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
头文件:#include ,#include ,#include
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
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
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/fb0n");
4722 return -1;
4723 }
4724 if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
4725 {
4726 printf("can't get varn");
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 mmapn");
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 %dbppn", 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。
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<
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<
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 %02xn", 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
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
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 errorn");
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。
文章来源于互联网:Linux应用开发【第一章】Framebuffer应用开发
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