Linux 驱动 – Frame Buffer (帧缓冲)显示驱动

一、Frame Buffer

Frame Buffer 翻译过来是帧缓冲的意思，帧指的是一帧图像，缓冲是暂时存放的意思，连起来就是暂时存放一帧图像，相当于模拟了台式机中显卡的显存作用。在嵌入式中，因为没有显卡这样的单独的机构去处理图片，所以就使用了Frame Buffer用软件去模拟显存。
Frame Buffer为显示设备提供一个统一的接口，屏蔽硬件底层的差异，允许上层应用在图形模式下直接对帧缓冲区进行读写操作。对于设备而言，只需要在缓冲区对应的区域写入颜色值，就能在屏幕对应的地方显示颜色。
Frame Buffer是一个标准的字符设备，主设备号为29，对应于/dev/fbx

Framebuffer驱动并不提供任何有关图形的 API给用户，它仅完成将显示缓冲的数据显示在 LCD上。

二、Frame Buffer 框架结构

Frame Buffer的核心代码在fbmem.c中，向上层提供了完整的字符设备操作的接口（open,read,write,ioctl,mmap）。向下给硬件设备提供了统一的接口，把接口抽象为一个fb_info结构体，实现一个显示驱动就需要填充这个结构体，并使用fb_mem.c提供的注册register_framebuffer与注销unregister_framebuffer函数加载和卸载驱动。

三、主要结构体

在看主体代码之前，先看几个结构体，只有在了解了结构体之后，才能更清楚的了解代码的流程。

1、fb_info

struct fb_info {atomic_t count;int node;int flags;int fbcon_rotate_hint;struct mutex lock;               /* 互斥锁*/struct mutex mm_lock;           /* 互斥锁，用于 fb_mmap 和 smem_*域 */struct fb_var_screeninfo var;  /* 当前可变参数 */struct fb_fix_screeninfo fix;   /* 当前固定参数 */struct fb_monspecs monspecs;    /* 当前显示器特性 */struct work_struct queue;      /* 帧缓冲事件队列 */struct fb_pixmap pixmap;       /* 图像硬件映射 */struct fb_pixmap sprite;        /* 光标硬件映射 */struct fb_cmap cmap;            /* 当前调色板 */struct list_head modelist;      /* 当前模式列表 */struct fb_videomode *mode;       /* 当前视频模式 */#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT /* LCD 背光 */struct backlight_device *bl_dev;/* 背光设备 */struct mutex bl_curve_mutex;    /*背光水平曲线*/ u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IOstruct delayed_work deferred_work;struct fb_deferred_io *fbdefio;
#endifstruct fb_ops *fbops;    /* 帧缓冲操作函数集 */struct device *device;   /* 父设备 */struct device *dev;       /* 当前 fb 设备 */int class_flag;          /* 私有 sysfs 标志 */
#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTINGstruct fb_tile_ops *tileops;  /* Tile Blitting */
#endifunion {char __iomem *screen_base; /*虚拟内存基地址(屏幕显存) */char *screen_buffer;};unsigned long screen_size;  /* 虚拟内存大小(屏幕显存大小) */ void *pseudo_palette;      /* 伪 16 位调色板 */
#define FBINFO_STATE_RUNNING    0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED  1u32 state;         /* Hardware state i.e suspend */void *fbcon_par;                /* fbcon use-only private area *//* From here on everything is device dependent */void *par;struct apertures_struct {unsigned int count;struct aperture {resource_size_t base;resource_size_t size;} ranges[0];} *apertures;bool skip_vt_switch; /* no VT switch on suspend/resume required */
};

其中，最主要的的就是var, fix, fbops, screen_base这四个成员。

var – 可变参数主要是用来存放时序，bpp等，主要特征就是会给应用提供接口去改变它。
fix – 主要用来存放显存信息，一旦分配之后就不会改变。
fbops – 设备函数集（open，read，write……）
screen_base – LCD虚拟显存地址

2、fb_var_screeninfo

可变参数结构体

struct fb_var_screeninfo {__u32 xres;                /*可见屏幕一行有多少像素点 */__u32 yres;             /*可见屏幕一屏有多少行,也就是列*/__u32 xres_virtual;     /*虚拟屏幕一行有多少像素点*/__u32 yres_virtual;     /*虚拟屏幕一屏有多少行*/__u32 xoffset;            /* 虚拟屏到实际屏的水平偏移量 */__u32 yoffset;           /* 虚拟屏到实际屏的垂直偏移量*/__u32 bits_per_pixel; /*每个像素的位数即BPP,比如:RGB565则填入16*/__u32 grayscale;      /* 0 = 彩色, 1 = 灰度屏    */struct fb_bitfield red;       /* 红色的长度和偏移信息 */struct fb_bitfield green;   /* 绿色的长度和偏移信息 */struct fb_bitfield blue;    /* 蓝色的长度和偏移信息 */struct fb_bitfield transp;  /* 透明色的长度和偏移信息  */  __u32 nonstd;           /* 不等于0则为非标准像素格式 */__u32 activate;          /* see FB_ACTIVATE_*        *///存放物理屏的物理尺寸，是外观尺寸，单位是mm，可选择填充的项  非重点__u32 height;           /* height of picture in mm    */__u32 width;            /* width of picture in mm     */__u32 accel_flags;      /* (OBSOLETE) see fb_info.flags *///下面是LCD屏的工作时序，参数从datasheet来__u32 pixclock;            /* pixel clock in ps (pico seconds) */__u32 left_margin;        /* time from sync to picture    */__u32 right_margin;       /* time from picture to sync    */__u32 upper_margin;       /* time from sync to picture    */__u32 lower_margin;__u32 hsync_len;       /* length of horizontal sync    */__u32 vsync_len;      /* length of vertical sync  */__u32 sync;           /* see FB_SYNC_*        */__u32 vmode;          /* see FB_VMODE_*       */__u32 rotate;         /* angle we rotate counter clockwise */__u32 colorspace;        /* colorspace for FOURCC-based modes */__u32 reserved[4];       /* Reserved for future compatibility */
};

3、fb_fix_screeninfo

固定参数，主要用来存放显存信息，一旦分配之后就不会改变。

struct fb_fix_screeninfo {char id[16];           /* LCD标识名 填写一个16字符以内字符串即可 */unsigned long smem_start;   /*显存的物理起始地址，不是虚拟地址 *//* (physical address) */__u32 smem_len;     /*显存的内存长度 */__u32 type;         /* 表示像素类型 see FB_TYPE_*     */__u32 type_aux;       /* Interleave for interleaved Planes */__u32 visual;        /* 表示颜色类型 see FB_VISUAL_*   */ __u16 xpanstep;      /* 如果没有硬件panning就赋值为0  */__u16 ypanstep;        /* 如果没有硬件panning就赋值为0  */__u16 ywrapstep;   /* 如果没有硬件panning就赋值为0    */__u32 line_length;   /*一行的字节数 ,例:(RGB565)240*320,那么这里就等于240*16/8*/unsigned long mmio_start;  /* Start of Memory Mapped I/O   *//* (physical address) *///独立显卡相关的,基本不用__u32 mmio_len;         /* Length of Memory Mapped I/O  */__u32 accel;          /* Indicate to driver which *//*  specific chip/card we have    */__u16 capabilities;       /* see FB_CAP_*         */__u16 reserved[2];        /* Reserved for future compatibility */
};

4、fb_ops

struct fb_ops {/* open/release and usage marking */struct module *owner;int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);/* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not* work with normal memory mapped access*/ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos);ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos);/* checks var and eventually tweaks it to something supported,* DO NOT MODIFY PAR */int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);/* set the video mode according to info->var */int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);/* set color register */int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);/* blank display */int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);/* Draws a rectangle */void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);/* Copy data from area to another */void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);/* Draws a image to the display */void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);/* perform fb specific mmap */int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);
………………
};

fb_open:当你的lcd不需要做什么特殊的初始化操作，这个方法可以不实现
fb_release:当你的应用程序不使用lcd设备的时候，需要做的事情在这里实现
fb_read：当你的lcd控制器使用的内存是独立显存的时候才需要使用，直接使用核心层read
fb_write：当你的lcd控制器使用的内存是独立显存的时候才需要使用，直接使用核心层write
fb_check_var：检测应用程序传递下来的可变参数是否合法。当你不提供给应用程序通过ioctl命令动态修改LCD可变参数时不需要实现。
fb_set_par：实现的功能是把可变参数设置到硬件寄存器中去
fb_blank：实现屏幕的黑屏白屏模式（开屏，关屏）
fb_fillrect：实现功能是填充矩形
fb_copyarea：实现功能是区域复制
fb_imageblit：实现功能是绘制位图
fb_mmap：实现的功能是把内核空间的分配的显存映射到用户空间中对应的mmap系统调用，当你的控制器是独显的时候才需要

四、主要的API函数


/*
函数功能：申请一个`fb_info`结构体
参数说明  ：size 额外的内存*dev 指针, 这里填0,表示这个申请的结构体里没有内容
*/
struct fb_info *framebuffer_alloc(size_t size, struct device *dev);/*
函数功能：注册fb_info
*/
int register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)/*
函数功能：注销fb_info
*/
int unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info)/*
函数功能：动态分配DMA内存，同时可以得到分配内存的虚拟地址和物理地址
分配一段`DMA`缓存区,分配出来的内存会禁止`cache`缓存(因为`DMA`传输不需要`CPU`);它和` dma_alloc_coherent ()`函数相似,不过 `dma_alloc_coherent ()`函数是分配出来的内存会禁止`cache`缓存以及禁止写入缓冲区。参数说明 ：dev 指针,这里填0,表示这个申请的缓冲区里没有内容size 分配的地址大小(字节单位)*handle 申请到的物理起始地址gfp 分配出来的内存参数,标志定义在<linux/gfp.h>,常用标志如下://GFP_ATOMIC 用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存. 从不睡眠.//GFP_KERNEL 内核内存的正常分配. 可能睡眠.//GFP_USER 用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠.
返回值: 申请到的DMA缓冲区的虚拟地址,若为NULL,表示分配失败,则需要使用dma_free_writecombine()释放内存,避免内存泄漏
*/
void *dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size,dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)/*
功能：释放由dma_alloc_writecombine分配的dma内存
参数：
dev:设备指针如果没有赋值NULL
size:内存大小
cpu_addr：dma_alloc_writecombine得到的虚拟地址首地址
dma_handle：作为输出参数使用，存放分配到的内存对应的物理地址
*/
void dma_free_writecombine(struct device *dev, size_t size,void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle)

lcd每屏显示的数据量很大，所以lcd一般是利用DMA来搬运数据，而DMA模块只会使用物理地址，所以LCD驱动中需要记录物理地址。

五、fb_mem.c源码分析

在阅读源码前你需要知道，主设备号注册的的字符设备所绑定的fops,该主设备下的次设备也是也会调用的该fops，而并不是调用的次设备中的fops

1、fbmem_init

fbmem_init函数是fb驱动的入口函数，主要就是注册了字符设备和创建类，可以看到做的工作其实很少。

2、register_framebuffer

在register_framebuffer中主要是在/dev下创建了设备节点，和初始化fb_info结构体，并在fb_class下创建属性文件

这里只截取了重要的一部分，其余部分都在初始化设备的fb_info结构体。

3、unregister_framebuffer

在unregister_framebuffer中，主要是删除设备和释放内存

4、fb_open

通过次设备号，获得索引值，并调用open方法。

其他fb_opf方法（read,write,mmap）类似，最终都是会调用到设备驱动中的方法里去，这里就不做重复的描述了。

6、总结

总的来说，Frame Buffer的驱动还是很简单的，与misc驱动一样，都是通过主设备号的file_fops方法去控制下面的子设备。一般来说驱动都是芯片厂家写好了的，我们只需要去配置参数就可以了，但对于入这一行的人来说，也需要去了解驱动的原理，遇事则不慌。至于驱动的实现则放在我另一个专栏里，欢迎大家去看并指正。