06-Linux帧缓冲相关数据结构与函数
18.2.3 Linux帧缓冲相关数据结构与函数
1．fb_info结构体
帧缓冲设备最关键的一个数据结构体是fb_info结构体（为了便于记忆，我们把它简称为“FBI”），FBI中包括了关于帧缓冲设备属性和操作的完整描述，这个结构体的定义如代码清单18.1所示。
代码清单18.1 fb_info结构体
1 struct fb_info {
2 int node;
3 int flags;
4 struct mutex lock; / 用于open/release/ioctl的锁 /
5 struct fb_var_screeninfo var; /可变参数 /
6 struct fb_fix_screeninfo fix; /固定参数 /
7 struct fb_monspecs monspecs; /显示器标准 /
8 struct work_struct queue; / 帧缓冲事件队列 /
9 struct fb_pixmap pixmap; / 图像硬件mapper /
10 struct fb_pixmap sprite; / 光标硬件mapper /
11 struct fb_cmap cmap; / 目前的颜色表/
12 struct list_head modelist;
13 struct fb_videomode mode; / 目前的video模式 */
14
15 #ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT
16 / 对应的背光设备 /
17 struct backlight_device *bl_dev;
18 / 背光调整 /
19 struct mutex bl_mutex;
20 u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];
21 #endif
22 #ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
23 struct delayed_work deferred_work;
24 struct fb_deferred_io *fbdefio;
25 #endif
26 struct fb_ops fbops; / fb_ops，帧缓冲操作 */
27 struct device device; / 父设备 */
28 struct device dev; / fb设备 */
29 int class_flag; / 私有sysfs标志 /
30 #ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
31 struct fb_tile_ops tileops; / 图块Blitting */
32 #endif
33 char _ _iomem screen_base; / 虚拟基地址 */
34 unsigned long screen_size; / ioremapped的虚拟内存大小 /
35 void pseudo_palette; / 伪16色颜色表 */
36 #define FBINFO_STATE_RUNNING 0
37 #define FBINFO_STATE_SUSPENDED 1
38 u32 state; / 硬件状态，如挂起 /
39 void *fbcon_par;
40 void *par;
41 };
FBI中记录了帧缓冲设备的全部信息，包括设备的设置参数、状态以及操作函数指针。每一个帧缓冲设备都必须对应一个FBI。
2．fb_ops结构体
FBI的成员变量fbops为指向底层操作的函数的指针，这些函数是需要驱动程序开发人员编写的，其定义如代码清单18.2所示。
代码清单18.2 fb_ops结构体
1 struct fb_ops {
2 struct module *owner;
3 / 打开/释放 /
4 int(fb_open)(struct fb_info info, int user);
5 int(fb_release)(struct fb_info info, int user);
6
7 / 对于非线性布局的/常规内存映射无法工作的帧缓冲设备需要 /
8 ssize_t(fb_read)(struct file file, char _ _user *buf, size_t count,
9 loff_t*ppos);
10 ssize_t(fb_write)(struct file file, const char _ _user *buf, size_t count,
11 loff_t *ppos);
12
13 / 检测可变参数，并调整到支持的值/
14 int(fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo var, struct fb_info *info);
15
16 / 根据info->var设置video模式 /
17 int(fb_set_par)(struct fb_info info);
18
19 / 设置color寄存器 /
20 int(*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green, unsigned
21 blue, unsigned transp, struct fb_info *info);
22
23 / 批量设置color寄存器，设置颜色表 /
24 int(fb_setcmap)(struct fb_cmap cmap, struct fb_info *info);
25
26 /显示空白 /
27 int(fb_blank)(int blank, struct fb_info info);
28
29 / pan显示 /
30 int(fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo var, struct fb_info *info);
31
32 / 矩形填充 /
33 void(fb_fillrect)(struct fb_info info, const struct fb_fillrect *rect);
34 / 数据复制 /
35 void(fb_copyarea)(struct fb_info info, const struct fb_copyarea *region);
36 / 图形填充 /
37 void(fb_imageblit)(struct fb_info info, const struct fb_image *image);
38
39 / 绘制光标 /
40 int(fb_cursor)(struct fb_info info, struct fb_cursor *cursor);
41
42 / 旋转显示 /
43 void(fb_rotate)(struct fb_info info, int angle);
44
45 / 等待blit空闲 (可选) /
46 int(fb_sync)(struct fb_info info);
47
48 / fb特定的ioctl (可选) /
49 int(fb_ioctl)(struct fb_info info, unsigned int cmd, unsigned long arg);
50
51 / 处理32位的compat ioctl (可选) /
52 int(fb_compat_ioctl)(struct fb_info info, unsigned cmd, unsigned long arg);
53
54 / fb特定的mmap /
55 int(fb_mmap)(struct fb_info info, struct vm_area_struct *vma);
56
57 / 保存目前的硬件状态 /
58 void(fb_save_state)(struct fb_info info);
59
60 / 恢复被保存的硬件状态 /
61 void(fb_restore_state)(struct fb_info info);
62
63 void (fb_get_caps)(struct fb_info info, struct fb_blit_caps *caps,
64 struct fb_var_screeninfo *var);
65 };
fb_ops的fb_check_var()成员函数用于检查可以修改的屏幕参数并调整到合适的值，而fb_set_par()则使得用户设置的屏幕参数在硬件上有效。
3．fb_var_screeninfo和fb_fix_screeninfo结构体
FBI的fb_var_screeninfo和fb_fix_screeninfo成员也是结构体，fb_var_screeninfo记录用户可修改的显示控制器参数，包括屏幕分辨率和每个像素点的比特数。fb_var_screeninfo中的xres定义屏幕一行有多少个点，yres定义屏幕一列有多少个点，bits_per_pixel定义每个点用多少个字节表示。而fb_fix_screeninfo中记录用户不能修改的显示控制器的参数，如屏幕缓冲区的物理地址、长度。当对帧缓冲设备进行映射操作的时候，就是从fb_fix_screeninfo中取得缓冲区物理地址的。上述数据成员都需要在驱动程序中初始化和设置。
fb_var_screeninfo和fb_fix_screeninfo结构体的定义分别如代码清单18.3和代码清单18.4所示。
代码清单18.3 fb_var_screeninfo结构体
1 struct fb_var_screeninfo {
2 / 可见解析度 /
3 u32 xres;
4 u32 yres;
5 / 虚拟解析度 /
6 u32 xres_virtual;
7 u32 yres_virtual;
8 / 虚拟到可见之间的偏移 /
9 u32 xoffset;
10 u32 yoffset;
11
12 u32 bits_per_pixel; / 每像素位数，BPP /
13 u32 grayscale; /非0时指灰度 */
14
15 / fb缓存的R\G\B位域 /
16 struct fb_bitfield red;
17 struct fb_bitfield green;
18 struct fb_bitfield blue;
19 struct fb_bitfield transp; / 透明度 /
20
21 u32 nonstd; / != 0 非标准像素格式 /
22
23 u32 activate;
24
25 u32 height; /高度 /
26 u32 width; /宽度 /
27
28 u32 accel_flags; / 看fb_info.flags /
29
30 / 定时: 除了pixclock本身外，其他的都以像素时钟为单位 /
31 u32 pixclock; / 像素时钟（皮秒） /
32 u32 left_margin; / 行切换：从同步到绘图之间的延迟 /
33 u32 right_margin; / 行切换：从绘图到同步之间的延迟 /
34 u32 upper_margin; / 帧切换：从同步到绘图之间的延迟 /
35 u32 lower_margin; / 帧切换：从绘图到同步之间的延迟 /
36 u32 hsync_len; / 水平同步的长度 /
37 u32 vsync_len; / 垂直同步的长度 /
38 u32 sync;
39 u32 vmode;
40 u32 rotate; / 顺时钟旋转的角度 /
41 u32 reserved[5]; / 保留 /
42 };
代码清单18.4 fb_fix_screeninfo结构体
1 struct fb_fix_screeninfo {
2 char id[16]; / 字符串形式的标识符 /
3 unsigned long smem_start; / fb缓冲内存的开始位置（物理地址） /
4 u32 smem_len; / fb缓冲的长度 /
5 u32 type; / FBTYPE */
6 u32 type_aux; / Interleave /
7 u32 visual; / FBVISUAL */
8 u16 xpanstep; / 如果没有硬件panning ，赋0 /
9 u16 ypanstep;
10 u16 ywrapstep;/
11 u32 line_length; / 1行的字节数 /
12 unsigned long mmio_start; / 内存映射I/O的开始位置 /
13 u32 mmio_len; / 内存映射I/O的长度 /
14 u32 accel;
15 u16 reserved[3]; / 保留/
16 };
代码清单18.4中第7行的visual记录屏幕使用的色彩模式，在Linux系统中，支持的色彩模式包括如下几种。
● Monochrome（FB_VISUAL_MONO01、FB_VISUAL_MONO10），每个像素是黑或白。
● Pseudo color（FB_VISUAL_PSEUDOCOLOR、FB_VISUAL_STATIC_PSEUDOCOLOR），即伪彩色，采用索引颜色显示。
● True color（FB_VISUAL_TRUECOLOR），真彩色，分成红、绿、蓝三基色。
● Direct color（FB_VISUAL_DIRECTCOLOR），每个像素颜色也是由红、绿、蓝组成，不过每个颜色值是个索引，需要查表。
● Grayscale displays，灰度显示，红、绿、蓝的值都一样。
4．fb_bitfield结构体
代码清单18.3第16、17、18行分别记录R、G、B的位域，fb_bitfield结构体描述每一像素显示缓冲区的组织方式，包含位域偏移、位域长度和MSB（最高有效位）指示，如代码清单18.5所示。
代码清单18.5 fb_bitfield结构体
1 struct fb_bitfield {
2 _ _u32 offset; / 位域偏移 /
3 _ _u32 length; / 位域长度 /
4 _ _u32 msb_right; /!=0: MSB在右边 /
5 };
5．fb_cmap结构体
fb_cmap结构体记录设备无关的颜色表信息，用户空间可以通过ioctl()的FBIOGETCMAP 和FBIOPUTCMAP命令读取或设定颜色表。
代码清单18.6 fb_cmap结构体
1 struct fb_cmap {
2 u32 start; / 第1个元素入口 /
3 u32 len; / 元素数量 /
4 / R、G、B、透明度/
5 u16 *red;
6 u16 *green;
7 u16 *blue;
8 u16 *transp;
9 };
代码清单18.7所示为用户空间获取颜色表的例程，若BPP为8位，则颜色表长度为256；若BPP为4位，则颜色表长度为16；否则，颜色表长度为0，这是因为，对于BPP大于等于16的情况，使用颜色表是不划算的。
代码清单18.7 用户空间获取颜色表例程
1 / 读入颜色表 /
2 if ((vinfo.bits_per_pixel == 8) || (vinfo.bits_per_pixel == 4)) {
3 screencols = (vinfo.bits_per_pixel == 8) ? 256 : 16;/ 颜色表大小 /
4 int loopc;
5 startcmap = new fb_cmap;
6 startcmap->start = 0;
7 startcmap->len = screencols;
8 / 分配颜色表的内存 /
9 startcmap->red = (unsigned short int*)malloc(sizeof(unsigned short int)
10 *screencols);
11 startcmap->green = (unsigned short int*)malloc(sizeof(unsigned short int)
12 *screencols);
13 startcmap->blue = (unsigned short int*)malloc(sizeof(unsigned short int)
14 *screencols);
15 startcmap->transp = (unsigned short int*)malloc(sizeof(unsigned short int)
16 *screencols);
17 / 获取颜色表 /
18 ioctl(fd, FBIOGETCMAP, startcmap);
19 for (loopc = 0; loopc < screencols; loopc++) {
20 screenclut[loopc] = qRgb(startcmap->red[loopc] >> 8, startcmap
21 ->green[loopc] >> 8, startcmap->blue[loopc] >> 8);
22 }
23 }
对于一个256色（BPP=8）的800×600分辨率的图像而言，若红、绿、蓝分别用一个字节描述，则需要800×600×3=1 440 000Byte的空间，而若使用颜色表，则只需要800×600×1+256×3= 480768Byte的空间。
6．文件操作结构体
作为一种字符设备，帧缓冲设备的文件操作结构体定义于/linux/drivers/vedio/fbmem.c文件中，如代码清单18.8所示。
代码清单18.8 帧缓冲设备文件操作结构体
1 static struct file_operations fb_fops = {
2 .owner = THIS_MODULE,
3 .read = fb_read,
4 .write = fb_write,
5 .ioctl = fb_ioctl,
6 #ifdef CONFIG_COMPAT
7 .compat_ioctl = fb_compat_ioctl,
8 #endif
9 .mmap = fb_mmap,
10 .open = fb_open,
11 .release = fb_release,
12 #ifdef HAVE_ARCH_FB_UNMAPPED_AREA
13 .get_unmapped_area = get_fb_unmapped_area,
14 #endif
15 #ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
16 .fsync = fb_deferred_io_fsync,
17 #endif
18 };
帧缓冲设备驱动的文件操作接口函数已经在fbmem.c中被统一实现，一般不需要由驱动工程师再编写。
7．注册与注销帧缓冲设备
Linux内核提供了register_framebuffer()和unregister_framebuffer()函数分别注册和注销帧缓冲设备，这两个函数都接受FBI指针为参数，原型为：
int register_framebuffer(struct fb_info *fb_info);
int unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info);
对于register_framebuffer()函数而言，如果注册的帧缓冲设备数超过了FB_MAX（目前定义为32），则函数返回-ENXIO，注册成功则返回0。