Linux应用开发第一章Framebuffer应用开发
Posted 韦东山
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux应用开发第一章Framebuffer应用开发相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章目录
1 Framebuffer应用开发
1.1 LCD Framebuffer操作原理
LCD Framebuffer 就是一块显存，在嵌入式系统中，显存是被包含在内存中。LCD Framebuffer里的若干字节（根据驱动程序对LCD控制器的配置而定）表示LCD屏幕中的一个像素点，一一对应整个LCD屏幕。举个例子，LCD屏幕是800*600的分辨率，即LCD屏幕存在480000个像素点，若每个像素点4个字节表示，那么LCD Framebuffer显存大小为480000 *4=960000字节，即1.92MB。因此我们的内存将会分割至少1.92MB的空间用作显存。具体地址在哪里，这个就是又驱动程序去定，应用程序只需直接使用即可，硬件相关操作已由驱动程序封装好。
如上图，我们只需要往Framebuffer中填入不同的值，驱动程序和硬件控制器就会把这些数据传输到对应LCD屏幕上的像素点，从而显示不同的颜色。由此可知，我们应用程序只需要针对Framebuffer操作即可，其他交给驱动程序和硬件。
1.2 Framebuffer API接口
1.2.1 open系统调用
头文件：#include <sys/types.h>，#include <sys/stat.h>，#include <fcntl.h>
函数原型：
- int open(const char *pathname, int flags);
- int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
函数说明：
-
pathname 表示打开文件的路径；
-
Flags表示打开文件的方式，常用的有以下6种，
①：O_RDWR表示可读可写方式打开;
②：O_RDONLY表示只读方式打开;
③：O_WRONLY表示只写方式打开;
④：O_APPEND 表示如果这个文件中本来是有内容的，则新写入的内容会接续到原来内容的后面;
⑤：O_TRUNC表示如果这个文件中本来是有内容的，则原来的内容会被丢弃，截断；
⑥：O_CREAT表示当前打开文件不存在，我们创建它并打开它，通常与O_EXCL结合使用，当没有文件时创建文件，有这个文件时会报错提醒我们；
Mode表示创建文件的权限，只有在flags中使用了O_CREAT时才有效，否则忽略。
返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。
1.2.2 ioctl系统调用
头文件：#include <sys/ioctl.h>
函数原型：
- int ioctl(int fd, unsigned long request, …);
函数说明：
- fd 表示文件描述符；
- request表示与驱动程序交互的命令，用不同的命令控制驱动程序输出我们需要的数据；
- … 表示可变参数arg，根据request命令，设备驱动程序返回输出的数据。
返回值：打开成功返回文件描述符，失败将返回-1。
1.2.3 mmap系统调用
头文件：#include <sys/mman.h>
函数原型：
- void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
函数说明：
-
addr表示指定映射的內存起始地址，通常设为 NULL表示让系统自动选定地址，并在成功映射后返回该地址；
-
length表示将文件中多大的内容映射到内存中；
-
prot 表示映射区域的保护方式，可以为以下4种方式的组合
①PROT_EXEC 映射区域可被执行
②PROT_READ 映射区域可被读写
③PROT_WRITE 映射区域可被写入
④PROT_NONE 映射区域不能存取
-
Flags 表示影响映射区域的不同特性，常用的有以下两种
①MAP_SHARED 表示对映射区域写入的数据会复制回文件内，原来的文件会改变。
②MAP_PRIVATE 表示对映射区域的操作会产生一个映射文件的复制，对此区域的任何修改都不会写回原来的文件内容中。
返回值：若成功映射，将返回指向映射的区域的指针，失败将返回-1。
1.3 在LCD上描点操作
1.3.1 在LCD上显示点阵理论基础
如上图，当我们需要显示一个字母‘A’时，是通过判断点阵的每一个位数值状态，来填充颜色，达到显示字符效果。其中‘1’表示一种颜色，‘0’表示填充另一种颜色。上图的是8*16的点阵，我们也可以用其他不同大小点阵，只要有这个点阵，我们就可以在LCD上面描点，达到显示字符的效果。
1.3.2 获取fb_var_screeninfo结构体
在用点阵显示字符之前，我们需要先从设备fb0中获取相关的LCD信息，下图截取我们将用到的fb_info结构体部分内容。
通过系统调用ioctl，获取xres(x方向总像素点)，yres（y方向总像素点），bits_per_pixel（每个像素点占据的位数），根据获取的三个资源，外加点阵，根据这四个资源，我们就可以显示一个字符。
程序文件：show_ascii.c
4718 fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
4719 if (fd_fb < 0)
4720
4721 printf("can't open /dev/fb0\\n");
4722 return -1;
4723
4724 if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
4725
4726 printf("can't get var\\n");
4727 return -1;
4728
先打开LCD设备（fb0），获得文件描述符，再通过ioctl获取fb_var_screeninfo信息并保存在var变量，后续只需访问var这个结构体，就可以获得xres(x方向总像素点)，yres（y方向总像素点），bits_per_pixel（每个像素点占据的位数）这三个关于fb0的资源。
1.3.3 根据fb_var_screeninfo计算变量
fb_var_screeninfo已保存在var结构体变量中，接着来访问var结构体变量即可
根据xres与bits_per_pixel算出每行像素点所占据的字节数
程序文件：show_ascii.c
4730 line_width = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;
根据bits_per_pixel算出每个像素点所占据的字节数
程序文件：show_ascii.c
4731 pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;
根据xres，yres，bits_per_pixel算出全部像素点所占据的字节总和
程序文件：show_ascii.c
4732 screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;
1.3.4 使用mmap系统调用，映射内存
程序文件：show_ascii.c
4733 fbmem = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
4734 if (fbmem == (unsigned char *)-1)
4735
4736 printf("can't mmap\\n");
4737 return -1;
4738
4739
4740 /* 清屏: 全部设为黑色 */
4741 memset(fbmem, 0, screen_size);
调用mmap将显存映射在内存中，以可读可写（PROT_READ | PROT_WRITE）及内存回写（MAP_SHARED）的方式映射，从而获得一个指向映射在内存空间的首地址fbmem，后续操作就是在这个首地址的基础上计算各种不同的偏移量，填充颜色值。
1.3.5 描点函数编写
程序文件：show_ascii.c
4641 void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
描点函数有3个参数，x坐标，y坐标，像素点颜色值。
程序文件：show_ascii.c
4643 unsigned char *pen_8 = fbmem+y*line_width+x*pixel_width;
4644 unsigned short *pen_16;
4645 unsigned int *pen_32;
4646
4647 unsigned int red, green, blue;
4648
4649 pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
4650 pen_32 = (unsigned int *)pen_8;
在此处函数参数x与y表示的是像素点的坐标，而单个像素点所占据的显存大小可能会有不同的情况出现，如1字节表示一个像素点，2字节表示一个像素点，4字节表示一个像素点等，为了更多的兼容不同的情况，因此申请3个指针，pen_8指向的是占据1个字节的像素点空间, pen_16指向的是占据2个字节的像素点空间，pen_32指向的是占据4个字节的像素点空间。
fbmem是系统调用mmap返回的显存首地址，根据fbmem计算填充颜色的内存空间。
当像素点占据1个字节空间时
对应描点地址= fbmem+Y * 一行所占据的字节数 + x * 每个像素点所占据的字节数
程序文件：show_ascii.c
4652 switch (var.bits_per_pixel)
4653
4654 case 8:
4655
4656 *pen_8 = color;
4657 break;
4658
4659 case 16:
4660
4661 /* 565 */
4662 red = (color >> 16) & 0xff;
4663 green = (color >> 8) & 0xff;
4664 blue = (color >> 0) & 0xff;
4665 color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
4666 *pen_16 = color;
4667 break;
4668
4669 case 32:
4670
4671 *pen_32 = color;
4672 break;
4673
4674 default:
4675
4676 printf("can't surport %dbpp\\n", var.bits_per_pixel);
4677 break;
4678
4679
4680
根据设备fb0实际的bits_per_pixel值，选择对应的pen（pen_8，pen_16，pen_32其中一个），最后把color颜色变量传入选择的pen中。
1.4 在LCD上使用点阵写字
1.4.1 在LCD上显示英文字母
①找出英文字母在点阵数组中的地址，c所代表的是一个英文字母（ASCII值）。
程序文件：show_ascii.c
4693 unsigned char *dots = (unsigned char *)&fontdata_8x16[c*16];
②根据获得的英文字母点阵，每一位依次判断，描点，‘1’表示白色，‘0’表示黑色。
根据上图，我们分析下如何利用点阵在LCD上显示一个英文字母，因为有十六行，所以首先要有一个循环16次的大循环，然后每一行里有8位，那么在每一个大循环里也需要一个循环8次的小循环，小循环里的判断单行的描点情况，如果是1，就填充白色，如果是0就填充黑色，如此一来，就可以显示出黑色底，白色轮廓的英文字母。
程序文件：show_ascii.c
4697 for (i = 0; i < 16; i++)
4698
4699 byte = dots[i];
4700 for (b = 7; b >= 0; b--)
4701
4702 if (byte & (1<<b))
4703
4704 /* show */
4705 lcd_put_pixel(x+7-b, y+i, 0xffffff); /* 白 */
4706
4707 else
4708
4709 /* hide */
4710 lcd_put_pixel(x+7-b, y+i, 0); /* 黑 */
4711
4712
4713
③调用我们编写的lcd_put_ascii函数
程序文件：show_ascii.c
4743 lcd_put_ascii(var.xres/2, var.yres/2, 'A'); /*在屏幕中间显示8*16的字母A*/
④编译c文件show_ascii.c
编译命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_ascii show_ascii.c
⑤将编译出来的show_ascii传输到开发板，并进入show_ascii的目录下
执行命令：./show_ascii
如果实验成功，我们将看到屏幕中间会显示出一个白色的字母‘A’。
1.4.2 在LCD上显示汉字
与显示英文字母有点不同，因为汉字的点阵我们是需要通过汉字库提取出来，并没有直接提供点阵数组，因此我们程序开头需要打开汉字库文件(HZK16)，然后再找到相应的位置，提取出汉字的点阵，最后再按显示英文字母一样显示它，不过这个汉字是16*16的。
① 打开汉字库文件
程序文件：show_font.c
4760 fd_hzk16 = open("HZK16", O_RDONLY);
② 获取汉字库文件的属性，存在hzk_stat结构体变量中
程序文件：show_font.c
4793 if(fstat(fd_hzk16, &hzk_stat))
此处主要是用知道该文件的大小，因为后面mmap时需要知道映射的文件大小。
③使用mmap系统调用
程序文件：show_font.c
4798 hzkmem = (unsigned char *)mmap(NULL , hzk_stat.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd_hzk16, 0);
hzkmem与fbmem类似，也是一个指向映射内存的指针，但是它是指向汉字库，方便
后续计算汉字点阵偏移位置用。
④使用汉字库，调出点阵显示汉字
HZK16 字库是符合GB2312标准的16×16点阵字库HZK16的编码，每个字需要32个字节的点阵来表示，例如我们将要显示的‘中’字，编码是D6D0，难道就是2个字节表示吗？不是说32字节吗？D6D0编码是一个类似于索引码，D6是区码，D0是位码，先要找到D6-A1才是真正区，在D6-A1区里找到D0-A1的真正位置，这才是‘中’字点阵的起始位置（减去A1是为了兼容ascii），每一个区有94个汉字。
程序文件：show_font.c
4734 unsigned int area = str[0] - 0xA1;
4735 unsigned int where = str[1] - 0xA1;
4736 unsigned char *dots = hzkmem + (area * 94 + where)*32;
上图是汉字点阵排布的示意图，总共有十六行，因此需要一个循环16次的大循环，考虑到一行有两个字节，我们大循环中加入一个循环2次的循环用于区分是哪个字节，最后判断当前字节的每一位，如果为 ‘1’描白色，如果为‘0’描黑色
程序文件：show_font.c
4740 for (i = 0; i < 16; i++)
4741 for (j = 0; j < 2; j++)
4742
4743 byte = dots[i*2 + j];
4744 for (b = 7; b >=0; b--)
4745
4746 if (byte & (1<<b))
4747
4748 /* show */
4749 lcd_put_pixel(x+j*8+7-b, y+i, 0xffffff); /* 白 */
4750
4751 else
4752
4753 /* hide */
4754 lcd_put_pixel(x+j*8+7-b, y+i, 0); /* 黑 */
4755
4756
4757
⑤调用我们编写的lcd_put_chinese函数
程序文件：show_font.c
4810 printf("chinese code: %02x %02x\\n", str[0], str[1]);
4811 lcd_put_chinese(var.xres/2 + 8, var.yres/2, str);
⑥编译c文件show_font.c
编译命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_font show_font.c
注：使用此命令HZK16文件必须与show_font.C在同一目录下。
⑦将编译出来的show_font传输到开发板，并进入show_font的目录下
执行命令：./show_font
如果实验成功，我们将看到屏幕中间会显示出一个白色的字母‘A’与汉字‘中’，同时在串口打印信息中看到‘中’对应的编码。
chinese code: d6 d0
1.5 搭建freetype相关环境
1.5.1 交叉编译freetype，并安装
①解压freetype源文件
tar xjf freetype-2.4.10.tar.bz2
②进入解压后的freetype-2.4.10目录
cd freetype-2.4.10
③配置freetype-2.4.10
./configure --host=arm-linux-gnueabihf --prefix=/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/
④建个目录，避免后面安装出错提示缺少这个internal目录
mkdir /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype/internal -p
④编译
make
⑤安装
make install
⑥移动freetype头文件，避免以后编译总是需要指定头文件路径
mv /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/
1.5.2 freetype库，头文件移植至开发板
由于100ask开发板已经有freetype相关的库和头文件，因此不需要移植，如果开发板没有freetype库和头文件就需要按以下方法移植
/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/* 复制到开发板的头文件目录中
/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/lib/so 复制到开发板的库文件目录中
注：链接文件需要保持它的链接属性（即加-d选项）。
1.6 使用freetype
1.5.1 矢量字体引入
点阵显示英文字母，汉字时，大小固定，如果放大会有锯齿出现，为了解决这个问题，引用矢量字体。
矢量字体形成分三步，若干的关键点，数学曲线（贝塞尔曲线），填充颜色组合而成。
①假设A字母的关键点如图中的黄色圈圈，确定关键点。
②用数学曲线将关键点都连接起来，成为封闭的曲线。
③最后把封闭空间填满颜色，就显示出一个A字母。
如果需要放大或者缩小字体，关键点的相对位置是不变的，跟进放大比例放大或缩小，但是相对位置不变，好像分数中的1/2 和 2/4，比例是不变的，但是值却大了，类似这个味道。
1.5.2 Freetype理论介绍
开源的Freetype字体引擎库它提供统一的接口来访问多种字体格式文件，从而实现矢量字体显示。我们只需要移植这个字体引擎，调用对应的API接口，提供字体关键点，就可以让freetype库帮我们实现闭合曲线，填充颜色，达到显示矢量字体的目的。
关键点（glyph）存在字体文件中，Windows使用的字体文件在FONTS目录下，扩展名为TTF的都是矢量字库，本次使用实验使用的是新宋字体simsun.ttc。
字体文件结构如上图
Charmaps表示字符映射表，字体文件可能支持哪一些编码，GBK，UNICODE，BIG5还是别的编码，如果字体文件支持该编码，跟进编码，通过charmap，找到对应的glyph，一般而言都支持UNICODE码。
有了以上基础，我们想象一个文字的显示过程
- ①给定一个文字吗‘A’（0x41），‘中’（GBK，UNICODE ,BIG5）可以确定它的编码值；
- ②跟进编码值，从枝头文件中通过charmap找到对应的关键点（glyph）；
- ③设置字体大；
- ④用某些函数把关键点（glyph）缩放为我们设置的字体大小；
- ⑤转换为位图点阵
- ⑥在LCD上显示出来
如上图，参照step1，step2，step3里的内容，可以学习如何使用freetype库，大致总结下，为如下步骤。
①初始化：FT_InitFreetype
②加载（打开）字体Face：FT_New_Face
③设置字体大小：FT_Set_Char_Sizes 或 FT_Set_Pixel_Sizes
④选择charmap：FT_Select_Charmap
⑤根据编码值charcode找到glyph : glyph_index = FT_Get_Char_Index（face，charcode）
⑥根据glyph_index取出glyph：FT_Load_Glyph（face，glyph_index）
⑦转为位图：FT_Render_Glyph
⑧移动或旋转:FT_Set_Transform
1.5.2 在LCD上显示一个矢量字体
我们可以参考上图位置的c程序，编写程序。
①初始化freetype库
程序文件：freetype_show_font.c
4872 error = FT_Init_FreeType( &library ); /* initialize library */
②用freetype库中的FT_New_Face函数创建一个face字体文件对象，保存在&face中
程序文件：freetype_show_font.c
4875 error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /* create face object */
③提取face对象中的glyph，即关键点集
程序文件：freetype_show_font.c
4877 slot = face->glyph;
④设置像素点大小，24*24
程序文件：freetype_show_font.c
4879 FT_Set_Pixel_Sizes(face, 24, 0);
⑤确定坐标
目前我们前面所用的都是LCD的坐标系对应的x与y坐标，然后在freetype上却是使用的笛卡尔坐标系，因此我们还需要转换x与y坐标。
我们将要显示的是‘繁’字，根据上图可知，先计算在lcd坐标系的情况下‘繁’字
的左下角的x坐标与y坐标，因为在笛卡尔坐标中左下角为字符的原点，‘A’是的左上角为整个屏幕的中心点，即（xres/2，yres/2）。
- lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16；lcd_y = var.yres/2 + 16
- 则笛卡尔座标系:x = lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16 ； y = var.yres - lcd_y = var.yres/2 – 16
- 单位是1/64像素，所以需要乘以64
程序文件：freetype_show_font.c
4888 pen.x = (var.xres/2 + 8 + 16) * 64;
4889 pen.y = (var.yres/2 - 16) * 64;
4890
4891 /* set transformation */
4892 FT_Set_Transform( face, 0, &pen);
⑥找到glyph的位置，然后取出，并转换为位图
4895 error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );
4896 if (error)
4897
4898 printf("FT_Load_Char error\\n");
4899 return -1;
4900
FT_Load_Char函数调用替代了上图这3步。
最后把转换出来的位图打印出来，也是参考example1.c编写
程序文件：freetype_show_font.c
4902 draw_bitmap( &slot->bitmap,
4903 slot->bitmap_left,
4904 var.yres - slot->bitmap_top);
程序文件：example1.c
修改上图3处位置
-
Width宽度：因为在LCD上显示，宽度自然就是x方向的像素点数，var.xres；
-
Height高度：因为在LCD上显示，高度自然就是y方向的像素点数，var.yres；
-
用点阵实验中的的描点函数lcd_put_pixel替代image数组
lcd_put_pixel(i, j, bitmap->buffer[q * bitmap->width + p]);
⑥编译C程序文件freetype_show_font.c
编译命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -finput-charset=GBK -fexec-charset=GBK -o freetype_show_font freetype_show_font.c -lfreetype -lm
⑦将编译好的freetype_show_font的文件与simsun.ttc字体文件拷贝至开发板，simsun.ttc字体文件放在freetype_show_font执行文件的上一层目录下，执行以下命令。
执行命令：./freetype_show_font …/simsun.ttc
如果实验成功，我们将看到屏幕中间会比之前实验多出一个蓝色的‘繁’字。
1.5.3 在LCD上令矢量字体旋转某个角度
在实现显示一个矢量字体后，我们可以添加让该字旋转某个角度的功能。
我们根据输入的第二个参数，判断其旋转角度，主要代码还是参照example1.c
根据上图，增加旋转角度功能，旋转的角度由执行命令的第二个参数指定。
程序文件：freetype_show_font_angle.c
/* use 25 degrees */
4894 angle = ( 1.0 * strtoul(argv[2], NULL, 0) / 360 ) * 3.14159 * 2;
4895 /* set up matrix */
4896 matrix.xx = (FT_Fixed)( cos( angle ) * 0x10000L );
4897 matrix.xy = (FT_Fixed)(-sin( angle ) * 0x10000L );
4898 matrix.yx 以上是关于Linux应用开发第一章Framebuffer应用开发的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章