Linux的幀緩沖設備

幀緩沖（framebuffer）是 Linux 為顯示設備提供的一個接口，把顯存抽象后的一種設備，他允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區進行讀寫操作。這種操作是抽象的，統一的。用戶不必關心物理顯存的位置、換頁機制等等具體細節。這些都是由Framebuffer 設備驅動來完成的。幀緩沖驅動的應用廣泛，在 linux 的桌面系統中，Xwindow 服務器就是利用幀緩沖進行窗口的繪制。尤其是通過幀緩沖可顯示漢字點陣，成為 Linux漢化的唯一可行方案。

幀緩沖設備對應的設備文件為/dev/fb*，如果系統有多個顯示卡，Linux 下還可支持多個幀緩沖設備，最多可達 32個，分別為/dev/fb0 到/dev/fb31，而/dev/fb 則為當前缺省的幀緩沖設備，通常指向/dev/fb0。當然在嵌入式系統中支持一個顯示設備就夠了。幀緩沖設備為標準字符設備，主設備號為29，次設備號則從0到31。分別對應/dev/fb0-/dev/fb31。

通過/dev/fb，應用程序的操作主要有這幾種：

1．讀/寫（read/write）/dev/fb：相當于讀/寫屏幕緩沖區。例如用 cp /dev/fb0 tmp 命令可將當前屏幕的內容拷貝到一個文件中，而命令 cp tmp > /dev/fb0 則將圖形文件tmp顯示在屏幕上。

2．映射（map）操作：由于 Linux 工作在保護模式，每個應用程序都有自己的虛擬地址空間，在應用程序中是不能直接訪問物理緩沖區地址的。為此，Linux 在文件操作 file_operations 結構中提供了 mmap 函數，可將文件的內容映射到用戶空間。對于幀緩沖設備，則可通過映射操作，可將屏幕緩沖區的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區，在屏幕上繪圖了。

3．I/O控制：對于幀緩沖設備，對設備文件的 ioctl操作可讀取/設置顯示設備及屏幕的參數，如分辨率，顯示顏色數，屏幕大小等等。ioctl 的操作是由底層的驅動程序來完成的。

在應用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下：

1．打開/dev/fb設備文件。

2．用 ioctrl 操作取得當前顯示屏幕的參數，如屏幕分辨率，每個像素點的比特數。根據屏幕參數可計算屏幕緩沖

區的大小。

3．將屏幕緩沖區映射到用戶空間（mmap）。

4．映射后就可以直接讀寫屏幕緩沖區，進行繪圖和圖片顯示了。

典型程序段如下：

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#include <linux/fb.h>
int main()
{  int fbfd = 0;struct fb_var_screeninfo vinfo;struct fb_fix_screeninfo finfo;long int screensize = 0;/*打開設備文件*/fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);/*取得屏幕相關參數*/ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);  ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);/*計算屏幕緩沖區大小*/screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;/*映射屏幕緩沖區到用戶地址空間*/fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);/*下面可通過 fbp指針讀寫緩沖區*/……/*釋放緩沖區，關閉設備*/munmap(fbp, screensize);close(fbfd);
}

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ioctl操作

ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo)

獲取fb_var_screeninfo結構的信息，在linux/include/linux/fb.h定義。

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)

獲取fb_fix_screeninfon結構的信息。在linux/include/linux/fb.h定義。

fbfd為設備文件號。

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mmap函數

功能描述：

mmap函數是unix/linux下的系統調用

mmap將一個文件或者其它對象映射進內存。文件被映射到多個頁上，如果文件的大小不是所有頁的大小之和，最后一個頁不被使用的空間將會清零。munmap執行相反的操作，刪除特定地址區域的對象映射。

基于文件的映射，在mmap和munmap執行過程的任何時刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情況下沒有得到更新，首次對映射區的第一個頁索引時會更新該字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED標志建立起來的文件映射，其st_ctime 和 st_mtime在對映射區寫入之后，但在msync()通過MS_SYNC 和 MS_ASYNC兩個標志調用之前會被更新。

用法：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,

int fd, off_t offset);

int munmap(void *start, size_t length);

參數：

start：映射區的開始地址。

length：映射區的長度。

prot：期望的內存保護標志，不能與文件的打開模式沖突。是以下的某個值，可以通過or運算合理地組合在一起

PROT_EXEC //頁內容可以被執行

PROT_READ //頁內容可以被讀取

PROT_WRITE //頁可以被寫入

PROT_NONE //頁不可訪問

flags：指定映射對象的類型，映射選項和映射頁是否可以共享。它的值可以是一個或者多個以下位的組合體

MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len參數指定的內存區重疊于現存的映射空間，重疊部分將會被丟棄。如果指定的起始地址不可用，操作將會失敗。并且起始地址必須落在頁的邊界上。

MAP_SHARED //與其它所有映射這個對象的進程共享映射空間。對共享區的寫入，相當于輸出到文件。直到msync()或者munmap()被調用，文件實際上不會被更新。

MAP_PRIVATE //建立一個寫入時拷貝的私有映射。內存區域的寫入不會影響到原文件。這個標志和以上標志是互斥的，只能使用其中一個。

MAP_DENYWRITE //這個標志被忽略。

MAP_EXECUTABLE //同上

MAP_NORESERVE //不要為這個映射保留交換空間。當交換空間被保留，對映射區修改的可能會得到保證。當交換空間不被保留，同時內存不足，對映射區的修改會引起段違例信號。

MAP_LOCKED //鎖定映射區的頁面，從而防止頁面被交換出內存。

MAP_GROWSDOWN //用于堆棧，告訴內核VM系統，映射區可以向下擴展。

MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射區不與任何文件關聯。

MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的別稱，不再被使用。

MAP_FILE //兼容標志，被忽略。

MAP_32BIT //將映射區放在進程地址空間的低2GB，MAP_FIXED指定時會被忽略。當前這個標志只在x86-64平臺上得到支持。

MAP_POPULATE //為文件映射通過預讀的方式準備好頁表。隨后對映射區的訪問不會被頁違例阻塞。

MAP_NONBLOCK //僅和MAP_POPULATE一起使用時才有意義。不執行預讀，只為已存在于內存中的頁面建立頁表入口。

fd：有效的文件描述詞。如果MAP_ANONYMOUS被設定，為了兼容問題，其值應為-1。

offset：被映射對象內容的起點。

返回說明：

成功執行時，mmap()返回被映射區的指針，munmap()返回0。

失敗時，mmap()返回MAP_FAILED[其值為(void *)-1]，munmap返回-1。errno被設為以下的某個值

EACCES：訪問出錯

EAGAIN：文件已被鎖定，或者太多的內存已被鎖定

EBADF：fd不是有效的文件描述詞

EINVAL：一個或者多個參數無效

ENFILE：已達到系統對打開文件的限制

ENODEV：指定文件所在的文件系統不支持內存映射

ENOMEM：內存不足，或者進程已超出最大內存映射數量

EPERM：權能不足，操作不允許

ETXTBSY：已寫的方式打開文件，同時指定MAP_DENYWRITE標志

SIGSEGV：試著向只讀區寫入

SIGBUS：試著訪問不屬于進程的內存區

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