framebuffer 简介

简介

FrameBuffer 是出现在 2.2.xx 内核当中的一种驱动程序接口。Linux工作在保护模式下，所以用户态进程是无法象 DOS 那样使用显卡 BIOS 里提供的中断调用来实现直接写屏，Linux 抽象出FrameBuffer 这个设备来供用户态进程实现直接写屏。Framebuffer 机制模仿显卡的功能，将显卡硬件结构抽象掉，可以通过Framebuffer 的读写直接对显存进行操作。用户可以将 framebuffer看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间之后，就可以直接进行读写操作，而写操作可以立即反应在屏幕上。这种操作是抽象的，统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。这些都是由 framebuffer 设备驱动来完成的。

framebuffer 本身不具备任何运算数据的能力,就只好比是一个暂时存放水的水池.CPU将运算后的结果放到这个水池,水池再将结果流到显示器.中间不会对数据做处理. 应用程序也可以直接读写这个水池的内容.在这种机制下，尽管framebuffer 需要真正的显卡驱动的支持，但所有显示任务都有 CPU 完成,因此 CPU 负担很重.

帧缓冲驱动应用广泛，在 linux 的桌面系统中，X window 服务器就是利用帧缓冲进行窗口的绘制。尤其是通过帧缓冲可显示汉字点阵，成为Linux 汉化的唯一可行方案。

在开发者看来，FrameBuffer 本质上是一块显示缓存，往显示缓存中写入特定格式的数据就意味着向屏幕输出内容。所以说 FrameBuffer 就是一块白板。例如对于初始化为 16 位色的 FrameBuffer 来说， FrameBuffer 中的两个字节代表屏幕上一个点，从上到下，从左至右，屏幕位置与内存地址是顺序的线性关系。

帧缓存可以在系统存储器(内存)的任意位置，视频控制器通过访问帧缓存来刷新屏幕。 帧缓存也叫刷新缓存 Frame buffer 或 refresh buffer, 这里的帧(frame)是指整个屏幕范围。

帧缓存有个地址，是在内存里。我们通过不停的向 frame buffer 中写入数据，显示控制器就自动的从 frame buffer 中取数据并显示出来。全部的图形都共享内存中同一个帧缓存。

CPU 指定显示控制器工作，则显示控制器根据CPU的控制到指定的地方去取数据和指令， 目前的数据一般是从显存里取， 如果显存里存不下，则从内存里取，内存也放不下，则从硬盘里取，当然也不是内存放不下，而是为了节省内存的话，可以放在硬盘里，然后通过 指令控制显示控制器去取。帧缓存 Frame Buffer里面存储的东西是一帧一帧的， 显卡会不停的刷新 Frame Buffer, 这每一帧如果不捕获的话， 则会被丢弃，也就是说是实时的。这每一帧不管是保存在内存还是显存里， 都是一个显性的信息， 这每一帧假设是 800x600 的分辨率， 则保存的是 800x600 个像素点，和颜色值。

如何启用 framebuffer

首先确认内核是否支持 framebuffer ，查看 /proc/fb 文件是否存在，存在则说明支持，否则，说明不支持。其次查看 framebuffer 设备是否已激活，若 /dev/fbx 文件存在，则说明已经激活；否则说明没有激活。

在系统启动时可通过向 kernel 传送 vga=mode-number 的参数来激活FrameBuffer 设备，如 vga=0x314，将会启动 800*600*16bpp 模式要 linux 缺省激活 framebuffer 设备，需要将/etc/grub.conf改成如下形式:

# grub.conf generated by anaconda

#

# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file

# NOTICE:   You do not have a /boot partition.   This means that

#           all kernel and initrd paths are relative to /, eg.

#           root (hd0,0)

#           kernel /boot/vmlinuz-version ro root=/dev/sda1

#           initrd /boot/initrd-version.img

#boot=/dev/sda

default=0

timeout=10

splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz

title Red Hat Linux (2.4.18-14)

         root (hd0,0)

        kernel /boot/vmlinuz-2.4.18-14 ro root=LABEL=/ hdc=ide-scsi vga=0x314

         initrd /boot/initrd-2.4.18-14.img

0x314 表示 800*600*16bpp，其它取值见下表：

color	640x400	640x480	800x600	1024x768	1280x1024	1600x1200
4bits	?	?	0x302	?	?	?
8bits	0x300	0x301	0x303	0x305	0x307	0x31C
15bits	?	0x310	0x313	0x316	0x319	0x31D
16bits	?	0x311	0x314	0x317	0x31A	0x31E
24bits	?	0x312	0x315	0x318	0x31B	0x31F
32bits	?	?	?	?	?	?

framebuffer 设备启用后，在重启系统时屏幕左上方会显示一个小企鹅。

如何编程操作 framebuffer

帧缓冲设备对应的设备文件为/dev/fb*，如果系统有多个显示卡，Linux 下还可支持多个帧缓冲设备，最多可达 32 个，分别为 /dev/fb0 到 /dev/fb31 ，而/dev/fb 则为当前缺省的帧缓冲设备，通常指向 /dev/fb0 。当然在嵌入式系统中支持一个显示设备就够了。帧缓冲设备为标准字符设备，主设备号为 29，次设备号则从 0 到 31 ，分别对应 /dev/fb0 至 /dev/fb31 。通过 /dev/fb ，应用程序的操作主要有这几种：

1. 读/写（read/write）/dev/fb 文件：相当于读/写屏幕缓冲区。通过 seek 接口定位读写位置，通过 read/write 接口读写具体数据；
2. 映射（map）操作：由于 Linux 工作在保护模式，每个应用程序都有自己的虚拟地址空间，在应用程序中是不能直接访问物理缓冲区地址的。为此，Linux 在文件操作 file_operations 结构中提供了 mmap函数，可将文件的内容映射到用户空间。对于帧缓冲设备，则可通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间的一段虚拟地址中，之后用户就可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图了。实际上，使用帧缓冲设备的应用程序都是通过映射操作来显示图形的。由于映射操作都是由内核来完成，下面我们将看到，帧缓冲驱动留给开发人员的工作并不多。
3. I/O控制：对于帧缓冲设备，对设备文件的ioctl操作可读取/设置显示设备及屏幕的参数，如分辨率，显示颜色数，屏幕大小等等。ioctl的操作是由底层的驱动程序来完成的。

在应用程序中，一般通过将 framebuffer 设备映射到进程地址空间的方式使用，比如下面的程序就打开 /dev/fb0 设备，并通过 mmap 系统调用进行地址映射，随后用 memset 将屏幕清空（这里假设显示模式是 1024x768-8 位色模式，线性内存模式）：

int fb;

unsigned char* fb_mem;

fb = open ("/dev/fb0", O_RDWR);

fb_mem = mmap (NULL, 1024*768, PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fb,0);

memset (fb_mem, 0, 1024*768);

framebuffer 设备还提供了若干 ioctl 命令，通过这些命令，可以获得显示设备的一些固定信息（比如显示内存大小）、与显示模式相关的可变信息（比如分辨率、象素结构、每扫描线的字节宽度），以及伪彩色模式下的调色板信息等等。

通过 framebuffer 设备，还可以获得当前内核所支持的加速显示卡的类型（通过固定信息得到），这种类型通常是和特定显示芯片相关的。比如目前最新的内核（2.4.9）中，就包含有对 S3、Matrox、nVidia、3Dfx 等等流行显示芯片的加速支持。在获得了加速芯片类型之后，应用程序就可以将 PCI 设备的内存I/O（memio）映射到进程的地址空间。这些 memio 一般是用来控制显示卡的寄存器，通过对这些寄存器的操作，应用程序就可以控制特定显卡的加速功能。

PCI 设备可以将自己的控制寄存器映射到物理内存空间，而后，对这些控制寄存器的访问，给变成了对物理内存的访问。因此，这些寄存器又被称为"memio"。一旦被映射到物理内存，Linux 的普通进程就可以通过 mmap 将这些内存 I/O映射到进程地址空间，这样就可以直接访问这些寄存器了。

当然，因为不同的显示芯片具有不同的加速能力，对memio 的使用和定义也各自不同，这时，就需要针对加速芯片的不同类型来编写实现不同的加速功能。比如大多数芯片都提供了对矩形填充的硬件加速支持，但不同的芯片实现方式不同，这时，就需要针对不同的芯片类型编写不同的用来完成填充矩形的函数。

framebuffer 只是一个提供显示内存和显示芯片寄存器从物理内存映射到进程地址空间中的设备。所以，对于应用程序而言，如果希望在 framebuffer 之上进行图形编程，还需要自己动手完成其他许多工作。

工具

cat

/dev/fb 是一个文件，因此我们可以用对其读写。

cat /dev/fb0 > screensnap.txt  /* read current sreen to a file*/

cat screensnap.txt > /dev/fb0  /* 将 screensnap.txt 的内容贴到屏幕上 */

dd

可以用如下命令清空屏幕：

dd if=/dev/zero of=/dev/fb

如果显示模式是 1024x768-8 位色，用如下命令清空屏幕：

 dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=1024 count=768

用如下命令可以将fb中的内容保存下来和重新写回屏幕：

dd if=/dev/fb of=fbfile

dd if=fbfile of=/dev/fb

fbset

fbset是一个可以查看和设置framebuffer的工具。具体使用方法可参看手册。