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：

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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. };

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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. };

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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. };

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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. /* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not
7. * work with normal memory mapped access
8. */
9. ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,
10. size_t count, loff_t *ppos);
11. ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,
12. size_t count, loff_t *ppos);
13. /* checks var and eventually tweaks it to something supported,
14. * DO NOT MODIFY PAR */
15. int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
16. /* set the video mode according to info->var */
17. int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);
18. /* set color register */
19. int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,
20. unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);
21. /* set color registers in batch */
22. int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);
23. /* blank display */
24. int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);
25. /* pan display */
26. int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
27. /* Draws a rectangle */
28. void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);
29. /* Copy data from area to another */
30. void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);
31. /* Draws a image to the display */
32. void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);
33. /* Draws cursor */
34. int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);
35. /* Rotates the display */
36. void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);
37. /* wait for blit idle, optional */
38. int (*fb_sync)(struct fb_info *info);
39. /* perform fb specific ioctl (optional) */
40. int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,
41. unsigned long arg);
42. /* Handle 32bit compat ioctl (optional) */
43. int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,
44. unsigned long arg);
45. /* perform fb specific mmap */
46. int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);
47. /* save current hardware state */
48. void (*fb_save_state)(struct fb_info *info);
49. /* restore saved state */
50. void (*fb_restore_state)(struct fb_info *info);
51. /* get capability given var */
52. void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps,
53. struct fb_var_screeninfo *var);
54. };

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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(\nfb_ioctl mem\n);
	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：

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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. struct fb_var_screeninfo vinfo;
9. struct fb_fix_screeninfo finfo;
10. static void fb_var_printf(struct fb_var_screeninfo tmp)
11. {
12. printf("fb_var_screeninfo:\n");
13. printf("xres =%d, yres =%d, bits_per_pixel = %d\n",tmp.xres,tmp.yres,tmp.bits_per_pixel);
14. printf("height=%d,width = %d\n",tmp.height,tmp.width);
15. printf("xres_virtual =%d, yres_virtual =%d, xoffset=%d,yoffset=%d\n",tmp.xres_virtual,tmp.yres_virtual,tmp.xoffset,tmp.yoffset);
16. return ;
17. }
18. int main(void)
19. {
20. int fbfd;
21. int fbsize;
22. unsigned char *fbbuf;
23. char buf[100];
24. int i,res,adc_data;
25. for (i=0; i<100; i++) buf[i] = 0xaa;
26. if ((fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR)) < 0) {
27. printf("open fb0 failed\n");
28. return 1;
29. }
30. printf("fbfd = %d\n", fbfd);
31. if ((res =ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo))) { //获取设备显示特性信息
32. printf("bad vscreeninfo ioctl.error = %d\n",res);
33. }
34. fb_var_printf(vinfo);
35. 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
36. printf("fbisze: %d\n",fbsize);
37. 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）
38. {
39. printf("map video error.\n");
40. }
41. for (i = 0; i< fbsize; i++) {  //填充farmebuffer缓冲区
42. *(fbbuf+i) = 0xaa;  //颜色信息
43. }
44. munmap(fbbuf, fbsize);
45. close(fbfd);
46. return 0;
47. }