1 Framebuffer应用开发

1 Framebuffer应用开发

1.1 LCD Framebuffer操作原理

​ LCD Framebuffer 就是一块显存,在嵌入式系统中,显存是被包含在内存中。LCD Framebuffer里的若干字节(根据驱动程序对LCD控制器的配置而定)表示LCD屏幕中的一个像素点,一一对应整个LCD屏幕。举个例子,LCD屏幕是800* 600的分辨率,即LCD屏幕存在480000个像素点,若每个像素点4个字节表示,那么LCD Framebuffer显存大小为480000 * 4=960000字节,即1.92MB。因此我们的内存将会分割至少1.92MB的空间用作显存。具体地址在哪里,这个就是又驱动程序去定,应用程序只需直接使用即可,硬件相关操作已由驱动程序封装好。

​ 如上图,我们只需要往Framebuffer中填入不同的值,驱动程序和硬件控制器就会把这些数据传输到对应LCD屏幕上的像素点,从而显示不同的颜色。由此可知,我们应用程序只需要针对Framebuffer操作即可,其他交给驱动程序和硬件。

1.2 Framebuffer API接口

1.2.1 open系统调用

image

头文件:#include <sys/types.h>,#include <sys/stat.h>,#include <fcntl.h>

函数原型:

  • int open(const char *pathname, int flags);
  • int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函数说明:

  • pathname 表示打开文件的路径;

  • Flags表示打开文件的方式,常用的有以下6种,

    ①:O_RDWR表示可读可写方式打开;

    ②:O_RDONLY表示只读方式打开;

    ③:O_WRONLY表示只写方式打开;

    ④:O_APPEND 表示如果这个文件中本来是有内容的,则新写入的内容会接续到原来内容的后面;

    ⑤:O_TRUNC表示如果这个文件中本来是有内容的,则原来的内容会被丢弃,截断;

    ⑥:O_CREAT表示当前打开文件不存在,我们创建它并打开它,通常与O_EXCL结合使用,当没有文件时创建文件,有这个文件时会报错提醒我们;

Mode表示创建文件的权限,只有在flags中使用了O_CREAT时才有效,否则忽略。

返回值:打开成功返回文件描述符,失败将返回-1。

1.2.2 ioctl系统调用

头文件:#include <sys/ioctl.h>

函数原型:

  • 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;
  • … 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。

1.2.3 mmap系统调用

头文件:#include <sys/mman.h>

函数原型:

  • 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

    ①PROT_EXEC 映射区域可被执行

    ②PROT_READ 映射区域可被读写

    ③PROT_WRITE 映射区域可被写入

    ④PROT_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

    ①MAP_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。

    ②MAP_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。

1.3 在LCD上描点操作

1.3.1 在LCD上显示点阵理论基础

​ 如上图,当我们需要显示一个字母‘A’时,是通过判断点阵的每一个位数值状态,来填充颜色,达到显示字符效果。其中‘1’表示一种颜色,‘0’表示填充另一种颜色。上图的是8*16的点阵,我们也可以用其他不同大小点阵,只要有这个点阵,我们就可以在LCD上面描点,达到显示字符的效果。

1.3.2 获取fb_var_screeninfo结构体

​ 在用点阵显示字符之前,我们需要先从设备fb0中获取相关的LCD信息,下图截取我们将用到的fb_info结构体部分内容。

​ 通过系统调用ioctl,获取xres(x方向总像素点),yres(y方向总像素点),bits_per_pixel(每个像素点占据的位数),根据获取的三个资源,外加点阵,根据这四个资源,我们就可以显示一个字符。

程序文件:show_ascii.c

4718        fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
4719        if (fd_fb < 0)
4720        {
4721            printf("can't open /dev/fb0\n");
4722            return -1;
4723        }
4724        if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
4725        {
4726			printf("can't get var\n");
4727			return -1;
4728		}	

​ 先打开LCD设备(fb0),获得文件描述符,再通过ioctl获取fb_var_screeninfo信息并保存在var变量,后续只需访问var这个结构体,就可以获得xres(x方向总像素点),yres(y方向总像素点),bits_per_pixel(每个像素点占据的位数)这三个关于fb0的资源。

1.3.3 根据fb_var_screeninfo计算变量

fb_var_screeninfo已保存在var结构体变量中,接着来访问var结构体变量即可

根据xres与bits_per_pixel算出每行像素点所占据的字节数

程序文件:show_ascii.c

4730	line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;

根据bits_per_pixel算出每个像素点所占据的字节数

程序文件:show_ascii.c

4731    pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;

根据xres,yres,bits_per_pixel算出全部像素点所占据的字节总和

程序文件:show_ascii.c

4732    screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;

1.3.4 使用mmap系统调用,映射内存

程序文件:show_ascii.c

4733	fbmem = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | 			PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
4734	if (fbmem == (unsigned char *)-1)
4735	{
4736		printf("can't mmap\n");
4737		return -1;
4738	}
4739
4740	/* 清屏: 全部设为黑色 */
4741	memset(fbmem, 0, screen_size);

​ 调用mmap将显存映射在内存中,以可读可写(PROT_READ | PROT_WRITE)及内存回写(MAP_SHARED)的方式映射,从而获得一个指向映射在内存空间的首地址fbmem,后续操作就是在这个首地址的基础上计算各种不同的偏移量,填充颜色值。

1.3.5 描点函数编写

程序文件:show_ascii.c

4641	void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)

描点函数有3个参数,x坐标,y坐标,像素点颜色值。

程序文件:show_ascii.c

4643		unsigned char *pen_8 = fbmem+y*line_width+x*pixel_width;
4644		unsigned short *pen_16;	
4645		unsigned int *pen_32;	
4646
4647		unsigned int red, green, blue;	
4648
4649		pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
4650		pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

​ 在此处函数参数x与y表示的是像素点的坐标,而单个像素点所占据的显存大小可能会有不同的情况出现,如1字节表示一个像素点,2字节表示一个像素点,4字节表示一个像素点等,为了更多的兼容不同的情况,因此申请3个指针,pen_8指向的是占据1个字节的像素点空间, pen_16指向的是占据2个字节的像素点空间,pen_32指向的是占据4个字节的像素点空间。

fbmem是系统调用mmap返回的显存首地址,根据fbmem计算填充颜色的内存空间。

当像素点占据1个字节空间时

对应描点地址= fbmem+Y * 一行所占据的字节数 + x * 每个像素点所占据的字节数

程序文件:show_ascii.c

4652		switch (var.bits_per_pixel)
4653		{
4654			case 8:
4655			{
4656				*pen_8 = color;
4657				break;
4658			}
4659			case 16:
4660			{
4661				/* 565 */
4662				red   = (color >> 16) & 0xff;
4663				green = (color >> 8) & 0xff;
4664				blue  = (color >> 0) & 0xff;
4665				color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | 						(blue >> 3);
4666				*pen_16 = color;
4667				break;
4668			}
4669			case 32:
4670			{
4671				*pen_32 = color;
4672				break;
4673			}
4674			default:
4675			{
4676				printf("can't surport %dbpp\n", var.bits_per_pixel);
4677				break;
4678			}
4679		}
4680	}

​ 根据设备fb0实际的bits_per_pixel值,选择对应的pen(pen_8,pen_16,pen_32其中一个),最后把color颜色变量传入选择的pen中。

1.4 在LCD上使用点阵写字

1.4.1 在LCD上显示英文字母

①找出英文字母在点阵数组中的地址,c所代表的是一个英文字母(ASCII值)。

程序文件:show_ascii.c

4693		unsigned char *dots = (unsigned char *)&fontdata_8x16[c*16];

②根据获得的英文字母点阵,每一位依次判断,描点,‘1’表示白色,‘0’表示黑色。
image

​ 根据上图,我们分析下如何利用点阵在LCD上显示一个英文字母,因为有十六行,所以首先要有一个循环16次的大循环,然后每一行里有8位,那么在每一个大循环里也需要一个循环8次的小循环,小循环里的判断单行的描点情况,如果是1,就填充白色,如果是0就填充黑色,如此一来,就可以显示出黑色底,白色轮廓的英文字母。

程序文件:show_ascii.c

4697		for (i = 0; i < 16; i++)
4698		{
4699			byte = dots[i];
4700			for (b = 7; b >= 0; b--)
4701			{
4702				if (byte & (1<<b))
4703				{
4704					/* show */
4705					lcd_put_pixel(x+7-b, y+i, 0xffffff); /* 白 */
4706				}
4707				else
4708				{
4709					/* hide */
4710					lcd_put_pixel(x+7-b, y+i, 0); /* 黑 */
4711				}
4712			}
4713	}

③调用我们编写的lcd_put_ascii函数

程序文件:show_ascii.c

4743 lcd_put_ascii(var.xres/2, var.yres/2, 'A'); /*在屏幕中间显示8*16的字母A*/

④编译c文件show_ascii.c

编译命令:arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_ascii show_ascii.c

⑤将编译出来的show_ascii传输到开发板,并进入show_ascii的目录下

执行命令:./show_ascii

如果实验成功,我们将看到屏幕中间会显示出一个白色的字母‘A’。

1.4.2 在LCD上显示汉字

​ 与显示英文字母有点不同,因为汉字的点阵我们是需要通过汉字库提取出来,并没有直接提供点阵数组,因此我们程序开头需要打开汉字库文件(HZK16),然后再找到相应的位置,提取出汉字的点阵,最后再按显示英文字母一样显示它,不过这个汉字是16*16的。

① 打开汉字库文件

程序文件:show_font.c

4760	fd_hzk16 = open("HZK16", O_RDONLY); 

② 获取汉字库文件的属性,存在hzk_stat结构体变量中

程序文件:show_font.c

4793	if(fstat(fd_hzk16, &hzk_stat))

此处主要是用知道该文件的大小,因为后面mmap时需要知道映射的文件大小。

③使用mmap系统调用

程序文件:show_font.c

4798	hzkmem = (unsigned char *)mmap(NULL , hzk_stat.st_size, 				PROT_READ, MAP_SHARED, fd_hzk16, 0);

hzkmem与fbmem类似,也是一个指向映射内存的指针,但是它是指向汉字库,方便

后续计算汉字点阵偏移位置用。

④使用汉字库,调出点阵显示汉字

​ HZK16 字库是符合GB2312标准的16×16点阵字库HZK16的编码,每个字需要32个字节的点阵来表示,例如我们将要显示的‘中’字,编码是D6D0,难道就是2个字节表示吗?不是说32字节吗?D6D0编码是一个类似于索引码,D6是区码,D0是位码,先要找到D6-A1才是真正区,在D6-A1区里找到D0-A1的真正位置,这才是‘中’字点阵的起始位置(减去A1是为了兼容ascii),每一个区有94个汉字。

程序文件:show_font.c

4734		unsigned int area  = str[0] - 0xA1;
4735		unsigned int where = str[1] - 0xA1;
4736		unsigned char *dots = hzkmem + (area * 94 + where)*32;

​ 上图是汉字点阵排布的示意图,总共有十六行,因此需要一个循环16次的大循环,考虑到一行有两个字节,我们大循环中加入一个循环2次的循环用于区分是哪个字节,最后判断当前字节的每一位,如果为 ‘1’描白色,如果为‘0’描黑色

程序文件:show_font.c

4740	for (i = 0; i < 16; i++)
4741			for (j = 0; j < 2; j++)
4742			{
4743				byte = dots[i*2 + j];
4744				for (b = 7; b >=0; b--)
4745				{
4746					if (byte & (1<<b))
4747					{
4748						/* show */
4749						lcd_put_pixel(x+j*8+7-b, y+i, 0xffffff); /* 白 */
4750					}
4751					else
4752					{
4753						/* hide */
4754						lcd_put_pixel(x+j*8+7-b, y+i, 0); /* 黑 */
4755					}	
4756				}
4757			}

⑤调用我们编写的lcd_put_chinese函数

程序文件:show_font.c

4810	printf("chinese code: %02x %02x\n", str[0], str[1]);
4811	lcd_put_chinese(var.xres/2 + 8,  var.yres/2, str);

⑥编译c文件show_font.c

编译命令:arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_font show_font.c

注:使用此命令HZK16文件必须与show_font.C在同一目录下。

⑦将编译出来的show_font传输到开发板,并进入show_font的目录下

执行命令:./show_font

如果实验成功,我们将看到屏幕中间会显示出一个白色的字母‘A’与汉字‘中’,同时在串口打印信息中看到‘中’对应的编码。

chinese code: d6 d0

1.5 搭建freetype相关环境

1.5.1 交叉编译freetype,并安装

①解压freetype源文件

tar xjf freetype-2.4.10.tar.bz2 

②进入解压后的freetype-2.4.10目录

cd freetype-2.4.10

③配置freetype-2.4.10

./configure --host=arm-linux-gnueabihf --prefix=/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/

④建个目录,避免后面安装出错提示缺少这个internal目录

mkdir /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype/internal -p

④编译

make

⑤安装

make install

⑥移动freetype头文件,避免以后编译总是需要指定头文件路径

mv /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/

1.5.2 freetype库,头文件移植至开发板

​ 由于100ask开发板已经有freetype相关的库和头文件,因此不需要移植,如果开发板没有freetype库和头文件就需要按以下方法移植

/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/* 复制到开发板的头文件目录中

/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/lib/so 复制到开发板的库文件目录中

注:链接文件需要保持它的链接属性(即加-d选项)。

1.6 使用freetype

1.5.1 矢量字体引入

​ 点阵显示英文字母,汉字时,大小固定,如果放大会有锯齿出现,为了解决这个问题,引用矢量字体。

矢量字体形成分三步,若干的关键点,数学曲线(贝塞尔曲线),填充颜色组合而成。

①假设A字母的关键点如图中的黄色圈圈,确定关键点。

②用数学曲线将关键点都连接起来,成为封闭的曲线。

③最后把封闭空间填满颜色,就显示出一个A字母。

​ 如果需要放大或者缩小字体,关键点的相对位置是不变的,跟进放大比例放大或缩小,但是相对位置不变,好像分数中的1/2 和 2/4,比例是不变的,但是值却大了,类似这个味道。

1.5.2 Freetype理论介绍

​ 开源的Freetype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,提供字体关键点,就可以让freetype库帮我们实现闭合曲线,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使用的字体文件在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。

字体文件结构如上图

​ Charmaps表示字符映射表,字体文件可能支持哪一些编码,GBK,UNICODE,BIG5还是别的编码,如果字体文件支持该编码,跟进编码,通过charmap,找到对应的glyph,一般而言都支持UNICODE码。

有了以上基础,我们想象一个文字的显示过程

  • ①给定一个文字吗‘A’(0x41),‘中’(GBK,UNICODE ,BIG5)可以确定它的编码值;
  • ②跟进编码值,从枝头文件中通过charmap找到对应的关键点(glyph);
  • ③设置字体大;
  • ④用某些函数把关键点(glyph)缩放为我们设置的字体大小;
  • ⑤转换为位图点阵
  • ⑥在LCD上显示出来
    image

​ 如上图,参照step1,step2,step3里的内容,可以学习如何使用freetype库,大致总结下,为如下步骤。

①初始化:FT_InitFreetype

②加载(打开)字体Face:FT_New_Face

③设置字体大小:FT_Set_Char_Sizes 或 FT_Set_Pixel_Sizes

④选择charmap:FT_Select_Charmap

⑤根据编码值charcode找到glyph : glyph_index = FT_Get_Char_Index(face,charcode)

⑥根据glyph_index取出glyph:FT_Load_Glyph(face,glyph_index)

⑦转为位图:FT_Render_Glyph

⑧移动或旋转:FT_Set_Transform

1.5.2 在LCD上显示一个矢量字体

image

我们可以参考上图位置的c程序,编写程序。

①初始化freetype库

程序文件:freetype_show_font.c

4872	error = FT_Init_FreeType( &library );		/* initialize library */

②用freetype库中的FT_New_Face函数创建一个face字体文件对象,保存在&face中

程序文件:freetype_show_font.c

4875    error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /* create face object */

③提取face对象中的glyph,即关键点集

程序文件:freetype_show_font.c

4877    slot = face->glyph;

④设置像素点大小,24*24

程序文件:freetype_show_font.c

4879    FT_Set_Pixel_Sizes(face, 24, 0);

⑤确定坐标

​ 目前我们前面所用的都是LCD的坐标系对应的x与y坐标,然后在freetype上却是使用的笛卡尔坐标系,因此我们还需要转换x与y坐标。


我们将要显示的是‘繁’字,根据上图可知,先计算在lcd坐标系的情况下‘繁’字

的左下角的x坐标与y坐标,因为在笛卡尔坐标中左下角为字符的原点,‘A’是的左上角为整个屏幕的中心点,即(xres/2,yres/2)。

  • lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16;lcd_y = var.yres/2 + 16
  • 则笛卡尔座标系:x = lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16 ; y = var.yres - lcd_y = var.yres/2 – 16
  • 单位是1/64像素,所以需要乘以64

程序文件:freetype_show_font.c

4888	pen.x = (var.xres/2 + 8 + 16) * 64;
4889	pen.y = (var.yres/2 - 16) * 64;
4890
4891	/* set transformation */
4892    FT_Set_Transform( face, 0, &pen);

⑥找到glyph的位置,然后取出,并转换为位图

4895    error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );
4896	if (error)
4897	{
4898		printf("FT_Load_Char error\n");
4899		return -1;
4900	}

FT_Load_Char函数调用替代了上图这3步。

最后把转换出来的位图打印出来,也是参考example1.c编写

程序文件:freetype_show_font.c

4902 	  draw_bitmap( &slot->bitmap,
4903         	        slot->bitmap_left,
4904             	    var.yres - slot->bitmap_top);

程序文件:example1.c

修改上图3处位置

  • Width宽度:因为在LCD上显示,宽度自然就是x方向的像素点数,var.xres;

  • Height高度:因为在LCD上显示,高度自然就是y方向的像素点数,var.yres;

  • 用点阵实验中的的描点函数lcd_put_pixel替代image数组

    lcd_put_pixel(i, j, bitmap->buffer[q * bitmap->width + p]);

⑥编译C程序文件freetype_show_font.c

编译命令:arm-linux-gnueabihf-gcc -finput-charset=GBK -fexec-charset=GBK -o freetype_show_font freetype_show_font.c -lfreetype -lm

⑦将编译好的freetype_show_font的文件与simsun.ttc字体文件拷贝至开发板,simsun.ttc字体文件放在freetype_show_font执行文件的上一层目录下,执行以下命令。

执行命令:./freetype_show_font …/simsun.ttc

如果实验成功,我们将看到屏幕中间会比之前实验多出一个蓝色的‘繁’字。

1.5.3 在LCD上令矢量字体旋转某个角度

在实现显示一个矢量字体后,我们可以添加让该字旋转某个角度的功能。

我们根据输入的第二个参数,判断其旋转角度,主要代码还是参照example1.c

根据上图,增加旋转角度功能,旋转的角度由执行命令的第二个参数指定。

程序文件:freetype_show_font_angle.c

		/* use 25 degrees */
4894	angle = ( 1.0 * strtoul(argv[2], NULL, 0) / 360 ) * 3.14159 * 2;

4895	/* set up matrix */
4896	matrix.xx = (FT_Fixed)( cos( angle ) * 0x10000L );
4897	matrix.xy = (FT_Fixed)(-sin( angle ) * 0x10000L );
4898	matrix.yx = (FT_Fixed)( sin( angle ) * 0x10000L );
4899	matrix.yy = (FT_Fixed)( cos( angle ) * 0x10000L );
4900
4901    /* set transformation */
4902    FT_Set_Transform( face, &matrix, &pen);

最后编译,在开发板上运行

编译命令如下:

编译命令:arm-linux-gnueabihf-gcc -finput-charset=GBK -fexec-charset=GBK -o freetype_show_font_angle freetype_show_font_angle.c -lfreetype -lm

编译出的文件名为freetype_show_font_angle,将文件拷贝至开发板

在含有该文件的目录下执行以下命令,以下命令正确执行前提是执行文件freetype_show_font在此目录,而且字体文件simsun.ttc,在上一级目录:

执行命令:./freetype_show_font_angle …/simsun.ttc 90

如果实验成功,我们将看到屏幕中间的蓝色‘繁’字,旋转了90度。