Android Framebuffer介紹及使用

來自： Android技術(shù)特工隊
作者： Aaron
主頁： http://www.wxtlife.com/
原文連接：http://www.wxtlife.com/2017/06/07/Android-framebuffer/

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FrameBuffer 介紹

FrameBuffer中文譯名為幀緩沖驅(qū)動绍移，它是出現(xiàn)在2.2.xx內(nèi)核中的一種驅(qū)動程序接口鹊碍。主設(shè)備號為29呵曹，次設(shè)備號遞增。
Linux抽象出FrameBuffer這個設(shè)備來供用戶態(tài)進程實現(xiàn)直接寫屏衬衬。FrameBuffer機制模仿顯卡的功能殖妇，將顯卡硬件結(jié)構(gòu)抽象掉刁笙，可以通過FrameBuffer的讀寫直接對顯存進行操作。用戶可以將FrameBuffer看成是顯示內(nèi)存的一個映像谦趣，將其映射到進程地址空間之后疲吸，就可以直接進行讀寫操作，而寫操作可以立即反應(yīng)在屏幕上前鹅。這種操作是抽象的磅氨，統(tǒng)一的。用戶不必關(guān)心物理顯存的位置嫡纠、換頁機制等等具體細(xì)節(jié)，這些都是由FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動來完成的延赌。
FrameBuffer實際上就是嵌入式系統(tǒng)中專門為GPU所保留的一塊連續(xù)的物理內(nèi)存除盏，LCD通過專門的總線從framebuffer讀取數(shù)據(jù)，顯示到屏幕上挫以。
FrameBuffer本質(zhì)上是一塊顯示緩存者蠕，往顯示緩存中寫入特定格式的數(shù)據(jù)就意味著向屏幕輸出內(nèi)容。所以說FrameBuffer就是一塊白板掐松。

屏幕位置從上到下踱侣，從左至右與內(nèi)存地址是順序的線性關(guān)系

FrameBuffer 使用

framebuffer的設(shè)備文件在Linux下一般是 /dev/fb0、/dev/fb1 等大磺，但在Android下面一般為/dev/graphics/fb0,/dev/graphics/fb1等
注意： 系統(tǒng)中至少要存在一個顯示屏抡句，因此，名稱為“fb0”的設(shè)備是肯定會存在的杠愧，否則的話待榔，就是出錯了。

操作framebuffer的主要步驟

1流济、打開可用的FrameBuffer設(shè)備锐锣；

    fbfd = open("/dev/graphics/fb0", O_RDWR);

O_RDWR是已可讀寫的方式打開文件

2、計算映射大小

用ioctrl操作取得當(dāng)前顯示屏幕的參數(shù)绳瘟，如屏幕分辨率雕憔，每個像素點的比特數(shù)。根據(jù)屏幕參數(shù)可計算屏幕緩沖區(qū)的大小糖声。

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo); // fb_fix_screeninfo 通過fbfd獲取屏幕固定的相關(guān)信息
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo); // fb_var_screeninfo 通過fbfd獲取可變的信息斤彼，可以調(diào)用參數(shù)為`FBIOPUT_VSCREENINFO`的重新進行設(shè)置

從fb_var_screeninfo中可以獲取xoffset ,yoffset的偏移量分瘦，以及屏幕可見行列像素點（xres，yres）,以及一個像素所占用的位數(shù)bits_per_pixel畅卓。
從fb_fix_screeninfo 中可以獲取到framebuffer的內(nèi)存空間大小finfo.smem_len擅腰，每行占用的字節(jié)數(shù)line_length等。

這些信息都是對我們下一步來計算需要映射多大的內(nèi)存空間有很大的幫助翁潘，size 可以直接等于 finfo.smem_len, 或者 xres * yres * bits_per_pixel >> 3

3趁冈、通過mmap映射地址空間

通過mmap函數(shù)把顯卡的物理內(nèi)存空間映射到用戶空間地址上

char *fbp = (char *)mmap(start, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fbfd, offsize);

各個參數(shù)的含義如下：

  • start 指向欲映射的內(nèi)存起始地址，通常設(shè)為 NULL拜马，代表讓系統(tǒng)自動選定地址渗勘，映射成功后返回該地址。
  • size 代表將文件中多大的部分映射到內(nèi)存俩莽。
  • PROT_READ | PROT_WRITE 為可讀可寫模式
  • MAP_SHARED 對映射區(qū)域的寫入數(shù)據(jù)會復(fù)制回文件內(nèi)旺坠，而且允許其他映射該文件的進程共享。
  • fbfd 要映射到內(nèi)存中的文件描述符,也就是open文件后的描述符扮超。
  • offsize 文件映射的偏移量

關(guān)于open取刃、mmap的相關(guān)信息可以參考博客：http://www.wxtlife.com/2016/01/17/Android-memory-map/

4、更改內(nèi)存空間里的像素數(shù)據(jù)并顯示出刷；

fbp則是映射framebuffer后的內(nèi)存首地址璧疗，整個framebuffer的地址是線性的，與整個屏幕大小從左到右馁龟，從上到下映射的崩侠。所以操作framebuffer是按照每個像素去操作的，每個像素都需要計算他的偏移量也就是每個像素的內(nèi)存地址空間.
例如在（x坷檩，y）位置寫入顏色 pixel值却音。

4.1 首先先計算偏移量
offset = (x + y * screen_width) * 4; // (4個字節(jié))

上面未考慮多buffer切換的地址空間的情況

4.2 給偏移量的內(nèi)存地址賦值
*((uint32_t *)(fbp + offset)) = pixel;

5、退出時關(guān)閉framebuffer設(shè)備矢炼。

munmap(fbp, size);  
close(fbfd);

size需要與mmap時一樣系瓢，會導(dǎo)致內(nèi)存泄露問題。
查看一個完整的示例demo ：

int main() {
    int fbfd = 0;
    struct fb_var_screeninfo vinfo;
    struct fb_fix_screeninfo finfo;
    long int screensize = 0;
    char *fbp = 0;
    long int location = 0;
    // Open the file for reading and writing
    fbfd = open("/dev/graphics/fb0", O_RDWR);
    if (!fbfd) {
        printf("Error: cannot open framebuffer device.\n");
        exit(1);
    }
    printf("The framebuffer device was opened successfully.\n");
    // Get fixed screen information
    if (ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)) {
        printf("Error reading fixed information.\n");
        exit(2);
    }
    // Get variable screen information
    if (ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)) {
        printf("Error reading variable information.\n");
        exit(3);
    }
    screensize =  finfo.smem_len;
    // screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel >> 3  // >>3 表示算出字節(jié)數(shù)
    fbp = (char *)mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fbfd, 0);

    if ((int)fbp == -1) {
        printf("Error: failed to map framebuffer device to memory.\n");
    exit(4);
}

FrameBuffer 相關(guān)結(jié)構(gòu)

FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動基于如下兩個文件：

  1. linux/include/linux/fb.h
  2. linux/drivers/video/fbmem.c

FrameBuffer 主要包含的結(jié)構(gòu)有以下：fb_info 句灌，fb_ops 八拱，fb_var_screeninfo，fb_fix_screeninfo,上面的結(jié)構(gòu)都定義在fb.h里涯塔。

fb_var_screeninfo

用于記錄用戶可修改的顯示屬性參數(shù)肌稻，包括屏幕分辨率、每個像素點的比特數(shù)等匕荸。
顯卡的顯示屬性,用戶可修改爹谭，此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，定義了偏移量（xoffset ,yoffset）榛搔、可見行列像素點（xres诺凡，yres）东揣、每個像素所占bit位數(shù)（bits_per_pixel), 虛擬分辨率（xres_virtual、yres_virtual）在顯存中包含的分辨率等信息腹泌，這些都是我們常見也是常用的到的嘶卧。
這些數(shù)據(jù)我們是可以通過ioctl函數(shù)來獲取，獲取操作如下：ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo) 凉袱。也可以重新進行賦值芥吟，之后再將設(shè)置進系統(tǒng)：設(shè)置如下：ioctl(fbfd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &finfo)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct fb_var_screeninfo {  
    __u32 xres;         /* 行可見像素*/  
    __u32 yres;         /* 列可見像素*/  
    __u32 xres_virtual; /* 行虛擬像素*/  
    __u32 yres_virtual; /* 列虛擬像素*/  
    __u32 xoffset;      /* 水平偏移量*/  
    __u32 yoffset;      /* 垂直偏移量*/  
    __u32 bits_per_pixel;/*每個像素所占bit位數(shù)*/  
    __u32 grayscale;    /* 灰色刻度*/  
    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;           /* 圖像高度*/  
    __u32 width;            /* 圖像寬度*/  
    __u32 accel_flags;      /* (OBSOLETE) see fb_info.flags */  
    __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

這個結(jié)構(gòu)在顯卡被設(shè)定模式后創(chuàng)建，它描述顯示卡的屬性专甩，并且系統(tǒng)運行時不能被修改钟鸵；比如FrameBuffer內(nèi)存的起始地址。它依賴于被設(shè)定的模式涤躲，當(dāng)一個模式被設(shè)定后棺耍，內(nèi)存信息由顯示卡硬件給出，內(nèi)存的位置等信息就不可以修改种樱。
顯卡的硬件屬性, 用戶不可修改, 驅(qū)動程序初始化時設(shè)置蒙袍。比如可以獲取內(nèi)存空間大小，起始地址嫩挤，每行占用的字節(jié)數(shù)line_length等等害幅。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct fb_fix_screeninfo {  
    char id[16];            /* identification string eg "TT Builtin" */  
    unsigned long smem_start;/* Start of frame buffer mem */  
    __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   */  
    __u32 mmio_len;         /* Length of Memory Mapped I/O  */  
    __u32 accel;            /* Indicate to driver which */  
    __u16 reserved[3];      /* Reserved for future compatibility */  
};

fb_ops

是提供給底層設(shè)備驅(qū)動的一個接口，用戶應(yīng)用可以使用 ioctl() 系統(tǒng)調(diào)用來操作設(shè)備俐镐。

fb_cmap

描述設(shè)備無關(guān)的顏色映射信息〔负撸可以通過 FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 對應(yīng)的 ioctl 操作設(shè)定或獲取顏色映射信息佩抹。主要是顏色映射表，顏色相關(guān)一些映射信息取董。

fb_info

結(jié)構(gòu)僅在內(nèi)核中可見棍苹，在這個結(jié)構(gòu)中有一個fb_ops指針，指向驅(qū)動設(shè)備工作所需的函數(shù)集茵汰，是Linux為幀緩沖設(shè)備定義的驅(qū)動層接口枢里。它不僅包含了底層函數(shù)，而且還有記錄設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)蹂午。每個幀緩沖設(shè)備都與一個fb_info結(jié)構(gòu)相對應(yīng)栏豺。

結(jié)構(gòu)如下：


FrameBuffer結(jié)構(gòu)圖

ioctl中request參數(shù)：

  • FBIOGET_VSCREENINFO 表示用戶獲取屏幕的可變參數(shù)；
  • FBIOPUT_VSCREENINFO 表示用戶設(shè)置可變的屏幕參數(shù)豆胸；
  • FBIOGET_FSCREENINFO 表示用戶獲得屏幕的固定參數(shù)奥洼；
  • FBIOBLANK表示調(diào)用sep4020fb_blank函數(shù)清空液晶屏；
  • FBIOPUTCMAP 表示設(shè)置屏幕的顏色表晚胡；
  • FBIOGETCMAP 表示獲得顏色表灵奖。

雙緩沖機制

Android 使用SurfaceFlinger作為屏幕合成引擎嚼沿。它管理來自各個窗口的Surface objects，然后將其寫入到framebuffer去瓷患。SurfaceFlinger使用前buffer來合成骡尽，后buffer來繪制。一旦繪制完成擅编，Android通過頁翻轉(zhuǎn)操作攀细，交換Y軸坐標(biāo)的偏移量，選擇不同buffer沙咏。在EGL顯示服務(wù)初始化時辨图，如果虛擬Y軸分辨率大于實際Y軸分辨率，說明framebuffer可以直接使用雙緩沖肢藐。否則故河，后buffer要復(fù)制到前buffer，這樣會導(dǎo)致頁交換延遲吆豹。為了提高系統(tǒng)性能鱼的，F(xiàn)ramebuffer驅(qū)動最好提供雙緩沖機制。

雙緩沖機制的原理

所有畫圖操作將它們畫圖的結(jié)果保存在一塊系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域中痘煤，這塊區(qū)域通常被稱作“后緩沖區(qū)（backbuffer）”凑阶，當(dāng)所有的繪圖操作結(jié)束之后，系統(tǒng)通過換頁機制將繪制區(qū)域指向先前的后緩沖區(qū)衷快，然后進行繪制顯示宙橱，而原來的繪制緩沖區(qū)就變?yōu)椤昂缶彌_區(qū)”，之后按照這種情況不停循環(huán)切換蘸拔。這個復(fù)制操作通常要跟顯示器的光棧束同步师郑，以避免撕裂。雙緩沖機制必須要求有比單緩沖更多的顯示內(nèi)存和CPU消耗時間调窍，因為“后緩沖區(qū)”需要顯示內(nèi)存宝冕，而復(fù)制操作和等待同步需要CPU時間。

FrameBuffer1
FrameBuffer1

framebuffer2
framebuffer2

雙緩沖是一種畫圖技術(shù)邓萨，使用這種技術(shù)可以使得畫圖沒有（至少是減少）閃爍地梨、撕裂等不良效果，并減少等待時間缔恳。

緩沖區(qū)切換步驟:

  1. 把fb驅(qū)動的framebuffer通過mmap映射到應(yīng)用空間的內(nèi)存地址map_base宝剖，一般來說framebuffer size是2*framesize或者3*framesize 大小（和平臺相關(guān)）
  2. 把第一幀數(shù)據(jù)寫入map_base
  3. 調(diào)用FBIOPAN_DISPLAY顯示
  4. 把第二幀數(shù)據(jù)寫入map_base+framesize處
  5. 調(diào)用FBIOPAN_DISPLAY
  6. 重復(fù)step2~step5

FBIOPAN_DISPLAY 在linux的注釋里是“平移顯示”的意思,調(diào)用FBIOPAN_DISPLAY時歉甚，會傳一個y坐標(biāo)偏移量yoffset給驅(qū)動诈闺，然后驅(qū)動會把當(dāng)前顯存的指針偏移 “yoffset X 屏幕寬度 X 位色字節(jié)數(shù)” 個字節(jié)，這樣就好像實現(xiàn)了圖像的y坐標(biāo)平移铃芦，也就是“平移顯示”雅镊。當(dāng)這個yoffset等于屏幕高度的時候襟雷，就實現(xiàn)了顯存的切換。

參考鏈接

http://www.cnblogs.com/armlinux/archive/2012/02/25/2396760.html
http://blog.csdn.net/yangwen123/article/details/12096483

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