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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
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：
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
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。
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。
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
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。
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。
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>)：
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：
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：
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。
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：
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：
最后把封闭空间填满颜色，就显示出一个 A 字母，如图所示：
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。
Charmaps 表示字符映射表，字体文件可能支持哪一些编码，GB2312、UNICODE、BIG5 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：
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：
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：
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：
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：
=
四、编译上机试验
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_H
int 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;
}