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Linux应用开发基础知识——Framebuffer应用编程(六)

目录

一、LCD操作原理

二、涉及的 API 函数

1. open 函数

2. ioctl 函数

3. mmap 函数

二、Framebuffer函数分析

源码

1、打开设备

2、获取 LCD 参数

3、映射 Framebuffer

4、描点函数

5、随便画几个点

6、上机实验

三、FreeType编程

使用Freetype显示单个文字

1、矢量字体的引入

2、Freetype 介绍

3、 在 LCD 上显示一个矢量字体


一、LCD操作原理

在 Linux 系统中通过 Framebuffer 驱动程序来控制 LCD。Frame 是帧的意
思,buffer 是缓冲的意思,这意味着 Framebuffer 就是一块内存,里面保存着
一帧图像。Framebuffer 中保存着一帧图像的每一个像素颜色值,假设 LCD 的
分辨率是 1024x768,每一个像素的颜色用 32 位来表示,那么 Framebuffer 的
大小就是:1024x768x32/8=3145728 字节(一个字节有8位)。
介绍 LCD 的操作原理:
①驱动程序设置好 LCD 控制器:
根据 LCD 的参数设置 LCD 控制器的时序、信号极性;
根据 LCD 分辨率、BPP 分配 Framebuffer。
②APP 使用 ioctl 获得 LCD 分辨率、BPP
③APP 通过 mmap 映射 Framebuffer,在 Framebuffer 中写入数据
在这里插入图片描述
怎么找到点的地址呢?
假设需要设置 LCD 中坐标(x,y)处像素的颜色,首要要找到这个像素对应的
内存,然后根据它的 BPP 值设置颜色。假设 fb_base 是 APP 执行 mmap 后得到
的 Framebuffer 地址,如图所示:
在这里插入图片描述
可以用以下公式算出(x,y)坐标处像素对应的 Framebuffer 地址:

(x,y)像素起始地址=fb_base+(xres*bpp/8)y + xbpp/8
xres:一行有多少个像素
bpp:是像素的颜色怎么表示?它是用 RGB 三原色(红、绿、蓝)来表示的,在不同的 BPP 格式中,用不同的位来分别表示 R、G、B
在这里插入图片描述
对于 32BPP,一般只设置其中的低 24 位,高 8 位表示透明度,一般的 LCD都不支持。
对于 24BPP,硬件上为了方便处理,在 Framebuffer 中也是用 32 位来表示,效果跟 32BPP 是一样的。
对于 16BPP,常用的是 RGB565;很少的场合会用到 RGB555,这可以通过ioctl 读取驱动程序中的 RGB 位偏移来确定使用哪一种格式。

二、涉及的 API 函数

本节程序的目的是:打开 LCD 设备节点,获取分辨率等参数,映射Framebuffer,最后实现描点函数。

1. open 函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

可以看看我的这个博客:Linux文件编程

2. ioctl 函数

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

函数说明:
fd表示文件描述符;
request 表示与驱动程序交互的命令,用不同的命令控制驱动程序输出我们
需要的数据;
FBIOGET_VSCREENINFO具体这两个参数的使用下面会提及
FBIOPUT_VSCREENINFO
 表示可变参数 arg,根据 request 命令,设备驱动程序返回输出的数据。
返回值:打开成功返回文件描述符,失败将返回-1。
ioctl 的作用非常强大、灵活。不同的驱动程序内部会实现不同的 ioctl,
APP 可以使用各种 ioctl 跟驱动程序交互:可以传数据给驱动程序,也可以从驱
动程序中读出数据。

3. mmap 函数

#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

函数说明:
addr 表示指定映射的內存起始地址,通常设为 NULL 表示让系统自动选定
地址,并在成功映射后返回该地址;
length 表示将文件中多大的内容映射到内存中;
prot 表示映射区域的保护方式,可以为以下 4 种方式的组合
◼ PROT_EXEC 映射区域可被执行
◼ PROT_READ 映射区域可被读出
◼ PROT_WRITE 映射区域可被写入
◼ PROT_NONE 映射区域不能存取
Flags 表示影响映射区域的不同特性,常用的有以下两种
◼ MAP_SHARED 表示对映射区域写入的数据会复制回文件内,原来的文
件会改变。
◼ MAP_PRIVATE 表示对映射区域的操作会产生一个映射文件的复制,对
此区域的任何修改都不会写回原来的文件内容中。
返回值:若成功映射,将返回指向映射的区域的指针,失败将返回-1。

二、Framebuffer函数分析

源码

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>static int fd_fb;
static struct fb_var_screeninfo var;	/* Current var */
static int screen_size;
static unsigned char *fb_base;
static unsigned int line_width;
static unsigned int pixel_width;/*********************************************************************** 函数名称: lcd_put_pixel* 功能描述: 在LCD指定位置上输出指定颜色(描点)* 输入参数: x坐标,y坐标,颜色* 输出参数: 无* 返 回 值: 会* 修改日期        版本号     修改人	      修改内容* -----------------------------------------------* 2020/05/12	     V1.0	  zh(angenao)	      创建***********************************************************************/ 
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
{unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;unsigned short *pen_16;	unsigned int *pen_32;	unsigned int red, green, blue;	pen_16 = (unsigned short *)pen_8;pen_32 = (unsigned int *)pen_8;switch (var.bits_per_pixel){case 8:{*pen_8 = color;break;}case 16:{/* 565 */red   = (color >> 16) & 0xff;green = (color >> 8) & 0xff;blue  = (color >> 0) & 0xff;color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);*pen_16 = color;break;}case 32:{*pen_32 = color;break;}default:{printf("can't surport %dbpp\\n", var.bits_per_pixel);break;}}
}int main(int argc, char **argv)
{int i;fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);if (fd_fb < 0){printf("can't open /dev/fb0\\n");return -1;}if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)){printf("can't get var\\n");return -1;}line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;fb_base = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);if (fb_base == (unsigned char *)-1){printf("can't mmap\\n");return -1;}/* 清屏: 全部设为白色 */memset(fb_base, 0xff, screen_size);/* 随便设置出100个为红色 */for (i = 0; i < 100; i++)lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);munmap(fb_base , screen_size);close(fd_fb);return 0;	
}

1、打开设备

fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
if (fd_fb < 0)
{
printf("can't open /dev/fb0\n");
return -1;
}

2、获取 LCD 参数

LCD 驱动程序给 APP 提供 2 类参数:可变的参数 fb_var_screeninfo、固
定的参数 fb_fix_screeninfo。编写应用程序时主要关心可变参数,它的结构
体定义如下(#include <linux/fb.h>):
在这里插入图片描述
可以使用以下代码获取 fb_var_screeninfo:

12 static struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
{printf("can't get var\n");return -1;
}注意到 ioctl 里用的参数是:FBIOGET_VSCREENINFO,它表示 get var screen 
info,获得屏幕的可变信息;当然也可以使用 FBIOPUT_VSCREENINFO 来调整这
些参数,但是很少用到。对于固定的参数 fb_fix_screeninfo,在应用编程中很少用到。它的结构体定义如下:

在这里插入图片描述

3、映射 Framebuffer

要映射一块内存,需要知道它的地址──这由驱动程序来设置,需要知道它
的大小──这由应用程序决定。代码如下:
在这里插入图片描述
第 88 行中,screen_size 是整个 Framebuffer 的大小;PROT_READ | PROT_WRITE 表示该区域可读、可写;MAP_SHARED 表示该区域是共享的,APP 写入数据时,会直达驱动程序,这个参数的更深刻理解可以参考后面驱动基础中讲到的 mmap 知识。

4、描点函数

1    void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
2    {
3    	unsigned char *pen_8 = fb_base+y*line_width+x*pixel_width;
4    	unsigned short *pen_16;	
5    	unsigned int *pen_32;	
6
7    	unsigned int red, green, blue;	
8
9	    pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
10	    pen_32 = (unsigned int *)pen_8;
11
12	    switch (var.bits_per_pixel)
13      {
14	    	case 8:
15	    	{
16	    		*pen_8 = color;
17	    		break;
18	    	}
19	    	case 16:
20	    	{
21	    		/* 565 */
22	    		red   = (color >> 16) & 0xff;
23	    		green = (color >> 8) & 0xff;
24	    		blue  = (color >> 0) & 0xff;
25		    	color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);
26		    	*pen_16 = color;
27	    		break;
28	    	}
29	    	case 32:
30	    	{
31	    		*pen_32 = color;
32	    		break;
33	    	}
34	    	default:
35	    	{
36	    		printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
37	    		break;
38	    	}
39       }
40    }

①第 1 行中传入的 color 表示颜色,它的格式永远是 0x00RRGGBB,即RGB888。当 LCD 是 16bpp 时,要把 color 变量中的 R、G、B 抽出来再合并成 RGB565 格式。
②第 3 行计算(x,y)坐标上像素对应的 Framebuffer 地址。
③第 16 行,对于 8bpp,color 就不再表示 RBG 三原色了,这涉及调色板的概念,color 是调色板的值。
④第 22~24 行,先从 color 变量中把 R、G、B 抽出来。
⑤第 25 行,把 red、green、blue 这三种 8 位颜色值,根据 RGB565 的格式,只保留 red 中的高 5 位、green 中的高 6 位、blue 中的高 5 位,组合成一个新的 16 位颜色值。
⑥第 26 行,把新的 16 位颜色值写入 Framebuffer。
⑦第 31 行,对于 32bpp,颜色格式跟 color 参数一致,可以直接写Framebuffer。

5、随便画几个点

/* 清屏: 全部设为白色 */
96 memset(fbmem, 0xff, screen_size);
97
98 /* 随便设置出 100 个为红色 */
99 for (i = 0; i < 100; i++)
100 lcd_put_pixel(var.xres/2+i, var.yres/2, 0xFF0000);

6、上机实验

在 Ubuntu 中编译程序,先设置交叉编译工具链,再执行以下命令:

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c
然后在开发板上执行 show_pixel 程序。

在这里插入图片描述

三、FreeType编程

使用Freetype显示单个文字

1、矢量字体的引入

使用点阵字库显示英文字母、汉字时,大小固定,如果放大缩小则会模糊甚
至有锯齿出现,为了解决这个问题,引用矢量字体。
矢量字体形成分三步:
第1步 确定关键点,
第2步 使用数学曲线(贝塞尔曲线)连接头键点,
第3步 填充闭合区线内部空间。
什么是关键点?以字母“A”为例,它的的关键点如图 中的黄色所示:
在这里插入图片描述
再用数学曲线(比如贝塞尔曲线)将关键点都连接起来,得到一系列的封闭的曲线,
如图所示:
在这里插入图片描述
最后把封闭空间填满颜色,就显示出一个 A 字母,如图所示:
在这里插入图片描述
如果需要放大或者缩小字体,关键点的相对位置是不变的,只要数学曲线平
滑,字体就不会变形。

2、Freetype 介绍

Freetype 是开源的字体引擎库,它提供统一的接口来访问多种字体格式文件,从而实现矢量字体显示。我们只需要移植这个字体引擎,调用对应的 API 接口,提供字体文件,就可以让 freetype 库帮我们取出关键点、实现闭合曲线,填充颜色,达到显示矢量字体的目的。
关 键 点 (glyph) 存 在 字 体 文 件 中 , Windows 使 用 的 字 体 文 件c:\Windows\Fonts 目录下,扩展名为 TTF 的都是矢量字库,本次使用实验使用的是新宋字体 simsun.ttc。
给定一个字符,怎么在字体文件中找到它的关键点?
首先要确定该字符的编码值:比如 ASCII 码、GB2312 码、UNICODE 码。如果字体文件支持某种编码格式(charset),就可以使用这类编码值去找到该字符的关键点(glyph)。有些字体文件支持多种编码格式(charset),这在文件中被称为charmaps(注意:这个单词是复数,意味着可能支持多种 charset)。以 simsun.ttc 为例,该字体文件的格如下:头部含有 charmaps,可以使用某种编码值去 charmaps 中找到它对应的关键点。下图中的“A、B、中、国、韦”等只是 glyph 的示意图,表示关键点。
在这里插入图片描述
Charmaps 表示字符映射表,字体文件可能支持哪一些编码,GB2312UNICODEBIG5 或其他。如果字体文件支持该编码,使用编码值通过 charmap就可以找到对应的 glyph,一般而言都支持 ==UNICODE ==码。
有了以上基础,一个文字的显示过程可以概括如下:
在这里插入图片描述

3、 在 LCD 上显示一个矢量字体

一、使用 wchar_t 获得字符的 UNICODE 值

要显示一个字符,首先要确定它的编码值。常用的是 UNICODE 编码,在程序里使用这样的语句定义字符串时,str 中保存的要么是 GB2312 编码值,要么是UTF-8 格式的编码值,即使编译时使用“-fexec-charset=UTF-8”,str 中保存的也不是直接能使用的 UNICODE 值:

char *str = “中”;

如果想在代码中能直接使用 UNICODE 值,需要使用 wchar_t,宽字符,示例代码如下:

01 #include <stdio.h>
02 #include <string.h>
03 #include <wchar.h>
04
05 int main( int argc, char** argv)
06 {
07    wchar_t *chinese_str = L"中 gif";
08    unsigned int *p = (wchar_t *)chinese_str;
09    int i;
10
11    printf("sizeof(wchar_t) = %d, str's Uniocde: \n", (int)sizeof(wchar_t));
12    for (i = 0; i < wcslen(chinese_str); i++)
13    {
14       printf("0x%x ", p[i]);
15    }
16    printf("\n");
17
18    return 0;
19 }
}

UTF-8 格式保存 test_wchar.c,编译、测试命令如下:
在这里插入图片描述
每个 wchar_t 占据 4 字节,可执行程序里 wchar_t 中保存的就是字符的 UNICODE值。
注意:如果 test_wchar.c 是以 ANSI(GB2312)格式保存,那么需要使用以下命令来编译:

gcc -finput-charset=GB2312 -fexec-charset=UTF-8 -o test_wchar test_wchar.c

二、使用 freetype 得到位图
要使用 freetype 得到一个字符的位图,只需要 4 个步骤,代码先贴出来再分析:
在这里插入图片描述

①初始化 freetype 库
158 error = FT_Init_FreeType( &library ); /* initialize library /
②加载字体文件,保存在&face 中:
161 error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /
 create face object /
162 /
 error handling omitted /
163 slot = face->glyph;
第 163 行是从 face 中获得 FT_GlyphSlot,后面的代码中文字的位图就是保存在 FT_GlyphSlot 里。
③设置字体大小
165 FT_Set_Pixel_Sizes(face, font_size, 0);
④根据编码值得到位图
使用 FT_Load_Char 函数,就可以实现这 3 个功能:
⚫ 根据编码值获得 glyph_index:FT_Get_Char_Index
⚫ 根据 glyph_idex 取出 glyph:FT_Load_Glyph
⚫ 渲染出位图:FT_Render_Glyph
代码如下:
175 /
 load glyph image into the slot (erase previous one) */
176 error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );
执 行 FT_Load_Char 之后,字符的位图被存在 slot->bitmap 里 , 即face->glyph->bitmap。

三、在屏幕上显示位图
位图里的数据格式是怎样的?参考 example1.c 的代码,可以得到图:
在这里插入图片描述
要在屏幕上显示出这些位图,并不复杂:

183 draw_bitmap( &slot->bitmap,
184 var.xres/2,
185 var.yres/2);

draw_bitmap 函数代码如下,由于位图中每一个像素用一个字节来表示,在0x00RRGGBB 的颜色格式中它只能表示蓝色,所以在 LCD 上显示出来的文字是蓝色的:
=在这里插入图片描述
四、编译上机试验
在这里插入图片描述
五、详细代码

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/fb.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <wchar.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <ft2build.h>
#include FT_FREETYPE_H
#include FT_GLYPH_Hint fd_fb;
struct fb_var_screeninfo var;	/* Current var */
int screen_size;
unsigned char *fbmem;
unsigned int line_width;
unsigned int pixel_width;/*********************************************************************** 函数名称: lcd_put_pixel* 功能描述: 在LCD指定位置上输出指定颜色(描点)* 输入参数: x坐标,y坐标,颜色* 输出参数: 无* 返 回 值: 会* 修改日期        版本号     修改人	      修改内容* -----------------------------------------------* 2020/05/12	     V1.0	  zh(angenao)	      创建***********************************************************************/ 
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)
{unsigned char *pen_8 = fbmem+y*line_width+x*pixel_width;unsigned short *pen_16;	unsigned int *pen_32;	unsigned int red, green, blue;	pen_16 = (unsigned short *)pen_8;pen_32 = (unsigned int *)pen_8;switch (var.bits_per_pixel){case 8:{*pen_8 = color;break;}case 16:{/* 565 */red   = (color >> 16) & 0xff;green = (color >> 8) & 0xff;blue  = (color >> 0) & 0xff;color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | (blue >> 3);*pen_16 = color;break;}case 32:{*pen_32 = color;break;}default:{printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);break;}}
}/*********************************************************************** 函数名称: draw_bitmap* 功能描述: 根据bitmap位图,在LCD指定位置显示汉字* 输入参数: x坐标,y坐标,位图指针* 输出参数: 无* 返 回 值: 无* 修改日期        版本号     修改人	      修改内容* -----------------------------------------------* 2020/05/12	     V1.0	  zh(angenao)	      创建***********************************************************************/ 
void
draw_bitmap( FT_Bitmap*  bitmap,FT_Int      x,FT_Int      y)
{FT_Int  i, j, p, q;FT_Int  x_max = x + bitmap->width;FT_Int  y_max = y + bitmap->rows;//printf("x = %d, y = %d\n", x, y);for ( j = y, q = 0; j < y_max; j++, q++ ){for ( i = x, p = 0; i < x_max; i++, p++ ){if ( i < 0      || j < 0       ||i >= var.xres || j >= var.yres )continue;//image[j][i] |= bitmap->buffer[q * bitmap->width + p];lcd_put_pixel(i, j, bitmap->buffer[q * bitmap->width + p]);}}
}int main(int argc, char **argv)
{wchar_t *chinese_str = L"繁";FT_Library	  library;FT_Face 	  face;int error;FT_Vector     pen;FT_GlyphSlot  slot;int font_size = 24;if (argc < 2){printf("Usage : %s <font_file> [font_size]\n", argv[0]);return -1;}if (argc == 3)font_size = strtoul(argv[2], NULL, 0);fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);if (fd_fb < 0){printf("can't open /dev/fb0\n");return -1;}if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var)){printf("can't get var\n");return -1;}line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;fbmem = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);if (fbmem == (unsigned char *)-1){printf("can't mmap\n");return -1;}/* 清屏: 全部设为黑色 */memset(fbmem, 0, screen_size);/* 显示矢量字体 */error = FT_Init_FreeType( &library );			   /* initialize library *//* error handling omitted */error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /* create face object *//* error handling omitted */	slot = face->glyph;FT_Set_Pixel_Sizes(face, font_size, 0);/* 确定座标:*///pen.x = 0;//pen.y = 0;/* set transformation *///FT_Set_Transform( face, 0, &pen);/* load glyph image into the slot (erase previous one) */error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );if (error){printf("FT_Load_Char error\n");return -1;}draw_bitmap( &slot->bitmap,var.xres/2,var.yres/2);return 0;	
}
http://www.xdnf.cn/news/1189765.html

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