《I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南 V1.1》第二十章 FrameBuffer应用编程

正点原子运营 · 发表于 2021-8-25 15:51:25

1）实验平台：正点原子阿尔法Linux开发板
2) 章节摘自【正点原子】《I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南 V1.1》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609033604451
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/arm-linux/zdyz-i.mx6ull.html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子阿尔法Linux交流群：1027879335

第二十章 FrameBuffer应用编程

本章学习Linux下的Framebuffer应用编程，通过对本章内容的学习，大家将会了解到Framebuffer设备究竟是什么？以及如何编写应用程序来操控FrameBuffer设备。
本章将会讨论如下主题。
什么是Framebuffer设备？
LCD显示的基本原理；
使用存储映射I/O方式编写LCD应用程序。
在LCD上显示不同的颜色；
在LCD上显示图片；

20.1什么是FrameBuffer
Frame是帧的意思，buffer是缓冲的意思，所以Framebuffer就是帧缓冲，这意味着Framebuffer就是一块内存，里面保存着一帧图像。帧缓冲（framebuffer）是Linux系统中的一种显示驱动接口，它将显示设备（譬如LCD）进行抽象、屏蔽了不同显示设备硬件的实现，对应用层抽象为一块显示内存（显存），它允许上层应用程序直接对显示缓冲区进行读写操作，而用户不必关心物理显存的位置等具体细节，这些都由Framebuffer设备驱动来完成。
所以在Linux系统中，显示设备被称为FrameBuffer设备（帧缓冲设备），所以LCD显示屏自然而言就是FrameBuffer设备。FrameBuffer设备对应的设备文件为/dev/fbX（X为数字，0、1、2、3等），Linux下可支持多个FrameBuffer设备，最多可达32个，分别为/dev/fb0到/dev/fb31，譬如阿尔法开发板出厂烧录的Linux系统中，/dev/fb0设备节点便是对应LCD屏。
应用程序读写/dev/fbX就相当于读写显示设备的显示缓冲区（显存），譬如LCD的分辨率是800*480，每一个像素点的颜色用24位（譬如RGB888）来表示，那么这个显示缓冲区的大小就是800 x 480 x 24 / 8 = 1152000个字节。譬如执行下面这条命令将LCD清屏，也就是将其填充为黑色（假设LCD对应的设备节点是/dev/fb0，分辨率为800*480，RGB888格式）：

dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=1024 count=1125

复制代码

这条命令的作用就是将1125x1024个字节数据全部写入到LCD显存中，并且这些数据都是0x0。
20.2LCD的基础知识
关于LCD相关的基础知识，本书不再介绍，在阿尔法I.MX6U开发板配套提供的驱动教程中已经有过详细的介绍，除此之外，网络上也能找到相关内容。
20.3LCD应用编程介绍
本小节介绍如何对FrameBuffer设备（譬如LCD）进行应用编程，通过上面的介绍，相信大家应该已经知道了如何操作LCD显示，应用程序通过对LCD设备节点/dev/fb0（假设LCD对应的设备节点是/dev/fb0）进行I/O操作即可实现对LCD的显示控制，实质就相当于读写了LCD的显存，而显存是LCD的显示缓冲区，LCD硬件会从显存中读取数据显示到LCD液晶面板上。
在应用程序中，操作/dev/fbX的一般步骤如下：
①、首先打开/dev/fbX设备文件。
②、使用ioctl()函数获取到当前显示设备的参数信息，譬如屏幕的分辨率大小、像素格式，根据屏幕参数计算显示缓冲区的大小。
③、通过存储映射I/O方式将屏幕的显示缓冲区映射到用户空间（mmap）。
④、映射成功后就可以直接读写屏幕的显示缓冲区，进行绘图或图片显示等操作了。
⑤、完成显示后，调用munmap()取消映射、并调用close()关闭设备文件。
从上面介绍的操作步骤来看，LCD的应用编程还是非常简单的，这些知识点都是在前面的入门篇中给大家介绍过。
20.3.1使用ioctl()获取屏幕参数信息
当打开LCD设备文件之后，需要先获取到LCD屏幕的参数信息，譬如LCD的X轴分辨率、Y轴分辨率以及像素格式等信息，通过这些参数计算出LCD显示缓冲区的大小。
通过ioctl()函数来获取屏幕参数，3.10.2小节给大家介绍过该函数，ioctl()是一个文件IO操作的杂物箱，可以处理的事情非常杂、不统一，一般用于操作特殊文件或设备文件，为了方便讲解，再次把ioctl()函数的原型列出：

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

复制代码

第一个参数fd对应文件描述符；第二个参数request与具体要操作的对象有关，没有统一值；此函数是一个可变参函数，第三个参数需要根据request参数来决定，配合request来使用。
譬如对于Framebuffer设备来说，常用的request包括FBIOGET_VSCREENINFO、FBIOPUT_VSCREENINFO、FBIOGET_FSCREENINFO。
FBIOGET_VSCREENINFO：表示获取FrameBuffer设备的可变参数信息，可变参数信息使用struct fb_var_screeninfo结构体来描述，所以此时ioctl()需要有第三个参数，它是一个struct fb_var_screeninfo类型指针，指向struct fb_var_screeninfo类型对象，ioctl()调用成功之后会将可变参数信息保存在struct fb_var_screeninfo类型对象中，如下所示：

struct fb_var_screeninfo fb_var;
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);

复制代码

FBIOPUT_VSCREENINFO：表示设置FrameBuffer设备的可变参数信息，既然是可变参数，那说明应用层可对其进行修改、重新配置，当然前提条件是底层驱动支持这些参数的动态调整，譬如在我们的Windows系统中，用户可以修改屏幕的显示分辨率，这就是一种动态调整。同样此时ioctl()需要有第三个参数，也是一个struct fb_var_screeninfo类型指针，指向struct fb_var_screeninfo类型对象，如下所示：

struct fb_var_screeninfo fb_var = {0};
/* 对fb_var进行数据填充 */
......
......
/* 设置可变参数信息 */
ioctl(fd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &fb_var);

复制代码

FBIOGET_FSCREENINFO：表示获取FrameBuffer设备的固定参数信息，既然是固定参数，那就意味着应用程序不可修改。固定参数信息使用struct fb_fix_screeninfo结构体来描述，所以此时ioctl()需要有第三个参数，它是一个struct fb_fix_screeninfo类型指针，指向struct fb_fix_screeninfo类型对象，ioctl()调用成功之后会将固定参数信息保存在struct fb_fix_screeninfo类型对象中，如下所示：

struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);

复制代码

上面所提到的三个宏定义FBIOGET_VSCREENINFO、FBIOPUT_VSCREENINFO、FBIOGET_FSCREENINFO以及2个数据结构struct fb_var_screeninfo和struct fb_fix_screeninfo都定义在<linux/fb.h>头文件中，所以在我们的应用程序中需要包含该头文件。

#define FBIOGET_VSCREENINFO 0x4600
#define FBIOPUT_VSCREENINFO 0x4601
#define FBIOGET_FSCREENINFO 0x4602

复制代码

struct fb_var_screeninfo结构体
struct fb_var_screeninfo结构体内容如下所示：
示例代码 20.3.1 struct fb_var_screeninfo结构体
struct fb_var_screeninfo {

__u32 xres; /* 可视区域，一行有多少个像素点，X分辨率 */
__u32 yres; /* 可视区域，一列有多少个像素点，Y分辨率 */
__u32 xres_virtual; /* 虚拟区域，一行有多少个像素点 */
__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; /* 虚拟到可见屏幕之间的列偏移 */
__u32 bits_per_pixel; /* 每个像素点使用多少个bit来描述，也就是像素深度bpp */
__u32 grayscale; /* =0表示彩色, =1表示灰度, >1表示FOURCC颜色 */
/* 用于描述R、G、B三种颜色分量分别用多少位来表示以及它们各自的偏移量 */
struct fb_bitfield red; /* Red颜色分量色域偏移 */
struct fb_bitfield green; /* Green颜色分量色域偏移 */
struct fb_bitfield blue; /* Blue颜色分量色域偏移 */
struct fb_bitfield transp; /* 透明度分量色域偏移 */
__u32 nonstd; /* nonstd等于0，表示标准像素格式；不等于0则表示非标准像素格式 */
__u32 activate;
__u32 height; /* 用来描述LCD屏显示图像的高度（以毫米为单位） */
__u32 width; /* 用来描述LCD屏显示图像的宽度（以毫米为单位） */
__u32 accel_flags;
/* 以下这些变量表示时序参数 */
__u32 pixclock; /* pixel clock in ps (pico seconds) */
__u32 left_margin; /* time from sync to picture */
__u32 right_margin; /* time from picture to sync */
__u32 upper_margin; /* time from sync to picture */
__u32 lower_margin;
__u32 hsync_len; /* length of horizontal sync */
__u32 vsync_len; /* length of vertical sync */
__u32 sync; /* see FB_SYNC_* */
__u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */
__u32 rotate; /* angle we rotate counter clockwise */
__u32 colorspace; /* colorspace for FOURCC-based modes */
__u32 reserved[4]; /* Reserved for future compatibility */
};

复制代码

通过xres、yres获取到屏幕的水平分辨率和垂直分辨率，bits_per_pixel表示像素深度bpp，即每一个像素点使用多少个bit位来描述它的颜色，通过xres * yres * bits_per_pixel / 8计算可得到整个显示缓存区的大小。
red、green、blue描述了RGB颜色值中R、G、B三种颜色分量分别使用多少bit来表示以及它们各自的偏移量，通过red、green、blue变量可知道LCD的RGB像素格式，譬如是RGB888还是RGB565，亦或者是BGR888、BGR565等，不同的格式在绘图时是不一样的。struct fb_bitfield结构体如下所示：
示例代码 20.3.2 struct fb_bitfield结构体

struct fb_bitfield {
__u32 offset; /* 偏移量 */
__u32 length; /* 长度 */
__u32 msb_right; /* != 0 : Most significant bit is right */
};
struct fb_fix_screeninfo结构体
struct fb_fix_screeninfo结构体内容如下所示：
示例代码 20.3.3 struct fb_fix_screeninfo结构体
struct fb_fix_screeninfo {
char id[16]; /* 字符串形式的标识符 */
unsigned long smem_start; /* 显存的起始地址（物理地址） */
__u32 smem_len; /* 显存的长度 */
__u32 type;
__u32 type_aux;
__u32 visual;
__u16 xpanstep;
__u16 ypanstep;
__u16 ywrapstep;
__u32 line_length; /* 一行的字节数 */
unsigned long mmio_start; /* Start of Memory Mapped I/O(physical address) */
__u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O */
__u32 accel; /* Indicate to driver which specific chip/card we have */
__u16 capabilities;
__u16 reserved[2];
};

复制代码

smem_start表示显存的起始地址，这是一个物理地址，当然在应用层无法直接使用；smem_len表示显存的长度。line_length表示屏幕的一行像素点有多少个字节，等价于xres * bits_per_pixel / 8；通常可以使用line_length * yres来得到屏幕显示缓冲区的大小。
通过上面介绍，接下来我们编写一个示例代码，获取LCD屏幕的参数信息，示例代码如下所示：
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C应用编程例程源码->19_lcd->lcd_info.c。
示例代码 20.3.4 获取屏幕的参数信息

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/fb.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
struct fb_var_screeninfo fb_var;
int fd;
/* 打开framebuffer设备 */
if (0 > (fd = open("/dev/fb0", O_WRONLY))) {
perror("open error");
exit(-1);
}
/* 获取参数信息 */
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);
ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);
printf("分辨率: %d*%d\n"
"像素深度bpp: %d\n"
"一行的字节数: %d\n"
"像素格式: R<%d %d> G<%d %d> B<%d %d>\n",
fb_var.xres, fb_var.yres, fb_var.bits_per_pixel,
fb_fix.line_length,
fb_var.red.offset, fb_var.red.length,
fb_var.green.offset, fb_var.green.length,
fb_var.blue.offset, fb_var.blue.length);
/* 关闭设备文件退出程序 */
close(fd);
exit(0);
}

复制代码

首先打开LCD设备文件，阿尔法开发板出厂系统中，LCD对应的设备文件为/dev/fb0；打开设备文件之后得到文件描述符fd，接着使用ioctl()函数获取LCD的可变参数信息和固定参数信息，并将这些信息打印出来。
在测试之前，需将LCD屏通过软排线连接到阿尔法开发板（掉电情况下连接），连接好之后启动开发板，如图 17.4.1所示，为了测试方便，可以将出厂系统的GUI应用程序退出。
使用交叉编译工具编译上述示例代码，将编译得到的可执行文件拷贝到开发板出厂系统的家目录下，并直接运行它，如下所示：

图 20.3.1 获取到屏幕参数

笔者测试用的阿尔法开发板连接的LCD屏是正点原子的7寸800*480 RGB屏，与上图打印显示的分辨率800*480是相符的；像素深度为16，也就意味着一个像素点的颜色值将使用16bit（也就是2个字节）来表示；一行的字节数为1600，一行共有800个像素点，每个像素点使用16bit来描述，一共就是800*16/8=1600个字节数据，这也是没问题的。
打印出像素格式为R<11 5> G<5 6> B<0 5>，分别表示R、G、B三种颜色分量对应的偏移量和长度，第一个数字表示偏移量，第二个参数为长度，从打印的结果可知，16bit颜色值中高5位表示R颜色分量、中间6位表示G颜色分量、低5位表示B颜色分量，所以这是一个RGB565格式的显示设备。
Tips：正点原子的RGB LCD屏幕，包括4.3寸800*480、4.3寸480*272、7寸800*480、7寸1024*600以及10.1寸1280*800硬件上均支持RGB888，但阿尔法I.MX6开发板出厂烧录的Linux系统，其LCD驱动程序实现支持的是RGB565格式，用户可修改驱动程序或设备树使其支持RGB888。
20.3.2使用mmap()将显示缓冲区映射到用户空间
在入门篇13.5小节中给大家介绍了存储映射I/O这种高级I/O方式，它的一个非常经典的使用场景便是用在Framebuffer应用编程中。通过mmap()将显示器的显示缓冲区（显存）映射到进程的地址空间中，这样应用程序直接对显示缓冲区进行读写操作。
为什么这里需要使用存储映射I/O这种方式呢？其实使用普通的I/O方式（譬如直接read、write）也是可以的，前面也给大家介绍过，只是，当数据量比较大时，普通I/O方式效率较低。假设某一显示器的分辨率为1920 * 1080，像素格式为ARGB8888，针对该显示器，刷一帧图像的数据量为1920 x 1080 x 32 / 8 = 8294400个字节（约等于8MB），这还只是一帧的图像数据，而对于显示器来说，显示的图像往往是动态改变的，意味着图像数据会被不断更新。
在这种情况下，数据量是比较大的，使用普通I/O方式会导致效率低下，所以才会采用存储映射I/O方式。
20.4LCD应用编程练习之刷LCD背景颜色
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C应用编程例程源码->19_lcd->lcd_background.c。
本小节编写一个简单的应用程序，将LCD的背景颜色修改为指定的颜色，示例代码如下所示：
示例代码 20.4.1 刷LCD的背景颜色

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>
/**** RGB888颜色定义 ****/
typedef struct rgb888_type {
unsigned char blue;
unsigned char green;
unsigned char red;
} __attribute__ ((packed)) rgb888_t;
static int width; //LCD X分辨率
static int height; //LCD Y分辨率
static void *screen_base = NULL; //映射后的显存基地址
static int bpp; //像素深度
/********************************************************************
* 函数名称： set_background_color
* 功能描述：将LCD背景颜色设置为指定的颜色
* 输入参数：颜色
* 返回值：无
********************************************************************/
static void set_background_color(unsigned int color)
{
int size = height * width; //计算出像素点个数
int j;
switch (bpp) {
case 16: { //RGB565
unsigned short *base = screen_base;
unsigned short rgb565_color =
((color & 0xF80000UL) >> 8) |
((color & 0xFC00UL) >> 5) |
((color & 0xF8UL) >> 3); //得到RGB565颜色
/* 向每一个像素点填充颜色 */
for (j = 0; j < size; j++)
base[j] = rgb565_color;
}
break;
case 24: { //RGB888
rgb888_t *base = screen_base;
rgb888_t rgb888_color = {
.blue = color & 0xFFUL,
.green = (color & 0xFF00UL) >> 8,
.red = (color & 0xFF0000UL) >> 16,
};
for (j = 0; j < size; j++)
base[j] = rgb888_color;
}
break;
case 32: { //ARGB8888
unsigned int *base = screen_base;
for (j = 0; j < size; j++)
base[j] = color;
}
break;
default:
fprintf(stderr, "can't surport %dbpp\n", bpp);
break;
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
struct fb_var_screeninfo fb_var;
unsigned int screen_size;
int fd;
/* 校验传参 */
if (2 != argc) {
fprintf(stderr, "usage: %s <color>\n", argv[0]);
exit(-1);
}
/* 打开framebuffer设备 */
if (0 > (fd = open("/dev/fb0", O_RDWR))) {
perror("open error");
exit(-1);
}
/* 获取参数信息 */
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);
ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);
screen_size = fb_fix.line_length * fb_var.yres;
width = fb_var.xres;
height = fb_var.yres;
bpp = fb_var.bits_per_pixel;
/* 将显示缓冲区映射到进程地址空间 */
screen_base = mmap(NULL, screen_size, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (MAP_FAILED == screen_base) {
perror("mmap error");
close(fd);
exit(-1);
}
/* 刷背景 */
set_background_color(strtoul(argv[1], NULL, 16));
/* 退出 */
munmap(screen_base, screen_size); //取消映射
close(fd); //关闭文件
exit(0); //退出进程
}

复制代码

先来看main()函数，在main()函数中，首先第一步是校验传参，执行程序时需要传入一个参数，这个参数就是RGB颜色值，并且格式为RGB888，程序的最终目的是将LCD的背景色设置为该指定颜色。
调用open()函数打开LCD设备节点得到文件描述符fd，使用ioctl()获取到LCD屏幕的可变参数信息和固定参数信息，计算出LCD的显示缓冲区的大小、获取到LCD屏幕的X分辨率和Y分辨率以及像素深度。接着调用mmap()将LCD的显示缓冲区映射到进程的地址空间中，此时显示缓冲区的基地址为screen_base。mmap()函数在13.5小节中已有详细介绍，这里不再重述！
接着调用自定义函数set_background_color()刷LCD的背景颜色，调用strtoul()函数将外部传入的参数（字符串形式）转换为整形数据得到rgb颜色值，将颜色值作为参数传递给set_background_color()函数。在set_background_color()函数中，如果像素深度为16，默认为RGB565格式；如果像素深度为24，默认为RGB888格式；如果像素深度为32，默认为ARGB8888格式。
如果是RGB565，则需要将颜色值转换为RGB565格式，因为传入的颜色值为RGB888格式，怎么转换呢？其实非常简单，只需取R、G、B每个颜色通道的最高位即可，譬如R通道和B通道取高5位数据，G通道取高6位数据，然后在组合成一个16位的RGB565颜色值，最后通过一个for循环将RGB565颜色值写入到每一个像素点即可！
如果是RGB888，因为C语言中没有3个字节大小的整形数据类型，为了方便操作，程序中自定义了一个数据类型rgb888_t，其实就是一个结构体，该结构体占用内存空间大小为3个字节，包括3个无符号char类型变量red、green、blue，分别用于存放R、G、B三个通道颜色，然后写入到LCD显存中。
如果是ARGB8888，直接写入颜色值即可！
前面已经给大家提到过，阿尔法开发板出厂烧录的Linux系统，其LCD驱动实现支持的是RGB565格式，所以自然会进入到case 16分支。
编译测试
使用交叉编译工具编译上述示例代码，得到可执行文件：

图 20.4.1 编译示例代码

将编译得到的可执行文件拷贝到开发板家目录下，执行程序：

图 20.4.2 刷新LCD背景颜色

上述命令中，我们将LCD背景色变成RGB 0xFF00FF颜色，RGB颜色的对照表，大家自己百度解决。执行命令之后，可以看到LCD此时显示出的效果为：

图 20.4.3 显示效果

由于手机拍摄的问题，实际的效果与图片展示的效果可能存在些许差异。对于其它颜色，大家自己动手测试，本文不再演示。
20.5LCD应用编程练习之LCD打点
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C应用编程例程源码->19_lcd->point_color.c。
本小节编写一个打点的函数，在LCD指定位置上输出指定颜色（描点），对于LCD应用编程来说，这是一个非常基本的操作，示例代码如下所示：
示例代码 20.5.1 LCD打点

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
/**** RGB888颜色定义 ****/
typedef struct rgb888_type {
unsigned char blue;
unsigned char green;
unsigned char red;
} __attribute__ ((packed)) rgb888_t;
static int width; //LCD X分辨率
static int height; //LCD Y分辨率
static void *screen_base = NULL; //映射后的显存基地址
static int bpp; //像素深度
/********************************************************************
* 函数名称： set_point_color
* 功能描述：在LCD指定位置（某个像素点）上输出指定颜色（描点）
* 输入参数： x坐标, y坐标, 颜色
* 返回值：无
********************************************************************/
static void set_point_color(int x, int y, unsigned int color)
{
/* 校验(x,y)坐标的合法性 */
if ((x >= width) || (y >= height))
return;
switch (bpp) {
case 16: { //RGB565
unsigned short *base = screen_base;
unsigned short rgb565_color =
((color & 0xF80000UL) >> 8) |
((color & 0xFC00UL) >> 5) |
((color & 0xF8UL) >> 3); //得到RGB565颜色
base[y * width + x] = rgb565_color;
}
break;
case 24: { //RGB888
rgb888_t *base = screen_base;
rgb888_t rgb888_color = {
.blue = color & 0xFFUL,
.green = (color & 0xFF00UL) >> 8,
.red = (color & 0xFF0000UL) >> 16,
};
base[y * width + x] = rgb888_color;
}
break;
case 32: { //ARGB8888
unsigned int *base = screen_base;
base[y * width + x] = color;
}
break;
default:
fprintf(stderr, "can't surport %dbpp\n", bpp);
break;
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
struct fb_var_screeninfo fb_var;
unsigned int screen_size;
int fd;
int j;
/* 打开framebuffer设备 */
if (0 > (fd = open("/dev/fb0", O_RDWR))) {
perror("open error");
exit(-1);
}
/* 获取参数信息 */
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);
ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);
screen_size = fb_fix.line_length * fb_var.yres;
width = fb_var.xres;
height = fb_var.yres;
bpp = fb_var.bits_per_pixel;
/* 将显示缓冲区映射到进程地址空间 */
screen_base = mmap(NULL, screen_size, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (MAP_FAILED == screen_base) {
perror("mmap error");
close(fd);
exit(-1);
}
/* 清屏 */
memset(screen_base, 0xFF, screen_size);
/* 利用打点函数画线 */
for (j = 0; j < width; j++) //连续打点画一条红线
set_point_color(j, 100, 0xFF0000);
for (j = 0; j < width; j++) //连续打点画一条绿线
set_point_color(j, 200, 0xFF00);
for (j = 0; j < width; j++) //连续打点画一条蓝线
set_point_color(j, 300, 0xFF);
/* 退出 */
munmap(screen_base, screen_size); //取消映射
close(fd); //关闭文件
exit(0); //退出进程
}

复制代码

代码就不再解释了，比较简单。
使用交叉编译工具编译示例代码，将可执行文件拷贝到开发板根文件系统家目录下，执行程序LCD效果如下：

示例代码 20.5.2 运行效果

20.6LCD应用编程练习之显示BMP图片
本小节编写一个应用程序，在LCD上显示一张BMP图片，在编写程序之前，我们需要对BMP格式图片进行简单地介绍。
20.6.1BMP图像介绍
我们常用的图片格式有很多，一般最常用的有三种：JPEG（或JPG）、PNG、BMP和GIF。其中JPEG（或JPG）、PNG以及BMP都是静态图片，而GIF则可以实现动态图片。在本小节实验中，我们选择使用BMP图片格式。
BMP（全称Bitmap）是Window操作系统中的标准图像文件格式，文件后缀名为“.bmp”，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，图像数据没有进行任何压缩，因此，BMP图像文件所占用的空间很大，但是没有失真、并且解析BMP图像简单。
BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit、16bit、24bit以及32bit，典型的BMP图像文件由四部分组成：
①、BMP文件头（BMP file header），它包含BMP文件的格式、大小、到位图数据的偏移量等信息；
②、位图信息头（bitmap information），它包含位图信息头大小、图像的尺寸、图像大小、位平面数、压缩方式以及颜色索引等信息；
③、调色板（color palette），这部分是可选的，如果使用索引来表示图像，调色板就是索引与其对应颜色的映射表；
④、位图数据（bitmap data），也就是图像数据。
BMP文件头、位图信息头、调色板和位图数据，总结如下表所示：
数据段名称       大小（Byte）       说明
bmp文件头
(bmp file header)       14       包含BMP文件的格式、大小、到位图数据的偏移量等信息
位图信息头
(bitmap information）       通常为40或56字节       包含位图信息头大小、图像的尺寸、图像大小、位平面数、压缩方式以及颜色索引等信息；
调色板
(color palette)       由颜色索引数决定       可选，如果使用索引来表示图像，调色板就是索引与其对应颜色的映射表；
位图数据
(bitmap data）       由图像尺寸决定       图像数据
表 18.6.1 BMP图像各数据段说明
一般常见的图像都是以16位（R、G、B三种颜色分别使用5bit、6bit、5bit来表示）、24位（R、G、B三种颜色都使用8bit来表示）色图像为主，我们称这样的图像为真彩色图像，真彩色图像是不需要调色板的，即位图信息头后面紧跟的就是位图数据了。
对某些BMP位图文件说并非如此，譬如16色位图、256色位图，它们需要使用到调色板，具体调色板如何使用，我们不关心，本小节我们将会以16位色（RGB565）BMP图像为例。
以一张16位BMP图像为例（如何的到16位色BMP图像，后面向大家介绍），向大家介绍BMP文件结构，如下图所示：

图 20.6.1 16位BMP示例图片

首先在Windows下查看该图片的属性，如下所示：

图 20.6.2 示例图片属性

可以看到该图片的分辨率为800*480，位深度为16bit，每个像素点使用16位表示，也就是RGB565。为了向大家介绍BMP文件结构，接下来使用十六进制查看工具将image.bmp文件打开，文件头部分的内容如下所示：

图 20.6.3 image.bmp文件的十六进制数据

一、bmp文件头
Windows下为bmp文件头定义了如下结构体：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER
{
UINT16 bfType;
DWORD bfSize;
UINT16 bfReserved1;
UINT16 bfReserved2;
DWORD bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER;

复制代码

结构体中每一个成员说明如下：
变量名       地址偏移       大小       作用
bfType       00H       2 bytes       说明bmp文件的类型，可取值为：
①BM – Windows
②BA – OS/2 Bitmap Array
③CI – OS/2 Color Icon
④CP – OS/2 Color Pointer
⑤IC – OS/2 Icon
⑥PT – OS/2 Pointer
bfSize       02H       4 bytes       说明该文件的大小，以字节为单位。
bfReserved1       06H       2 bytes       保留字段，必须设置为0。
bfReserved2       08H       2 bytes       保留字段，必须设置为0。
bfOffBits       0AH       4 bytes       说明从文件起始位置到图像数据之间的字节偏移量。
这个参数非常有用，因为位图信息头和调色板的长度会根据不同的情况而变化，所以我们可以用这个偏移量迅速从文件中找到图像数据的起始地址。
表 18.6.2 bmp文件头成员说明
从上面的描述信息，再来对照文件数据：

图 20.6.4 bmp文件头数据

00~01H：0x42、0x4D对应的ASCII字符分别为为B、M，表示这是Windows所支持的位图格式，该字段必须是“BM”才是Windows位图文件。
02~05H：对应于文件大小，0x000BB848=768072字节，与image.bmp文件大小是相符的。
06~09H：保留字段。
0A~0D：0x00000046=70，即从文件头部开始到位图数据需要偏移70个字节。
bmp文件头的大小固定为14个字节。
二、位图信息头
同样，Windows下为位图信息头定义了如下结构体：

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {
DWORD biSize;
LONG biWidth;
LONG biHeight;
WORD biPlanes;
WORD biBitCount;
DWORD biCompression;
DWORD biSizeImage;
LONG biXPelsPerMeter;
LONG biYPelsPerMeter;
DWORD biClrUsed;
DWORD biClrImportant;
} BITMAPINFOHEADER;

复制代码

结构体中每一个成员说明如下：
变量名       地址偏移       大小       作用
biSize       0EH       4 bytes       位图信息头大小。
biWidth       12H       4 bytes       图像的宽度，以像素为单位。
biHeight       16H       4 bytes       图像的高度，以像素为单位。
注意，这个值除了用于描述图像的高度之外，它还有另外一个用途，用于指明该图像是倒向的位图、还是正向的位图。
如果该值是一个正数，说明是倒向的位图；如果该值是一个负数，则说明是正向的位图。
一般情况下，BMP图像都是倒向的位图，也就是该值是一个正数。
biPlanes       1AH       2 bytes       色彩平面数，该值总被设置为1。
biBitCount       1CH       2 bytes       像素深度，指明一个像素点需要多少个bit数据来描述，其值可为1、4、8、16、24、32
biCompression       1EH       4 bytes       说明图像数据的压缩类型，取值范围如下：
①0 – RGB方式
②1 – 8bpp的RLE方式，只用于8bit位图
③2 – 4bpp的RLE方式，只用于4bit位图
④3 – Bit-fields方式
⑤4 – 仅用于打印机
⑥5 – 仅用于打印机
biSizeImage       22H       4 bytes       说明图像的大小，以字节为单位，当压缩类型为BI_RGB时，可设置为0。
biXPelsPerMeter       26H       4 bytes       水平分辨率，用像素/米来表示，有符号整数。
biYPelsPerMeter       2AH       4 bytes       垂直分辨率，用像素/米来表示，有符号整数。
biClrUsed       2EH       4 bytes       说明位图实际使用的彩色表中的颜色索引数。
biClrImportant       32H       4 bytes       说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是0，则表示都重要。
表 18.6.3 位图信息头成员说明
从上面的描述信息，再来对照文件数据：

图 20.6.5 位图信息头数据

0E~11H：0x00000038=56，这说明这个位图信息头的大小为56个字节。
12~15H：0x00000320=800，图像宽度为800个像素，与文件属性一致。
16~19H：0x000001E0=480，图像高度为480个像素，与文件属性一致；这个数是一个正数，说明是一个倒向的位图，什么是正向的位图、什么是倒向的位图，说的是图像数据的排列问题；如果是正向的位图，图像数据是按照图像的左上角到右下角方式排列的，水平方向从左到右，垂直方向从上到下。倒向的位图，图像数据则是按照图像的左下角到右上角方式排列的，水平方向依然从左到右，垂直方向改为从下到上。
1A~1BH：0x0001=1，这个值总为1。
1C~1DH：0x0010=16，表示每个像素占16个bit。
1E~21H：0x00000003=3，bit-fileds方式。
22~25H：0x000BB802=768002，图像的大小，注意图像的大小并不是BMP文件的大小，而是图像数据的大小。
26~29H：0x00000EC2=3778，水平分辨率为3778像素/米。
2A~2DH：0x00000EC2=3778，垂直分辨率为3778像素/米。
2E~31H：0x00000000=0，本位图未使用调色板。
32~35H：0x00000000=0。
只有压缩方式选项被设置为bit-fileds（0x3）时，位图信息头的大小才会等于56字节，否则，为40字节。56个字节相比于40个字节，多出了16个字节，那么多出的16个字节数据描述了什么信息呢？稍后再给大家介绍。
三、调色板
调色板是单色、16色、256色位图图像文件所持有的，如果是16位、24位以及32位位图文件，则BMP文件组成部分中不包含调色板，关于调色板这里不过多介绍，有兴趣可以自己去了解。
四、位图数据
位图数据其实就是图像的数据，对于24位位图，使用3个字节数据来表示一个像素点的颜色，对于16位位图，使用2个字节数据来表示一个像素点的颜色，同理，32位位图则使用4个字节来描述。
BMP位图分为正向的位图和倒向的位图，主要区别在于图像数据存储的排列方式，前面已经给大家解释的比较清楚了，如下如所示（左边对应的是正向位图，右边对应的则是倒向位图）：

图 20.6.6 正向位图和倒向位图

所以正向位图先存储图像的第一行数据，从左到右依次存放，接着存放第二行，依次这样；而倒向位图，则先存储图像的最后一行（倒数第一行）数据，也是从左到右依次存放，接着倒数二行，依次这样。
RGB和Bit-Fields
当图像中引用的色彩超过256种时，就需要16bpp或更高bpp的位图（24位、32位）。调色板不适合bpp较大的位图，因此16bpp及以上的位图都不使用调色板，不使用调色板的位图图像有两种编码格式：RGB和Bit-Fields（下称BF）。
RGB编码格式是一种均分的思想，使Red、Green、Blue三种颜色信息容量一样大，譬如24bpp-RGB，它通常只有这一种编码格式，在24bits中，低8位表示Blue分量；中8为表示Green分量；高8位表示Red分量。
而在32bpp-RGB中，低24位的编码方式与24bpp位图相同，最高8位用来表示透明度Alpha分量。32bpp的位图尺寸太大，一般只有在图像处理的中间过程中使用。对于需要半透过效果的图像，更好的选择是PNG格式。
BF编码格式与RGB不同，它利用位域操作，人为地确定RGB三分量所包含的信息容量。位图信息头介绍中提及到，当压缩方式选项置为BF时，位图信息头大小比平时多出16字节，这16个字节实际上是4个32bit的位域掩码，按照先后顺序，它们分别是R、G、B、A四个分量的位域掩码，当然如果没有Alpha分量，则Alpha掩码没有实际意义。
位域掩码的作用是指出R、G、B三种颜色信息容量的大小，分别使用多少个bit数据来表示，以及三种颜色分量的位置偏移量。譬如对于16位色的RGB565图像，通常使用BF编码格式，同样这也是BF编码格式最著名和最普遍的应用之一，它的R、G和B分量的位域掩码分别是0xF800、0x07E0和0x001F，也就是R通道使用2个字节中的高5位表示，G通道使用2个字节中的中间6位表示。而B通道则使用2个字节中的最低5位表示，如下图所示：

图 20.6.7 R、G、B、A四个分量的位域掩码

关于BMP图像文件的格式就给大家介绍这么多，后面的程序代码中将不会再做解释！
如何得到16位色RGB565格式BMP图像？
在Windows下我们转换得到的BMP位图通常是24位色的RGB888格式图像，那如何得到RGB565格式BMP位图呢？当然这个方法很多，这里笔者向大家介绍一种方法就是通过Photoshop软件来得到RGB565格式的BMP位图。
首先，找一张图片，图片格式无所谓，只要Photoshop软件能打开即可；确定图片之后，我们启动Photoshop软件，并且使用Photoshop软件打开这张图片，打开之后点击菜单栏中的文件--->存储为，接着出现如下界面：

图 20.6.8 设置文件名和文件格式

在这个界面中，首先选择文件保存的路径，然后设置文件名以及文件格式，选择文件格式为BMP格式，之后点击保存，如下：

图 20.6.9 BMP选项

点击选择16位色图，接着点击高级模式按钮：

图 20.6.10 BMP高级模式

点击选择RGB565，接着点击确定按钮即可，这样就可得到16位色RGB565格式的BMP图像。
20.6.2编写应用程序
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C应用编程例程源码->19_lcd->bmp_show.c。
通过上小节对BMP图像的介绍之后，相信大家对BMP文件的格式已经非常了解了，那么本小节我们将编写一个示例代码，在阿尔法I.MX6U开发板上显示一张指定的BMP图像，示例代码笔者已经完成了，如下所示。
示例代码 20.6.1 显示BMP图像

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
/**** RGB888颜色定义 ****/
typedef struct rgb888_type {
unsigned char blue;
unsigned char green;
unsigned char red;
} __attribute__ ((packed)) rgb888_t;
/**** BMP文件头数据结构 ****/
typedef struct {
unsigned char type[2]; //文件类型
unsigned int size; //文件大小
unsigned short reserved1; //保留字段1
unsigned short reserved2; //保留字段2
unsigned int offset; //到位图数据的偏移量
} __attribute__ ((packed)) bmp_file_header;
/**** 位图信息头数据结构 ****/
typedef struct {
unsigned int size; //位图信息头大小
int width; //图像宽度
int height; //图像高度
unsigned short planes; //位面数
unsigned short bpp; //像素深度
unsigned int compression; //压缩方式
unsigned int image_size; //图像大小
int x_pels_per_meter; //像素/米
int y_pels_per_meter; //像素/米
unsigned int clr_used;
unsigned int clr_omportant;
} __attribute__ ((packed)) bmp_info_header;
/**** 静态全局变量 ****/
static int width; //LCD X分辨率
static int height; //LCD Y分辨率
static void *screen_base = NULL; //映射后的显存基地址
static int bpp; //像素深度
/********************************************************************
* 函数名称： show_bmp_image
* 功能描述：在LCD上显示指定的BMP图片
* 输入参数：文件路径
* 返回值：无
********************************************************************/
static void show_bmp_image(const char *path)
{
bmp_file_header file_h;
bmp_info_header info_h;
int fd = -1;
/* 打开文件 */
if (0 > (fd = open(path, O_RDONLY))) {
perror("open error");
return;
}
/* 读取BMP文件头 */
if (sizeof(bmp_file_header) !=
read(fd, &file_h, sizeof(bmp_file_header))) {
perror("read error");
close(fd);
return;
}
if (0 != memcmp(file_h.type, "BM", 2)) {
fprintf(stderr, "it's not a BMP file\n");
close(fd);
return;
}
/* 读取位图信息头 */
if (sizeof(bmp_info_header) !=
read(fd, &info_h, sizeof(bmp_info_header))) {
perror("read error");
close(fd);
return;
}
/* 打印信息 */
printf("文件大小:%d\n"
"到位图数据的偏移量:%d\n"
"位图信息头大小:%d\n"
"图像分辨率:%d*%d\n"
"像素深度:%d\n", file_h.size, file_h.offset,
info_h.size, info_h.width, info_h.height,
info_h.bpp);
/* 将文件读写位置移动到图像数据开始处 */
if (-1 == lseek(fd, file_h.offset, SEEK_SET)) {
perror("lseek error");
close(fd);
return;
}
/**** 读取图像数据显示到LCD ****/
/*******************************************
* 为了软件处理上方便，这个示例代码便不去做兼容性设计了
* 我们默认传入的bmp图像是RGB565格式
* bmp图像分辨率大小与LCD屏分辨率一样
* 并且是倒向的位图
*******************************************/
unsigned short *base = screen_base;
unsigned int line_bytes = info_h.width * info_h.bpp / 8;
for (int j = info_h.height - 1; j >= 0; j--)
read(fd, base + j * width, line_bytes);
close(fd);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
struct fb_var_screeninfo fb_var;
unsigned int screen_size;
int fd;
/* 传参校验 */
if (2 != argc) {
fprintf(stderr, "usage: %s <path>\n", argv[0]);
exit(-1);
}
/* 打开framebuffer设备 */
if (0 > (fd = open("/dev/fb0", O_RDWR))) {
perror("open error");
exit(-1);
}
/* 获取参数信息 */
ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);
ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);
screen_size = fb_fix.line_length * fb_var.yres;
width = fb_var.xres;
height = fb_var.yres;
bpp = fb_var.bits_per_pixel;
/* 将显示缓冲区映射到进程地址空间 */
screen_base = mmap(NULL, screen_size, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (MAP_FAILED == screen_base) {
perror("mmap error");
close(fd);
exit(-1);
}
/* 显示BMP图片 */
memset(screen_base, 0xFF, screen_size);
show_bmp_image(argv[1]);
/* 退出 */
munmap(screen_base, screen_size); //取消映射
close(fd); //关闭文件
exit(0); //退出进程
}

复制代码

代码中有两个自定义结构体bmp_file_header和bmp_info_header，描述bmp文件头的数据结构bmp_file_header、以及描述位图信息头的数据结构bmp_info_header。
当执行程序时候，需要传入参数，指定一个bmp文件。main()函数中会调用show_bmp_image()函数在LCD上显示bmp图像，show_bmp_image()函数的参数为bmp文件路径，在show_bmp_image()函数中首先会打开指定路径的bmp文件，得到对应的文件描述符fd，接着调用read()函数读取bmp文件头和位图信息头。
获取到信息之后使用printf将其打印出来，接着使用lseek()函数将文件的读写位置移动到图像数据起始位置处，也就是bmp_file_header结构体中的offset变量指定的地址偏移量，
最后读取图像的数据，写入到LCD显存中，为了在软件处理上的方便，上述示例代码没有做兼容性设计，默认用户指定的文件都满足下面三个条件：
是16位色的RGB565格式位图文件；
是倒立的位图；
图像的分辨率与LCD屏分辨率相同。
笔者使用图 18.6.1所示的bmp图像作为本次测试的示例图。
读取图像数据、写入LCD显存对应的代码如下：