Framebuffer应用编程

1. 引言

Framebuffer 是 Linux 下用于直接操作屏幕显示的机制，开发者可以通过访问 /dev/fb0 设备来控制显示内容。在嵌入式开发或图形驱动开发中，Framebuffer 提供了一种简单而高效的方式进行图像渲染。本篇文章基于 lcd_put_pixel 函数的示例代码，介绍 Framebuffer 的基本操作，包括设备初始化、内存映射、像素绘制和清屏等功能。

2. Framebuffer 设备概述

Framebuffer（帧缓冲区）是操作系统提供的一块内存映射区域，直接对应显示设备的像素数据。用户可以通过 mmap 将该区域映射到用户空间，进而操作屏幕上的像素点。常见的 Framebuffer 设备文件是 /dev/fb0，不同的显示设备可能对应 /dev/fb1、/dev/fb2 等。

3. Framebuffer 设备的初始化

在使用 Framebuffer 之前，首先需要打开设备文件并获取屏幕的基本信息。以下代码实现了 Framebuffer 的初始化：

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;
}

这里使用 open 函数获取 Framebuffer 设备的文件描述符 fd_fb，然后通过 ioctl 调用 FBIOGET_VSCREENINFO 获取屏幕的分辨率、像素位深度等信息。

4. 内存映射

Framebuffer 的核心操作是使用 mmap 将显存映射到用户空间，从而可以直接操作像素数据：

screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL, screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
if (fb_base == (unsigned char *)-1) {
    printf("can't mmap\n");
    return -1;
}

这里 screen_size 计算的是整个屏幕的字节数，mmap 将其映射到 fb_base，通过 fb_base 就可以访问 Framebuffer 进行像素操作。

5. 绘制像素点

lcd_put_pixel 函数用于在指定位置绘制像素点，支持 8 位、16 位（RGB565）和 32 位（ARGB8888）三种颜色格式。

void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color) {
    unsigned char *pen_8 = fb_base + 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 (var.bits_per_pixel) {
        case 8:
            *pen_8 = color;
            break;
        case 16:
            red = (color >> 16) & 0xff;
            green = (color >> 8) & 0xff;
            blue = (color >> 0) & 0xff;
            color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
            *pen_16 = color;
            break;
        case 32:
            *pen_32 = color;
            break;
        default:
            printf("can't support %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
            break;
    }
}

不同位深度的处理

• 8 位模式：直接存储颜色索引值。
• 16 位模式：转换 24 位 RGB 颜色到 RGB565 格式。
• 32 位模式：直接存储完整的 ARGB8888 颜色值。

6. 清屏操作

在 Framebuffer 应用中，清屏通常指将整个屏幕填充为某种颜色。例如，将屏幕全部填充为白色：

memset(fb_base, 0xff, screen_size);

7. 示例：绘制红色像素点

下面的代码在屏幕中央绘制 100 个红色像素点（颜色值 0xFF0000 表示红色）：

for (int i = 0; i < 100; i++) {
    lcd_put_pixel(var.xres / 2 + i, var.yres / 2, 0xFF0000);
}

8. 资源释放

使用完 Framebuffer 之后，需要释放映射的内存并关闭设备文件：

munmap(fb_base, screen_size);
close(fd_fb);

9. 总结

本篇文章介绍了 Linux Framebuffer 的基本概念，并通过示例代码讲解了 Framebuffer 设备的初始化、内存映射、像素绘制和清屏等操作。

关键步骤回顾

1. 打开 Framebuffer 设备 (open /dev/fb0)
2. 获取屏幕信息 (ioctl 获取 fb_var_screeninfo)
3. 内存映射 (mmap 将显存映射到用户空间)
4. 绘制像素点（根据不同位深度处理颜色格式）
5. 清屏 (memset 填充屏幕颜色)
6. 释放资源 (munmap 和 close)

Framebuffer 编程适用于嵌入式 Linux、图形驱动开发和 GUI 渲染，掌握这些基本操作有助于深入理解图形系统的底层机制。