代码收藏家技术教程 2024-09-04

Framebuffer驱动全面解析

1. LCD简介

1.1 LCD屏幕

LCD由一个一个像素组成：每行有xres个像素，有yres行，它的分辨率是：xres * yres。

只要我们能控制任意一个像素的颜色，就可以在LCD上绘制文字、图片。

1.2 像素的颜色表示

用红绿蓝三颜色来表示，可以用24位数据来表示红绿蓝，也可以用16位等等格式，比如：

bpp：bits per pixel，每个像素用多少位来表示

24bpp：实际上会用到32位，其中8位未使用，其余24位中分别用8位表示红(R)、绿(G)、蓝(B)

16bpp：有rbg565，rgb555

rgb565：用5位表示红、6位表示绿、5位表示蓝

rgb555：16位数据中用5位表示红、5位表示绿、5位表示蓝，浪费一位

发送颜色过程：假设每个像素的颜色用16位来表示，那么一个LCD的所有像素点假设有xres * y res个，需要的内存为：xres * yres * 16 / 8，也就是要设置所有像素的颜色，需要这么大小的内存。这块内存就被称为framebuffer：

Framebuffer中每块数据对应一个像素

每块数据的大小可能是16位、32位，这跟LCD上像素的颜色格式有关

设置好LCD硬件后，只需要把颜色数据写入Framebuffer即可

1.3 从驱动角度理解LCD

驱动工程师对LCD的理解要深入硬件，比如要回答这几个问题：

Framebuffer在哪里？

谁把Framebuffer中的数据发给LCD？

统一的LCD硬件模型：

有一个MIPI标准：

MIPI表示Mobile Industry Processor Interface，即移动产业处理器接口。是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准和一个规范。主要是手机内部的接口（摄像头、显示屏接口、射频/基带接口）等标准化，从而减少手机内部接口的复杂程度及增加设计的灵活性。

对于LCD，MIPI接口可以分为3类：

MIPI-DBI (Display Bus Interface)：

这种接口是一种并行接口，能够同时发送数据和命令。

它通常用于传统的LCD显示技术，与8080、6800等并行接口类似。

DBI接口支持多种数据宽度，包括8位、9位、16位、18位和24位，以适应不同的颜色深度和显示需求。

MIPI-DPI (Display Pixel Interface)：

DPI接口专注于像素级别的操作，通常用于集成在微处理器单元（MPU）上的LCD控制器。

这种接口支持不同的颜色深度，包括：

24位每像素（R：8位，G：8位，B：8位）

18位每像素（R：6位，G：6位，B：6位）

16位每像素（R：5位，G：6位，B：5位）

DPI接口允许更精细的像素控制，适用于需要高色彩精度的显示应用。

MIPI-DSI (Display Serial Interface)：

DSI接口是一种串行接口，与传统的并行接口相比，它需要更少的接口线，有助于减少设计复杂性和成本。

DSI接口支持单数据通道，最大速度可达500Mbps，足以应对高分辨率和高刷新率的显示需求。

它支持DSI版本1.01，提供了一套标准化的通信协议，以实现高效的数据传输和显示控制。

每种MIPI接口都有其特定的应用场景和优势：

MIPI-DBI适用于需要并行数据传输的传统LCD显示技术。

MIPI-DPI适用于集成在MPU中，需要精细控制像素的LCD控制器。

MIPI-DSI则以其高效的串行数据传输和较少的接口线，在现代移动设备中得到广泛应用。

2. Framebuffer驱动程序框架

2.1 如何编写字符设备驱动程序

字符驱动流程如图所示，一般编写字符驱动程序有以下步骤：

驱动主设备号

构造file_operations结构体，填充open/read/write等成员函数

注册驱动：register_chrdev(major, name, &fops)

入口函数

出口函数

2.2 Framebuffer驱动程序框架

概述：分为上下两层：

fbmem.c：承上启下

实现、注册file_operations结构体

把APP的调用向下转发到具体的硬件驱动程序

xxx_fb.c：硬件相关的驱动程序

实现、注册fb_info结构体

实现硬件操作

Framebuffer驱动程序框架主要分为两个层次：核心层和硬件相关层。下面是这两个层次的简要概述和关键组件：

1. 核心层（fbmem.c）

核心层主要负责处理与VFS（虚拟文件系统）的交互，以及将应用程序的调用转发到具体的硬件驱动程序。这一层通常包含以下组件：

file_operations结构体：定义了针对Framebuffer的特殊文件操作，例如open(), release(), ioctl(), mmap()等。这些操作处理来自用户空间的请求。

帧缓冲区管理：管理帧缓冲区的内存分配和释放。这可能包括请求内存区域、处理内存映射等。

事件处理：处理与Framebuffer相关的各种事件，如模式变化、显示关闭和打开等。

数据转发：将应用程序的调用（如读写操作）转发到具体的硬件驱动程序。

2. 硬件相关层（xxx_fb.c）

硬件相关层专注于与特定硬件的交互。这一层通常包含以下组件：

fb_info结构体：包含了Framebuffer的所有必要信息，如屏幕大小、颜色深度、帧缓冲区的物理地址等。

硬件操作：实现对硬件的具体操作，包括但不限于：

初始化和配置LCD控制器。

配置屏幕的分辨率、颜色深度等参数。

控制屏幕的开启和关闭。

数据传输：实现数据从CPU内存到Framebuffer的传输，以及可能的DMA（直接内存访问）操作。

中断处理：如果硬件支持中断，注册并实现中断服务例程，以处理例如垂直同步等事件。

注册和注销：在驱动程序加载和卸载时，注册和注销fb_info结构体。

2.3. 怎么编写Framebuffer驱动程序

概述：

分配fb_info

framebuffer_alloc

设置fb_info

var

fbops

硬件相关操作

注册fb_info

register_framebuffe

在Linux内核中，分配和设置fb_info结构体以及注册Framebuffer设备通常涉及以下步骤：

1. 分配`fb_info`

使用framebuffer_alloc()函数从内核内存中分配fb_info结构体的内存。这个函数通常分配一个足够大的内存块，用于存储fb_info结构体以及Framebuffer设备的私有数据。

这里sizeof(struct myfb_data)指定了需要分配的额外内存大小，用于存储特定于驱动程序的数据。

2. 初始化`fb_info`

设置fb_info结构体的基本属性，包括指向文件操作的指针、固定屏幕信息、可变屏幕信息等。

其中固定屏幕信息和可变屏幕信息是指：

在Linux Framebuffer API中，"固定屏幕信息"（fb_fix_screeninfo）和"可变屏幕信息"（fb_var_screeninfo）是两个关键的结构体，它们分别描述了Framebuffer的一些固定属性和可变属性：

固定屏幕信息（fb_fix_screeninfo）

fb_fix_screeninfo结构体包含了一些关于Framebuffer的固定属性，这些属性在设备运行时通常不会改变。这些信息通常由Framebuffer驱动程序设置，并且在注册Framebuffer时提供给内核。固定屏幕信息主要包括：

id：Framebuffer设备的标识符。

smem_start：Framebuffer内存的起始物理地址。

smem_len：Framebuffer内存的长度。

type：Framebuffer的类型（例如，真彩色、伪彩色等）。

visual：颜色视觉类型（例如，真彩色、伪彩色、直接色等）。

xpanstep和ypanstep：水平和垂直的扫描线长度，决定了屏幕的水平和垂直分辨率。

ywrapstep：用于硬件支持的行间隔。

line_length：每行的字节长度。

可变屏幕信息（fb_var_screeninfo）

fb_var_screeninfo结构体定义了Framebuffer的一些可变属性，这些属性可以由用户空间程序通过ioctl调用来改变。可变屏幕信息主要包括：

xres和yres：屏幕的水平和垂直分辨率。

xres_virtual和yres_virtual：虚拟屏幕的分辨率，用于支持硬件加速的滚动。

bits_per_pixel：每个像素的位数。

red、green、blue：颜色分量的掩码和位移。

transp：透明度掩码和位移（如果支持）。

nonstd：非标准模式标志。

activate：激活方式。

在Framebuffer驱动程序中，fb_fix_screeninfo和fb_var_screeninfo通常在驱动加载时初始化，并在注册Framebuffer时作为参数传递给fb_info结构体。这样，当用户空间程序需要查询或设置屏幕参数时，它们可以通过读取或写入fb_info结构体来获取这些信息。

3. 设置`var`结构体

var结构体（fb_var_screeninfo）定义了屏幕的可变参数，如分辨率、颜色深度、虚拟宽度等。

4. 设置`fbops`结构体

fbops（struct fb_ops）定义了Framebuffer的操作函数，如fb_open(), fb_release(), fb_ioctl()等。

5. 硬件相关操作

实现与硬件交互的函数，包括初始化硬件、设置显示模式、数据传输等。

6. 注册`fb_info`

使用register_framebuffer()函数将fb_info注册到内核中，使其成为系统的一部分。

7. 清理和注销

在模块卸载时，需要注销Framebuffer并释放分配的资源。

注意事项：

在使用framebuffer_alloc()时，确保提供了足够的内存来存储私有数据。

在设置fb_var_screeninfo时，确保所有参数都符合硬件能力，并且正确反映了屏幕的特性。

在实现fbops中的函数时，确保它们能够正确地处理来自用户空间的请求。

在注册Framebuffer之前，确保所有必要的初始化工作都已完成。

Framebuffer驱动程序的编写需要对Linux内核的Framebuffer API有深入的了解，以及对所操作的硬件有充分的认识。

3. 编写 Framebuffer_程序框架

通用CFB（Color Frame Buffer）函数：是一组预先定义好的Framebuffer操作函数，它们提供了对Framebuffer进行基本图形操作的能力。这些函数通常在Linux内核的Framebuffer驱动框架中作为默认实现提供，以简化驱动程序的编写。

CFB函数的实现通常考虑了不同颜色深度和像素格式，使得它们可以在多种硬件配置上工作。这些函数作为Framebuffer驱动程序的fb_ops结构体的一部分，当驱动程序注册Framebuffer设备时，它们会被关联到fb_info结构体上。在驱动程序的fb_ops中指定CFB函数，可以让内核知道如何操作Framebuffer进行基本的图形绘制。例如，当用户空间的应用程序请求绘制一个填充矩形时，内核会调用fb_ops中的fb_fillrect函数来执行这个操作。使用CFB函数的好处是它们已经被优化和测试过，可以直接用于多种显示硬件。然而，如果需要更高性能或特殊功能的图形操作，可能需要编写特定硬件的Framebuffer操作函数来替代这些通用函数。

/驱动程序的初始化入口函数:

分配fb_info指的是分配内存给要注册的framebuffer设备。

设置fb_info指的是设置可变屏幕参数，RGB的偏移量和长度（即驱动支持的是哪种格式图片，图片数据中红绿蓝的相应位置），c分配内存：这些操作的目的是为Framebuffer设备分配一块内存，这块内存将用于存储屏幕上显示的像素数据。通过分配DMA一致性内存，可以确保硬件设备（如图形加速器或LCD控制器）能够高效地访问这些数据，从而提高显示性能。