基於framebuffer的驅動分析

framebuffer幀緩衝（簡稱fb）是linux內核中用代碼虛擬出的一個設備，是一個platform類型設備，設備文件位於/dev/fb*

在嵌入式系統中一般沒有專門的顯存，而僅僅是從RAM(SDRAM)空間中分配一段顯示緩衝區
framebuffer的作用是：嚮應用層提供一個統一標準接口的顯示設備。不論最終輸出是通過hdmi還是lcd控制器，可以認爲所有的GUI都是向fb輸出畫面的
實際上是frambuffer就是linux內核驅動申請的一片內存空間，然後lcd內有一片sram，cpu內部有個lcd控制器，它有個單獨的dma用來將frambuffer中的數據拷貝到lcd的sram中去，拷貝到lcd的sram中的數據就會顯示在lcd上，具體數據的內容是由應用程序控制的。
LCD驅動和framebuffer驅動沒有必然的聯繫，它只是驅動LCD正常工作的，比如有信號傳過來，那麼LCD驅動負責把信號轉成顯示屏上的內容，至於什麼內容，怎麼顯示，它根本不關心也不知道。
對於現代LCD，有一種“多屏疊加”的機制，即一個LCD設備可以有多個獨立虛擬屏幕，以達到畫面疊加的效果。所以fb與LCD不是一對一的關係，在常見的情況下，一個LCD對應了fb0~fb4。像QT這種GUI會默認把畫面輸出到fb0

1.畫面輸出原理

如何輸出畫面？應用程序通過往顯存中寫數據，LCD控制器將自動把顯存中的數據映射到lcd屏幕。映射是全自動的，應用層負責往顯存裏寫數據，而驅動要做的僅僅是配置LCD控制器、創建顯存罷了
由於顯存實際是處於內核態的物理內存，所以要把這塊物理內存映射到用戶態，所謂“映射”就可以理解爲建立了一個“符號鏈接”，這樣應用程序就可以直接操作這塊物理內存了
關於LCD的硬件原理詳見LCD簡介
關於如何在應用層測試fb，詳見framebuffer的使用與測試

2.framebuffer驅動結構

fb的結構和misc極爲類似，由內核中的fb框架實現一部分，然後再由設備驅動本身實現一部分。設備驅動本身就是一個普通的platform總線驅動
雖然每家原廠寫的fb設備驅動可能有些差異，但是基本的套路還是相同的

在內核fb框架中，所有的fb設備公用一個主設備號（都是29），它們之間以次設備號互相區分。所以在框架中使用register_chrdev註冊了一個主設備號爲29的設備，而在驅動中device_create創建設備文件主設備號都爲29，次設備號不同
由上圖可以看出，內核提供了fb框架，原廠提供了fb的platform設備和驅動；不論有多少LCD屏幕，用的都是這一套platform驅動，它們的操作方式都是固定的，唯一的區別就在platform_data裏的硬件參數。而我們驅動工程師重點關注的就是該硬件參數

3.修改LCD的硬件參數（2.6版本內核）

當我們板子上的LCD需要更換時，驅動中也需要進行相應的修改

具體的思路，是去修改platform_device中的platform_data，LCD的硬件參數都在裏面，但是怎麼找到這個platform_data是一門學問，因爲原廠寫的代碼是比較複雜的。。。。具體方法詳見基於platform總線的驅動分析的文末
不難找到設置platform_data的地方，如圖

那麼目前導入的platform_data是哪一個呢？根據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,
};

裏面最關鍵的是.lcd 這個成員，即結構體ek070tn93，查看發現裏面有時序、分辨率等各種參數，這樣我們就可以隨便修改參數了

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,
    },
};

4.修改LCD的硬件參數（3.0+版本內核）

對於新的內核，platformdata都包含在了dts中，所以需要在dts中修改LCD的硬件參數。有關設備樹詳見設備樹詳解

首先進入我們項目的dts以及包含的dtsi，尋找合適的地方安放我們新增的時序，一般某個dtsi裏有一個叫display-timings的節點，裏面會放時序。其實說實話時序放在哪裏根本就無所謂，因爲lcd/ldb節點是通過標號來訪問具體的時序節點的，我們之所以選擇放在display-timings裏，僅僅是爲了規範一點

    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{

        /*需要添加的參數*/

        };
    };

那麼我們有兩種方案，第一種是直接在默認的時序上修改，第二種添加一個時序，並在項目的dts中使用該時序。在此，我們選擇第二種更優越的方法
首先在已有的時序後面添加一個時序，具體參數照抄datasheet即可，唯一要注意的是某幾個參數的名字可能和datasheet上不同：hsync-len對應datasheet上的Horizontal pulse width；vsync-len 對應datasheet上的Vertical pulse width。那麼上面代碼中的pixelclk-active = <0>;意味着什麼呢？這個元素代表時鐘的極性，如果顯示圖片清晰度不足時，可以嘗試加入該元素
打開我們項目的dts，然後可以做如下的修改

&mxcfb1 {
    disp_dev = "lcd";
};

&ldb {
    status = "disabled";
};

&lcd {
    status = "okay";
    native-mode = <&xxxx>;
};

可以看到有三項，mxcfb1、ldb、lcd。mxcfb1裏面的disp_dev決定了圖像通過什麼方式輸出，顯然這裏有兩種方式，ldb和lcd，即lvds輸出或ttl輸出RGB信號。這裏我們選擇了lcd（即ttl輸出RGB信號），那麼ldb顯然是要被”disabled”了，而lcd顯然是”okay”，並且lcd的native-mode選擇了我們剛剛添加的時序
有時，除了時序之外，顯示的模式可能也需要設置，比如某個屏幕需要jeida的data-mapping模式，而我們項目中的dtsi中並未設置過：

ldb: ldb@020e0008 {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    gpr = <&gpr>;
    status = "disabled";

    lvds-channel@0 {
        reg = <0>;
        status = "disabled";
    };

那麼在我們項目的dts中就要對其進行引用，並設置（類似於重寫）

&ldb {
    status = "okay";
    lvds-channel@0 {
        native-mode = <&SHARP_LQ123B5LW>;
        fsl,data-mapping = "jeida";
        status = "okay";
    };
};

5.修改logo顯示（2.6版本內核）

注意：本段關於logo顯示的ne
當kernel啓動，在probe函數運行時，一般會往fb中輸出一個小企鵝logo（開發板廠商可能會改成其他的）。很多時候產品是不需要這個企鵝logo的，我們要學會去修改它

在probe函數中，我們可以發現調用了顯示logo的相關代碼，下面是三星寫的，其他廠家應該也不會有很大的區別：

#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

不難發現如果要讓logo消失，只需要讓CONFIG_LOGO不被定義即可，即在menuconfig中配置，或者直接修改xxxdefconfig
那麼如果我們想要添加另外的logo呢？linux的啓動logo全部放在drivers/video/logo/下，而且都是以一種專門的格式存在的，稱之爲ppm格式。我們可以使用專門的工具把png格式圖片轉成ppm格式，ubuntu裏也有這個工具，網上教程很多
假設添加完了，我們要選擇該logo，怎麼選擇？很簡單，這些logo也是由kconfig管理的，我們只要在drivers/video/logo/下的kconfig和makefile中照葫蘆畫瓢，添加我們的logo，然後就能在menuconfig中選擇了！
有時，我們做了一個很小的logo，比屏幕像素小得多，它會被系統放到屏幕左上角。那麼如何把它放到屏幕正中央呢？有兩種思路，第一種方法是把logo的整個畫面做的和屏幕分辨率一樣大小，這樣自然就對齊到中間了；第二種方法是修改顯示logo函數的參數。首先找到probe函數中的fb_show_logo，在進去一層，找到fb_show_logo_line，查看其定義，發現裏面有兩行：

image.dx = 0;
image.dy = y;

這便是logo圖像的座標偏移量，只需改成恰當的值即可讓logo顯示到中央了

/*********************************************************************************************/

b_fix_screeninfo 和 fb_var_screeninfo

fb_fix_screeninfo 和 fb_var_screeninfo 都和 frame buffer 有關。

結構體的成員變量

[cpp]view
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 print?

struct fb_fix_screeninfo {  

    char id[16];            /* identification string eg "TT Builtin" */  

    unsigned long smem_start;   /* Start of frame buffer mem */  

                    /* (physical address) */  

    __u32 smem_len;         /* Length of frame buffer mem */  

    __u32 type;         /* see FB_TYPE_*        */  

    __u32 type_aux;         /* Interleave for interleaved Planes */  

    __u32 visual;           /* see FB_VISUAL_*      */   

    __u16 xpanstep;         /* zero if no hardware panning  */  

    __u16 ypanstep;         /* zero if no hardware panning  */  

    __u16 ywrapstep;        /* zero if no hardware ywrap    */  

    __u32 line_length;      /* length of a line in bytes    */  

    unsigned long mmio_start;   /* Start of Memory Mapped I/O   */  

                    /* (physical address) */  

    __u32 mmio_len;         /* Length of Memory Mapped I/O  */  

    __u32 accel;            /* Indicate to driver which */  

                    /*  specific chip/card we have  */  

    __u16 reserved[3];      /* Reserved for future compatibility */  

};

結構體的成員變量

[cpp]view
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 print?

struct fb_var_screeninfo {  

    __u32 xres;         /* visible resolution       */  

    __u32 yres;  

    __u32 xres_virtual;     /* virtual resolution       */  

    __u32 yres_virtual;  

    __u32 xoffset;          /* offset from virtual to visible */  

    __u32 yoffset;          /* resolution           */  

    __u32 bits_per_pixel;       /* guess what           */  

    __u32 grayscale;        /* != 0 Graylevels instead of colors */  

    struct fb_bitfield red;     /* bitfield in fb mem if true color, */  

    struct fb_bitfield green;   /* else only length is significant */  

    struct fb_bitfield blue;  

    struct fb_bitfield transp;  /* transparency         */    

    __u32 nonstd;           /* != 0 Non standard pixel format */  

    __u32 activate;         /* see FB_ACTIVATE_*        */  

    __u32 height;           /* height of picture in mm    */  

    __u32 width;            /* width of picture in mm     */  

    __u32 accel_flags;      /* (OBSOLETE) see fb_info.flags */  

    /* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */  

    __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 reserved[5];      /* Reserved for future compatibility */  

};

fb_fix_screeninfo 的 line_length 成員，含義是一行的 size，以字節數表示，就是屏幕的寬度。

結構fb_var_screeninfo定義了視頻硬件一些可變的特性。這些特性在程序運行期間可以由應用程序動態改變

6.在LCD上劃線

***************************************************************************************************************************************

[cpp]view
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 print?

#include <stdlib.h>  

#include <unistd.h>  

#include <stdio.h>  

#include <fcntl.h>  

#include <linux/fb.h>  

#include <linux/kd.h>  

#include <sys/mman.h>  

#include <sys/ioctl.h>  

#include <sys/time.h>  

#include <string.h>  

#include <errno.h>  

struct fb_var_screeninfo vinfo;  

struct fb_fix_screeninfo finfo;  

char *frameBuffer = 0;  

//打印fb驅動中fix結構信息，注：在fb驅動加載後，fix結構不可被修改。  

void printFixedInfo ()  

{  

   printf ("Fixed screen info:\n"  

                        "\tid: %s\n"  

                        "\tsmem_start:0x%lx\n"  

                        "\tsmem_len:%d\n"  

                        "\ttype:%d\n"  

                        "\ttype_aux:%d\n"  

                        "\tvisual:%d\n"  

                        "\txpanstep:%d\n"  

                        "\typanstep:%d\n"  

                        "\tywrapstep:%d\n"  

                        "\tline_length: %d\n"  

                        "\tmmio_start:0x%lx\n"  

                        "\tmmio_len:%d\n"  

                        "\taccel:%d\n"  

           "\n",  

           finfo.id, finfo.smem_start, finfo.smem_len, finfo.type,  

           finfo.type_aux, finfo.visual, finfo.xpanstep, finfo.ypanstep,  

           finfo.ywrapstep, finfo.line_length, finfo.mmio_start,  

           finfo.mmio_len, finfo.accel);  

}  

//打印fb驅動中var結構信息，注：fb驅動加載後，var結構可根據實際需要被重置  

void printVariableInfo ()  

{  

   printf ("Variable screen info:\n"  

                        "\txres:%d\n"  

                        "\tyres:%d\n"  

                        "\txres_virtual:%d\n"  

                        "\tyres_virtual:%d\n"  

                        "\tyoffset:%d\n"  

                        "\txoffset:%d\n"  

                        "\tbits_per_pixel:%d\n"  

                        "\tgrayscale:%d\n"  

                        "\tred: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"  

                        "\tgreen: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"  

                        "\tblue: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"  

                        "\ttransp: offset:%2d, length: %2d, msb_right: %2d\n"  

                        "\tnonstd:%d\n"  

                        "\tactivate:%d\n"  

                        "\theight:%d\n"  

                        "\twidth:%d\n"  

                        "\taccel_flags:0x%x\n"  

                        "\tpixclock:%d\n"  

                        "\tleft_margin:%d\n"  

                        "\tright_margin: %d\n"  

                        "\tupper_margin:%d\n"  

                        "\tlower_margin:%d\n"  

                        "\thsync_len:%d\n"  

                        "\tvsync_len:%d\n"  

                        "\tsync:%d\n"  

                       "\tvmode:%d\n"  

           "\n",  

           vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.xres_virtual, vinfo.yres_virtual,  

           vinfo.xoffset, vinfo.yoffset, vinfo.bits_per_pixel,  

           vinfo.grayscale, vinfo.red.offset, vinfo.red.length,  

            vinfo.red.msb_right,vinfo.green.offset, vinfo.green.length,  

           vinfo.green.msb_right, vinfo.blue.offset, vinfo.blue.length,  

           vinfo.blue.msb_right, vinfo.transp.offset, vinfo.transp.length,  

           vinfo.transp.msb_right, vinfo.nonstd, vinfo.activate,  

           vinfo.height, vinfo.width, vinfo.accel_flags, vinfo.pixclock,  

           vinfo.left_margin, vinfo.right_margin, vinfo.upper_margin,  

           vinfo.lower_margin, vinfo.hsync_len, vinfo.vsync_len,  

           vinfo.sync, vinfo.vmode);  

}

下面纔是我們的重點，這個代碼是我自己參考別人畫矩形的代碼改過來的

[cpp]view
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 print?

//畫一條直線  

void drawline_rgb16 (int x0,int y0, int width,int height, int color,int flag0)  

{  

   const int bytesPerPixel = 2;//因爲是rgb16，用16位來描述色深，所以2個字節  

   const int stride = finfo.line_length / bytesPerPixel;，一行有多少個點  

   const int red = (color & 0xff0000) >> (16 + 3);//下面是顏色的操作，我目前還沒弄明白  

   const int green = (color & 0xff00) >> (8 + 2);  

   const int blue = (color & 0xff) >> 3;  

   const short color16 = blue | (green << 5) | (red << (5 +6));  

   int flag=flag0;//這裏我爲了圖個方便就用一個flag來區分是畫橫線還是豎線，0表示橫線，1表示豎線。  

   short *dest = (short *) (frameBuffer)+ (y0 + vinfo.yoffset) * stride + (x0 +vinfo.xoffset);//這個就是我們畫點的起始位置，其+stride就是換行（這個是我個人通過代碼測試得出來的結論）  

   int x=0,y=0;  

   if(flag==0)  

   {       

   for (x = 0; x < width; ++x)//width就是我們x方向的終點  

       {  

           dest[x] = color16;  

       }  

   }  

   else if(flag==1)  

   {  

       for(y=0;y<height;y++)//height就是我們y方向的終點  

       {  

           dest[x]=color16;//這裏x始終爲0，和下面一句結合起來就是每一行就畫一個點，一共畫height行，不就是一條豎線了麼，這裏我還思考了很久。  

           dest +=stride;  

       }  

   }  

}

解釋：我的屏的lcd分辨率是480*272，分辨率的意思是一行有480個點，一共有272行，其實屏蔽上都是一個個點組成的，在上面畫線的意思並不是真正意思上的拿一支筆畫線。打個比方來說你你把一行中80-180個點都改成紅色（我們屏蔽不是黑色麼），改完你就可以看見一條紅線了，感覺就是畫了一條紅色的直線對不對？

而且“上色”是從左到右一個點一個點，一行一行“上色”的，屏幕的座標系如下圖所示：

[cpp]view
plain copy
 print?

short *dest = (short *) (frameBuffer)+ (y0 + vinfo.yoffset) * stride + (x0 +vinfo.xoffset);  

上面這一行代碼的具體意思就是定位到（x0,y0）這個座標，也就是我們要畫的其實位置

可以下面這個代碼畫一個矩形。

[cpp]view
plain copy
 print?

//畫大小爲width*height的同色矩陣，5reds+6greens+5blues  

void drawRect_rgb16 (int x0, int y0, int width,int height, int color)  

{  

   const int bytesPerPixel = 2;  

   const int stride = finfo.line_length / bytesPerPixel;  

   const int red = (color & 0xff0000) >> (16 + 3);  

   const int green = (color & 0xff00) >> (8 + 2);  

   const int blue = (color & 0xff) >> 3;  

   const short color16 = blue | (green << 5) | (red << (5 +6));  

   short *dest = (short *) (frameBuffer)+ (y0 + vinfo.yoffset) * stride + (x0 +vinfo.xoffset);  

   int x, y;  

   for (y = 0; y < height; ++y)  

    {  

       for (x = 0; x < width; ++x)  

       {  

           dest[x] = color16;  

       }  

       dest += stride;  

    }  

}

下面是main函數：

[cpp]view
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 print?

int main (int argc, char **argv)  

{  

   const char *devfile = "/dev/fb0";  

   long int screensize = 0;  

   int fbFd = 0;  

   /* Open the file for reading and writing */  

   fbFd = open (devfile, O_RDWR);  

   if (fbFd == -1)  

    {  

       perror ("Error: cannot open framebuffer device");  

       exit (1);  

    }  

   //獲取finfo信息並顯示  

   if (ioctl (fbFd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo) == -1)  

    {  

       perror ("Error reading fixed information");  

       exit (2);  

    }  

   printFixedInfo ();  

   //獲取vinfo信息並顯示  

   if (ioctl (fbFd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo) == -1)  

    {  

       perror ("Error reading variable information");  

       exit (3);  

    }  

   printVariableInfo ();  

   /* Figure out the size of the screen in bytes */  

   screensize = finfo.smem_len;//fb的緩存長度  

   /* Map the device to memory */  

    frameBuffer =(char *) mmap (0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fbFd, 0);  

    if (frameBuffer == MAP_FAILED)  

       {  

           perror ("Error: Failed to map framebuffer device to memory");  

           exit (4);  

       }  

       //drawRect_rgb16 (vinfo.xres *3 / 8, vinfo.yres * 3 / 8,vinfo.xres / 4, vinfo.yres / 4,0xff00ff00);//實現畫矩形  

       drawline_rgb16(50,80,260,0,0xffff0000,0);  

       drawline_rgb16(160,10,0,180,0xff00ff00,1);//可以畫出一個交叉的十字，座標都是自己設的。  

       sleep (2);  

       printf (" Done.\n");  

       munmap (frameBuffer, screensize);   //解除內存映射，與mmap對應  

       close (fbFd);  

       return 0;  

}

用一個流程圖還說明一下mian函數吧

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這裏最重要的就是mmap這個函數了

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

addr指定文件應被映射到進程空間的起始地址，一般被指定一個空指針，此時選擇起始地址的任務留給內核來完成。函數的返回值爲最後文件映射到進程空間的地址，進程可直接操作起始地址爲該值的有效地址。

len是映射到調用進程地址空間的字節數，它從被映射文件開頭offset個字節開始算起。
prot參數指定共享內存的訪問權限。可取如下幾個值的或：PROT_READ（可讀）,PROT_WRITE（可寫）,PROT_EXEC（可執行）,PROT_NONE（不可訪問）。
flags由以下幾個常值指定：MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_FIXED。其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必選其一，而MAP_FIXED則不推薦使用。
如果指定爲MAP_SHARED，則對映射的內存所做的修改同樣影響到文件。如果是MAP_PRIVATE，則對映射的內存所做的修改僅對該進程可見，對文件沒有影響。
offset參數一般設爲0，表示從文件頭開始映射。

mmap使得進程之間通過映射同一個普通文件實現共享內存。普通文件被映射到進程地址空間後，進程可以像訪問普通內存一樣對文件進行訪問，不必再調用read()，write（）等操作。

再來看看我們代碼中的mmap的實例

frameBuffer =(char *) mmap (0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fbFd, 0);

前面我們不是說了frambuffer就是linux內核驅動申請的一片內存空間，lcd驅動將frambuffer的地址通過mmap（）將這片內存映射到應用程序空間，這樣我們寫入到fb的數據就寫入到內核驅動裏的frambuffer中去了，而lcd 的dma就將這些數據寫入到lcd的sram中，從而顯示在lcd上.

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