framebuffer（帧缓冲）

一、核心概念解析

1. FrameBuffer 定义

• 硬件抽象层：将显卡显存抽象为字符设备 /dev/fbX
• 核心功能：允许用户空间直接操作显示缓冲区
• 设备路径：
  • 主显示器：/dev/fb0
  • 多显示器：/dev/fb1, /dev/fb2 等

2. 技术特点

特性	说明
设备无关性	统一接口适配不同显卡
直接内存操作	通过mmap映射显存到用户空间
像素级控制	支持任意分辨率/色深配置
无硬件加速	纯CPU操作，适合简单图形需求

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二、核心数据结构

1. 屏幕信息结构体

#include <linux/fb.h>

struct fb_var_screeninfo {  // 可变参数
    __u32 xres;             // 可见水平分辨率
    __u32 yres;             // 可见垂直分辨率
    __u32 bits_per_pixel;   // 每像素位数 (bpp)
    __u32 red_offset;       // 红色分量偏移
    __u32 green_offset;     // 绿色分量偏移
    __u32 blue_offset;      // 蓝色分量偏移
};

struct fb_fix_screeninfo {  // 固定参数
    char id[16];            // 设备标识字符串
    unsigned long smem_len; // 显存总长度
};

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三、关键系统调用

1. 设备信息获取

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

// 获取可变参数
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &var_info);
// 获取固定参数
ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fix_info);

2. 内存映射操作

// 映射显存
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, 
          int flags, int fd, off_t offset);

// 示例：映射32位色深屏幕
unsigned int *fb_mem = mmap(NULL, 
                           var_info.xres * var_info.yres * 4,
                           PROT_READ | PROT_WRITE,
                           MAP_SHARED,
                           fb_fd, 0);

// 解除映射
munmap(fb_mem, fix_info.smem_len);

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四、颜色格式解析

1. 常见像素格式

格式	数据位宽	颜色分量分布	应用场景
RGB888	32-bit	0x00RRGGBB (8-8-8)	高色彩精度显示
RGB565	16-bit	R(5-bit) G(6-bit) B(5-bit)	嵌入式设备
ARGB8888	32-bit	0xAARRGGBB	带透明度图形

五、设备初始化流程

1. 设备打开与参数获取

int init_fb(char *devname) {
    // 1. 打开帧缓冲设备
    int fd = open(devname, O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("FrameBuffer open failed");
        return -1;
    }

    // 2. 获取可变屏幕参数
    struct fb_var_screeninfo vinf;
    if (ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinf) == -1) {
        perror("ioctl FBIOGET_VSCREENINFO failed");
        close(fd);
        return -1;
    }

    // 3. 计算映射内存大小（包含虚拟分辨率）
    size_t len = vinf.xres_virtual * vinf.yres_virtual * 
                (vinf.bits_per_pixel / 8);

    // 4. 内存映射（需考虑字节对齐）
    unsigned char *pmem = mmap(NULL, len, 
                              PROT_READ | PROT_WRITE, 
                              MAP_SHARED, fd, 0);
    if (pmem == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        close(fd);
        return -1;
    }

    return fd;
}

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六、关键参数解析

1. 分辨率参数说明

参数	说明
xres / yres	物理屏幕实际分辨率
xres_virtual	虚拟水平分辨率（包含不可见区域）
yres_virtual	虚拟垂直分辨率（用于多缓冲）

2. 位深度处理策略

#define RGB888_FMT 32
#define RGB565_FMT 16

// 根据系统配置自动适配
if (vinf.bits_per_pixel != RGB888_FMT && 
    vinf.bits_per_pixel != RGB565_FMT) {
    fprintf(stderr, "Unsupported pixel format: %dbpp\n", 
            vinf.bits_per_pixel);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

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七、像素绘制实现

1. 通用绘制函数

void draw_point(int x, int y, unsigned int col) {
    // 边界检查（物理分辨率）
    if (x >= vinf.xres || y >= vinf.yres || x < 0 || y < 0)
        return;

    // 计算内存偏移（使用虚拟分辨率作为跨距）
    unsigned int offset = y * vinf.xres_virtual + x;
    
    switch (vinf.bits_per_pixel) {
    case RGB888_FMT:  // 32-bit (通常带8位alpha通道)
        *((unsigned int *)pmem + offset) = col;
        break;
    case RGB565_FMT:  // 16-bit RGB格式
        *((unsigned short *)pmem + offset) = (col & 0xFFFF);
        break;
    default:
        break;
    }
}

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八、颜色格式处理

1. RGB888 颜色编码

// 颜色构造宏（ARGB8888）
#define COLOR_ARGB(a, r, g, b) \
    (((a) << 24) | ((r) << 16) | ((g) << 8) | (b))

// 示例颜色定义
#define RED     COLOR_ARGB(0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00)
#define GREEN   COLOR_ARGB(0xFF, 0x00, 0xFF, 0x00)
#define BLUE    COLOR_ARGB(0xFF, 0x00, 0x00, 0xFF)

2. RGB565 颜色转换

// RGB888转RGB565
unsigned short rgb888_to_565(unsigned int color) {
    unsigned char r = (color >> 16) & 0xFF;
    unsigned char g = (color >> 8) & 0xFF;
    unsigned char b = color & 0xFF;
    
    return ((r >> 3) << 11) | 
           ((g >> 2) << 5) | 
           (b >> 3);
}