Framebuffer 驱动学习总结（一） ---- 总体架构及关键结构体

一、Framebuffer 设备驱动总体架构

帧缓冲设备为标准的字符型设备，在Linux中主设备号29，定义在/include/linux/major.h中的FB_MAJOR，次设备号定义帧缓冲的个数，最大允许有32个FrameBuffer，定义在/include/linux/fb.h中的FB_MAX，对应于文件系统下/dev/fb%d设备文件。

我们从上面这幅图看，帧缓冲设备在Linux中也可以看做是一个完整的子系统，大体由fbmem.c和xxxfb.c组成。向上给应用程序提供完善的设备文件操作接口(即对FrameBuffer设备进行read、write、ioctl等操作)，接口在Linux提供的fbmem.c文件中实现；向下提供了硬件操作的接口，只是这些接口Linux并没有提供实现，因为这要根据具体的LCD控制器硬件进行设置，所以这就是我们要做的事情了(即xxxfb.c部分的实现)。

二 、Framebuffer 相关的重要数据结构：

1、从Framebuffer设备驱动程序结构看，该驱动主要跟fb_info结构体有关，该结构体记录了Framebuffer设备的全部信息，包括设备的设置参数、状态以及对底层硬件操作的函数指针。在Linux中，每一个Framebuffer设备都必须对应一个fb_info，fb_info在/linux/fb.h中的定义如下：(只列出重要的一些)

 struct fb_info {
     atomic_t count;
     int node; ///次设备号
     int flags;
     struct mutex lock;  //用于open、release、ioctrl功能的锁
     struct mutex mm_lock;  /* Lock for fb_mmap and smem_* fields */
     struct fb_var_screeninfo var;  //LCD 可变参数
     struct fb_fix_screeninfo fix;   //LCD 固定参数
     struct fb_monspecs monspecs;   /* Current Monitor specs *///LCD 显示器标准
     struct work_struct queue;   //帧缓冲事件队列
     struct fb_pixmap pixmap;   ///图像硬件 mapper
     struct fb_pixmap sprite;   //光标硬件 mapper
     struct fb_cmap cmap;     //当前颜色表
     struct list_head modelist;   //模式列表
     struct fb_videomode *mode;   //当前的显示模式

 #ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT
     /* assigned backlight device */
     /* set before framebuffer registration,
        remove after unregister */
     struct backlight_device *bl_dev;///对应的背光设备

     /* Backlight level curve */
     struct mutex bl_curve_mutex;
     u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];///背光调整
 #endif
 #ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
     struct delayed_work deferred_work;
     struct fb_deferred_io *fbdefio;
 #endif

     struct fb_ops *fbops;///---->对底层硬件设备操作的函数指针
     struct device *device;     /* This is the parent *////父设备节点
     struct device *dev;      /* This is this fb device *////当前的帧缓冲设备
     int class_flag;               /* private sysfs flags */
 #ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
     struct fb_tile_ops *tileops;  /* Tile Blitting *///图块Blitting ?
 #endif
     char __iomem *screen_base;   /* Virtual address *///虚拟地址
     unsigned long screen_size;   /* Amount of ioremapped VRAM or 0 */ ///LCD IO映射的虚拟内存大小
     void *pseudo_palette;       /* Fake palette of 16 colors *///伪16色 颜色表
 #define FBINFO_STATE_RUNNING   0
 #define FBINFO_STATE_SUSPENDED   1
     u32 state;            /* Hardware state i.e suspend *////LCD 挂起或复位的状态
     void *fbcon_par;                /* fbcon use-only private area */
     /* From here on everything is device dependent */
     void *par;
     /* we need the PCI or similar aperture base/size not
        smem_start/size as smem_start may just be an object
        allocated inside the aperture so may not actually overlap */
     struct apertures_struct {
         unsigned int count;
         struct aperture {
             resource_size_t base;
             resource_size_t size;
         } ranges[];
     } *apertures;

     bool skip_vt_switch; /* no VT switch on suspend/resume required */
 };

其中,fb_var_screeninfo和fb_fix_screeninfo两个结构体跟LCD硬件属性相关，fb_var_screeninfo代表可修改的LCD显示参数，如分辨率和像素比特数；fb_fix_screeninfo代表不可修改的LCD属性参数，如显示内存的物理地址和长度等。另外一个非常重要的成员是fb_ops，其是LCD底层硬件操作接口集。

fb_ops硬件操作接口集包含很多接口，如设置可变参数fb_set_par、设置颜色寄存器fb_setcolreg、清屏接口fb_blank、画位图接口fb_imageblit、内存映射fb_mmap等等。

fb_info结构体在调用register_framebuffer之前完成初始化。一般来说，LCD设备属于平台设备，其初始化是在平台设备驱动的probe接口完成。而LCD设备所涉及的硬件初始化则在平台设备初始化中完成。

2、fb_fix_screeninfo结构体主要记录用户不可以修改的控制器的参数，该结构体的定义如下：

 struct fb_fix_screeninfo {
     char id[];            //字符串形式的标识符
     unsigned long smem_start;   /fb 缓存的开始位置
                     /* (physical address) */
     __u32 smem_len;            /* Length of frame buffer mem *///fb 缓存的长度
     __u32 type;            /* see FB_TYPE_*        *////看FB_TYPE_* -->
     __u32 type_aux;            /* Interleave for interleaved Planes *///分界
     __u32 visual;             ///看FB_VISUAL_* -->
     __u16 xpanstep;         //如果没有硬件panning就赋值为0
     __u16 ypanstep;            //如果没有硬件panning就赋值为0
     __u16 ywrapstep;        //如果没有硬件ywrap就赋值为0
     __u32 line_length;        //一行的字节数
     unsigned long mmio_start;   //内存映射 IO的开始位置
                     /* (physical address) */
     __u32 mmio_len;            //内存映射 IO的长度
     __u32 accel;            /* Indicate to driver which    */
                     /*  specific chip/card we have    */
     __u16 capabilities;        /* see FB_CAP_*            *///功能 ---FB_CAP_FOURCC--- Device supports FOURCC-based formats
     __u16 reserved[];       //为以后的兼容性保留
 };

3、fb_var_screeninfo结构体主要记录用户可以修改的控制器的参数，比如屏幕的分辨率和每个像素的比特数等，该结构体定义如下：

 struct fb_var_screeninfo { ///显示屏信息
     __u32 xres;            /* visible resolution*//可视区域，一行有多少个像素点
     __u32 yres;            ///可视区域，一列有多少个像素点
     __u32 xres_virtual;  /* virtual resolution*//虚拟区域，一行有多少个像素点，简单的意思就是内存中定义的区间是比较大的
     __u32 yres_virtual;////虚拟区域，一列有多少个像素点
     __u32 xoffset;            //虚拟到可见屏幕之间的行偏移
     __u32 yoffset;            /* resolution *//虚拟到可见屏幕之间的列偏移

     __u32 bits_per_pixel; /* guess what*/ 每个像素的 bit 数，这个参数不需要自己配置，而是通过上层在调用 checkvar 函数传递 bpp 的时候赋值的
     __u32 grayscale;        /* 0 = color, 1 = grayscale,*////等于零就成黑白 (灰度)
                     /* >1 = FOURCC            */
     // 通过 pixel per bpp 来设定 red green 和 blue 的位置； pixel per bpp 可以通过 ioctl 设定
     struct fb_bitfield red;        //fb缓存的R位域
     struct fb_bitfield green;    /* else only length is significant *//fb缓存的G位域
     struct fb_bitfield blue;                                        //fb缓存的B位域
     struct fb_bitfield transp;    /* transparency *//透明度

     __u32 nonstd;            /* != 0 Non standard pixel format *///如果nonstd 不等于0，非标准的像素格式

     __u32 activate;            /* see FB_ACTIVATE_*     */

     __u32 height;         //内存中的图像高度
     __u32 width;        //内存中的图像宽度

     __u32 accel_flags;        /* (OBSOLETE) see fb_info.flags *////加速标志

     /* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
     ///时序，这些部分就是显示器的显示方法了，和具体的液晶显示屏有关，在驱动中一般放在 具体液晶屏的配置文件
     __u32 pixclock;            /* pixel clock in ps (pico seconds) *///像素时钟
     __u32 left_margin;        /* time from sync to picture    *////行切换，从同步到绘图之间的延迟
     __u32 right_margin;        /* time from picture to sync    *///行切换，从绘图到同步之间的延迟
     __u32 upper_margin;        /* time from sync to picture    *///帧切换，从同步到绘图之间的延迟
     __u32 lower_margin;                                        ////帧切换，从绘图到同步之间的延迟
     __u32 hsync_len;        /* length of horizontal sync    */ //水平同步的长度
     __u32 vsync_len;        /* length of vertical sync    */ //垂直同步的长度
     __u32 sync;            /* see FB_SYNC_*      *////---->看 FB_SYNC_*
     __u32 vmode;            /* see FB_VMODE_*      *////---->看 FB_VMODE_*
     __u32 rotate;            /* angle we rotate counter clockwise */
     __u32 colorspace;        /* colorspace for FOURCC-based modes */
     __u32 reserved[];        /* Reserved for future compatibility */
 };

通过下图可以对fb_var_screeninfo中涉及的时序理解更清楚一些：

4、fb_ops结构体是对底层硬件操作的函数指针，该结构体中定义了对硬件的操作有:

注： fb_ops结构与file_operations 结构不同，fb_ops是底层操作的抽象,而file_operations是提供给上层系统调用的接口，可以直接调用.

 struct fb_ops {
     /* open/release and usage marking */
     struct module *owner;
     int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);
     int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);
/*对于非线性布局的/常规内存映射无法工作的帧缓冲设备需要*/ 
     ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,
                size_t count, loff_t *ppos);
     ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,
                 size_t count, loff_t *ppos);
     /* checks var and eventually tweaks it to something supported,
      * DO NOT MODIFY PAR */
     int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);///检查可变参数并进行设置
     /* set the video mode according to info->var */
     int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);///根据设置的值进行更新，使之有效
     /* set color register */
     int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green, ////设置颜色寄存器
                 unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);
     /* set color registers in batch */
     int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);
 
     int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);///显示空白
     /*pan显示*/
     int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
     void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);///矩形填充
     void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);///复制数据
     void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);///图形填充
     /* 绘制光标 */
     int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);
     /* 旋转显示 */
     void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);
     /* 等待blit空闲 */
     int (*fb_sync)(struct fb_info *info);
     /* fb 特定的 ioctl */
     int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,
             unsigned long arg);
     /* 处理32bit compat ioctl (optional) */
     int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,
             unsigned long arg);
     /* fb 特定的 mmap */
     int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);
     /* get capability given var */
     void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps,
                 struct fb_var_screeninfo *var);
     /* teardown any resources to do with this framebuffer */
     void (*fb_destroy)(struct fb_info *info);
     /* called at KDB enter and leave time to prepare the console */
     int (*fb_debug_enter)(struct fb_info *info);
     int (*fb_debug_leave)(struct fb_info *info);
 };

5、fb_cmap：设备独立的 colormap 信息，可以通过 ioctl 的 FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 命令设置 colormap；

struct fb_cmap { //颜色映射表
    __u32 start;            /* First entry    *////第一个入口
    __u32 len;            /* Number of entries *///入口的数字
    __u16 *red;            /* Red values    *///红色
    __u16 *green;                        ///绿色
    __u16 *blue;                        ///蓝色
    __u16 *transp;           //透明度，允许为空
};

这些结构相互之间的关系如下所示：