTouchscreenDev);
}
netinput.c：添加函数void NetInputRegister(void)
...
void NetInputRegister(void)
{RegisterInputDevice(&g_tNetinputDev);
}
2.4.2、环形缓冲区circlebuff
建立一个环形缓冲区，APP、触摸屏设备和网络设备会互斥的访问改写这个缓冲区来让APP获得设备上报的事件信息
什么是环形缓冲区？
圆形缓冲区（circular buffer），也称作圆形队列（circular queue），循环缓冲区（cyclic buffer），环形缓冲区（ring buffer），是一种用于表示一个固定尺寸、头尾相连的缓冲区的数据结构，适合缓存数据流。
环形缓冲区的用法
圆形缓冲区的一个有用特性是：当一个数据元素被用掉后，其余数据元素不需要移动其存储位置。相反，一个非圆形缓冲区（例如一个普通的队列）在用掉一个数据元素后，其余数据元素需要向前搬移。换句话说，圆形缓冲区适合实现先进先出缓冲区，而非圆形缓冲区适合后进先出缓冲区。
圆形缓冲区适合于事先明确了缓冲区的最大容量的情形。扩展一个圆形缓冲区的容量，需要搬移其中的数据。因此一个缓冲区如果需要经常调整其容量，用链表实现更为合适。
写操作覆盖圆形缓冲区中未被处理的数据在某些情况下是允许的。特别是在多媒体处理时。例如，音频的生产者可以覆盖掉声卡尚未来得及处理的音频数据。
环形缓冲区的工作过程
一个圆形缓冲区最初为空并有预定的长度。例如，这是一个具有七个元素空间的圆形缓冲区，其中底部的单线与箭头表示“头尾相接”形成一个圆形地址空间：
▲环形缓冲区
假定1被写入缓冲区中部（对于圆形缓冲区来说，最初的写入位置在哪里是无关紧要的）：
▲环形缓冲区初次写入数据
再写入2个元素，分别是2 & 3 — 被追加在1之后：
▲环形缓冲区再次写入数据
如果两个元素被处理，那么是缓冲区中最老的两个元素被移除。在本例中，1 & 2被移除，缓冲区中只剩下3:
▲环形缓冲区移除数据
如果缓冲区中有7个元素，则是满的：
▲环形缓冲区满员
如果缓冲区是满的，又要写入新的数据，一种策略是覆盖掉最老的数据。此例中，2个新数据— A & B — 写入，覆盖了3 & 4:
▲环形缓冲区覆盖写入数据
也可以采取其他策略，禁止覆盖缓冲区的数据，采取返回一个错误码或者抛出异常。
最终，如果从缓冲区中移除2个数据，不是3 & 4 而是 5 & 6 。因为 A & B 已经覆盖了3 & 4：
▲环形缓冲区覆盖后移除数据
环形缓冲区工作机制
由于计算机内存是线性地址空间，因此圆形缓冲区需要特别的设计才可以从逻辑上实现。
读指针与写指针
一般的，圆形缓冲区需要4个指针：
- 在内存中实际开始位置；
- 在内存中实际结束位置，也可以用缓冲区长度代替；（对应BUFFER_LEN）
- 存储在缓冲区中的有效数据的开始位置（读指针）；（对应g_iRead）
- 存储在缓冲区中的有效数据的结尾位置（写指针）。（对应g_iWrite）
区分缓冲区满或者空（满指缓冲区中充满了新的数据/未读的数据，空指缓冲区中没有新的数据）
缓冲区是满、或是空，都有可能出现读指针与写指针指向同一位置：
▲读指针与写指针指向同一位置
有多种策略用于检测缓冲区是满、或是空：
- 总是保持一个存储单元为空
缓冲区中总是有一个存储单元保持未使用状态。缓冲区最多存入（size - 1） 个数据。如果读写指针指向同一位置，则缓冲区为空。如果写指针位于读指针的相邻后一个位置，则缓冲区为满。这种策略的优点是简单、鲁棒；缺点是语义上实际可存数据量与缓冲区容量不一致，测试缓冲区是否满需要做取余数计算。 - 使用数据计数
这种策略不使用显式的写指针，而是保持着缓冲区内存储的数据的计数。因此测试缓冲区是空是满非常简单；对性能影响可以忽略。缺点是读写操作都需要修改这个存储数据计数，对于多线程访问缓冲区需要并发控制。 - 镜像指示位
缓冲区的长度如果是n，逻辑地址空间则为0至n-1；那么，规定n至2n-1为镜像逻辑地址空间。本策略规定读写指针的地址空间为0至2n-1，其中低半部分对应于常规的逻辑地址空间，高半部分对应于镜像逻辑地址空间。当指针值大于等于2n时，使其折返（wrapped）到ptr-2n。使用一位表示写指针或读指针是否进入了虚拟的镜像存储区：置位表示进入，不置位表示没进入还在基本存储区。
▲带有镜像指示位的环形缓冲区
在读写指针的值相同情况下，如果二者的指示位相同，说明缓冲区为空；如果二者的指示位不同，说明缓冲区为满。这种方法优点是测试缓冲区满/空很简单；不需要做取余数操作；读写线程可以分别设计专用算法策略，能实现精致的并发控制。 缺点是读写指针各需要额外的一位作为指示位。
如果缓冲区长度是2的幂，则本方法可以省略镜像指示位。如果读写指针的值相等，则缓冲区为空；如果读写指针相差n，则缓冲区为满，这可以用条件表达式（写指针 == (读指针 异或 缓冲区长度)）来判断。
- 读/写计数
用两个有符号整型变量分别保存写入、读出缓冲区的数据数量。其差值就是缓冲区中尚未被处理的有效数据的数量。这种方法的优点是读线程、写线程互不干扰；缺点是需要额外两个变量。 - 记录最后的操作
使用一位记录最后一次操作是读还是写。读写指针值相等情况下，如果最后一次操作为写入，那么缓冲区是满的；如果最后一次操作为读出，那么缓冲区是空。 这种策略的缺点是读写操作共享一个标志位，多线程时需要并发控制。
程序分析
input_manage.c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>static PInputDevice g_InputDevs = NULL;static pthread_mutex_t g_tMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t g_tConVar = PTHREAD_COND_INITIALIZER;/* start of 实现环形buffer */
#define BUFFER_LEN 20
static int g_iRead = 0;
static int g_iWrite = 0;
static InputEvent g_atInputEvents[BUFFER_LEN];/* 环形缓冲区满返回1 否则返回0 */
static int isInputBufferFull(void)
{return (g_iRead == ((g_iWrite + 1) % BUFFER_LEN));
}/* 环形缓冲区空返回1 否则返回0 */
static int isInputBufferEmpty(void)
{return (g_iRead == g_iWrite);
}/* 将事件数据写入环形缓冲区 */
static void PutInputEventToBuffer(PInputEvent ptInputEvent)
{if (!isInputBufferFull())//如果环形缓冲区未满{g_atInputEvents[g_iWrite] = *ptInputEvent;g_iWrite = (g_iWrite + 1) % BUFFER_LEN;}
}/* 从环形缓冲区获取事件信息 成功获得信息返回1 否则返回0*/
static int GetInputEventFromBuffer(PInputEvent ptInputEvent)
{if (!isInputBufferEmpty())//如果环形缓冲区不为空{*ptInputEvent = g_atInputEvents[g_iRead];g_iRead = (g_iRead + 1) % BUFFER_LEN;return 1;}else{return 0;}
}/* end of 实现环形buffer */void RegisterInputDevice(PInputDevice ptInputDev)
{ptInputDev->ptNext = g_InputDevs;g_InputDevs = ptInputDev;
}void InputInit(void)
{/* regiseter touchscreen */extern void TouchscreenRegister(void);TouchscreenRegister();/* regiseter netinput */extern void NetInp utRegister(void);NetInputRegister();
}/* 设备子线程函数 */
static void *input_recv_thread_func (void *data)
{PInputDevice ptInputDev = (PInputDevice)data;InputEvent tEvent;int ret;while (1){/* 读数据 *///这里使用的是设备结构体中的GetInputEvent函数，并非下面的GetInputEvent函数ret = ptInputDev->GetInputEvent(&tEvent);if (!ret){ /* 保存数据 */pthread_mutex_lock(&g_tMutex);PutInputEventToBuffer(&tEvent);/* 唤醒等待数据的线程 */pthread_cond_signal(&g_tConVar); /* 通知接收线程 */pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);}}return NULL;
}void IntpuDeviceInit(void)
{int ret;pthread_t tid;/* for each inputdevice, init, pthread_create */PInputDevice ptTmp = g_InputDevs;while (ptTmp){/* init device */ret = ptTmp->DeviceInit();/* pthread create */if (!ret){ret = pthread_create(&tid, NULL, input_recv_thread_func, ptTmp);}ptTmp= ptTmp->ptNext;}
}/* 从环形缓冲区中获取事件信息 成功返回0 失败返回-1*/
int GetInputEvent(PT_InputEvent ptInputEvent)
{InputEvent tEvent;int ret;/* 无数据则休眠 */pthread_mutex_lock(&g_tMutex);if (GetInputEventFromBuffer(&tEvent)){*ptInputEvent = tEvent;pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);return 0;}else{/* 休眠等待 等待设备线程唤醒 */pthread_cond_wait(&g_tConVar, &g_tMutex); if (GetInputEventFromBuffer(&tEvent)){ret = 0;}else{ret = -1;}pthread_mutex_unlock(&g_tMutex); }return ret;}
2.5、测试程序
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>#include <input_manager.h>int main(int argc, char **argv)
{int ret;InputEvent event;/* 设备注册、设备初始化、设备线程创建 */InputInit();IntpuDeviceInit();while (1){printf("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);ret = GetInputEvent(&event);printf("%s %s %d, ret = %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, ret);if (ret) {printf("GetInputEvent err!\n");return -1;}else{printf("%s %s %d, event.iType = %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, event.iType );if (event.iType == INPUT_TYPE_TOUCH)//touch设备{printf("Type : %d\n", event.iType);printf("iX : %d\n", event.iX);printf("iY : %d\n", event.iY);printf("iPressure : %d\n", event.iPressure);}else if (event.iType == INPUT_TYPE_NET)//web设备{printf("Type : %d\n", event.iType);printf("str : %s\n", event.str);}}}return 0;
}
3、文字系统
【嵌入式Linux】嵌入式Linux应用开发基础知识之Framebuffer应用编程和字符汉字显示
▲程序分层
3.1、数据结构抽象
▲字形指标
font_manage.h:
#ifndef _FONT_MANAGER_H
#define _FONT_MANAGER_H#ifndef NULL
#define NULL (void *)0
#endif/* 描述一个文字的位图
* iLeftUpX、iLeftUpY：左上角(x,y)坐标
* iWidth、iRows：宽度、行数
* iCurOriginX、iCurOriginY：当前字符的基点(x,y)坐标
* iNextOriginX、iNextOriginY：下一个字符的基点(x,y)坐标
* pucBuffer：位图指针
*/
typedef struct FontBitMap {int iLeftUpX;int iLeftUpY;int iWidth;int iRows;int iCurOriginX;int iCurOriginY;int iNextOriginX;int iNextOriginY;unsigned char *pucBuffer;
}FontBitMap, *PFontBitMap;/* 字库的操作结构体name：使用freetype还是点阵FontInit：初始化函数SetFontSize：设置字体大小GetFontBitMap：获得字符的位图ptNext：下一个字库的操作结构体
*/
typedef struct FontOpr {char *name;int (*FontInit)(char *aFineName);int (*SetFontSize)(int iFontSize);int (*GetFontBitMap)(unsigned int dwCode, PFontBitMap ptFontBitMap);struct FontOpr *ptNext;
}FontOpr, *PFontOpr;#endif
3.2、实现Freetype代码
freetype.c
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <wchar.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <font_manager.h>#include <ft2build.h>
#include FT_FREETYPE_H
#include FT_GLYPH_Hstatic FT_Face g_tFace; //矢量字体文字
static int g_iDefaultFontSize = 12; //默认字体大小/* 初始化FreeType 创建字形结构体 */
static int FreeTypeFontInit(char *aFineName)
{FT_Library library;int error;error = FT_Init_FreeType( &library ); /* initialize library */ if (error){printf("FT_Init_FreeType err\n");return -1;}error = FT_New_Face(library, aFineName, 0, &g_tFace ); /* create face object */if (error){printf("FT_New_Face err\n");return -1;}FT_Set_Pixel_Sizes(g_tFace, g_iDefaultFontSize, 0);return 0;
}/* 设置字体大小 */
static int FreeTypeSetFontSize(int iFontSize)
{FT_Set_Pixel_Sizes(g_tFace, iFontSize, 0);return 0;
}/* 根据编码值dwCode获得位图保存在ptFontBitMap指向的结构体中 */
static int FreeTypeGetFontBitMap(unsigned int dwCode, PFontBitMap ptFontBitMap)
{int error;FT_Vector pen; //对应originFT_Glyph glyph; //用来保存字体文件中保存有字符的原始关键点信息FT_GlyphSlot slot = g_tFace->glyph; //字形槽，用来保存字符处理后的结果 glyph->bitmap 中包含了中文位图信息pen.x = ptFontBitMap->iCurOriginX * 64; /* 单位: 1/64像素 */pen.y = ptFontBitMap->iCurOriginY * 64; /* 单位: 1/64像素 *//* 转换：transformation */FT_Set_Transform(g_tFace, 0, &pen);/* 加载位图: load glyph image into the slot (erase previous one) */error = FT_Load_Char(g_tFace, dwCode, FT_LOAD_RENDER);if (error){printf("FT_Load_Char error\n");return -1;}/* 将加载出来的位图数据保存到ptFontBitMap */ptFontBitMap->pucBuffer = slot->bitmap.buffer;/* 位图左上角坐标x值 */ptFontBitMap->iLeftUpX = slot->bitmap_left;/* * iCurOriginY是LCD坐标系 bitmap_top是笛卡尔坐标系 iLeftUpY是LCD坐标系* iLeftUpY = iCurOriginY - delta* delta = bitmap_top - iCurOriginY //此处有疑问* iLeftUpY = 2 * iCurOriginY - bitmap_top*/ptFontBitMap->iLeftUpY = ptFontBitMap->iCurOriginY*2 - slot->bitmap_top;/* 位图的总宽度即有多少列像素点 */ptFontBitMap->iWidth = slot->bitmap.width;/* 位图的总高度即有多少行 */ptFontBitMap->iRows = slot->bitmap.rows;/* 计算下一个文字位图的基点 */ptFontBitMap->iNextOriginX = ptFontBitMap->iCurOriginX + slot->advance.x / 64;ptFontBitMap->iNextOriginY = ptFontBitMap->iCurOriginY;return 0;
}/* 初始化freetype字库的操作结构体 */
static FontOpr g_tFreetypeOpr = {.name = "freetype",.FontInit = FreeTypeFontInit,.SetFontSize = FreeTypeSetFontSize,.GetFontBitMap = FreeTypeGetFontBitMap,
};
3.3、文字管理
font_manage.c:管理文字库设备
#include <font_manager.h>static PFontOpr g_ptFonts = NULL; //字库设备链表头
static PFontOpr g_ptDefaulFontOpr = NULL; //默认字库设备指针/* 将字库的操作结构体加入链表 */
void RegisterFont(PFontOpr ptFontOpr)
{ptFontOpr->ptNext = g_ptFonts;g_ptFonts = ptFontOpr;
}/* 承上启下 */
void FontsRegister(void)
{extern void FreetypeRegister(void);FreetypeRegister();
}/* 把下面的各个字体注册进来 */
int SelectAndInitFont(char *aFontOprName, char *aFontFileName)
{PFontOpr ptTmp = g_ptFonts;/* 在链表中寻找指定名称的设备将其设定为默认设备 */while (ptTmp){if (strcmp(ptTmp->name, aFontOprName) == 0)break;ptTmp = ptTmp->ptNext;}if (!ptTmp)return -1;g_ptDefaulFontOpr = ptTmp;return ptTmp->FontInit(aFontFileName);
}/* 上层可以选择某个字体模块 */
int SetFontSize(int iFontSize)
{return g_ptDefaulFontOpr->SetFontSize(iFontSize);
}/* 上层可以得到某个字符的位图 */
int GetFontBitMap(unsigned int dwCode, PFontBitMap ptFontBitMap)
{return g_ptDefaulFontOpr->GetFontBitMap(dwCode, ptFontBitMap);
}3.5、单元测试
common.h:包含通用结构体及宏定义声明
#ifndef _COMMON_H
#define _COMMON_H#ifndef NULL
#define NULL (void *)0
#endif/*
* 区域信息
* iLeftUpX iLeftUpY:里面包含了绘制的起始坐标
* iWidth iHeigh:字符的长宽信息
*/
typedef struct Region {int iLeftUpX;int iLeftUpY;int iWidth;int iHeigh;
}Region, *PRegion;#endif
在font_manager.h中修改struct FontBitMap用Region结构体代替原来保存区域信息的变量
typedef struct FontBitMap {int iLeftUpX;int iLeftUpY;int iWidth;int iRows;int iCurOriginX;int iCurOriginY;int iNextOriginX;int iNextOriginY;unsigned char *pucBuffer;
}FontBitMap, *PFontBitMap;
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