📚 本文是《嵌入式 Linux 应用开发学习笔记》系列第 05 / 7 篇：Framebuffer 与文字显示。返回系列目录。
第5章、Framebuffer应用编程
5.1LCD操作原理
Framebuffer是Linux/Unix 下“最直接”的图形输出接口，可以通过Framebuffer驱动程序来控制LCD，Frame是帧，buffer是缓冲，意思是Framebuffer是一块内存，里面保存一帧图像的每一个像素值。
假设LCD分辨率1024*768，颜色32位，那
Framebuffer大小1024*768*32/8=3145728 字节
LCD操作原理：
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
APP 使用 ioctl 获得 LCD 分辨率、BPP
APP 通过 mmap 映射 Framebuffer，在 Framebuffer 中写入数据
- 每一块数据与LCD每一个像素一一对应
- bpp：bits per pixel 每个像素用多少位表示颜色
假设需要设置 LCD 中坐标(x,y)处像素的颜色
(x，y)像素起始地址=fb_base+(xres*bpp/8)*y + x*bpp/8
怎么显示颜色？
5.2 涉及的API函数
流程：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
5.2.2 ioctl函数
ioctl 是 Unix/Linux 里最“万能”的系统调用——“I/O 控制” 万金油，几乎任何驱动都能通过它暴露“命令 + 数据”接口
#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long request, …);
- 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，成功返回文件描述符，失败返回-1
5.2.3 mmap 函数
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);
参数：
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。
5.3程序
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| #include <sys/types.h> //open()
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h> //close()
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h> //ioctl()
#include <sys/mman.h> //mmap()
#include <linux/fb.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;
void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color);
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)<0)
{
printf("can't get var\n");
close(fd_fb);
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);
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;
}
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;
}
}
}
|
5.4上机
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o show_pixel show_pixel.c
adb上传后执行
第6章文字显示
6.1字符编码方式
6.1.1编码与字体
1.ASCII
常用字母就 26 个，区分大小写、加上标点符号也没超过 127 个，每个字符用一个字节来表示就足够了。一个字节的 7 位就可以表示 128 个数值，在 ASCII 码中最高位永远是 0
2.ANSI
强烈建议阅读：https://www.cnblogs.com/malecrab/p/5300486.html
如在中国大陆地区，ANSI 的默认编码是 GB2312；在港澳台地区默认编码是 BIG5
不同文字系统ANSI表示不同编码
3.UniCode
UNICODE 中的数值范围是 0x0000 至 0x10FFFF，有 1,114,111 即 100 多万个数值，可以表示 100 多万个字符，足够地球人使用了。
向下兼容ascii
6.1.2UniCode编码实现
“中” UNICODE 值是 0x4e2d，在 TXT 文件中怎么表示 0x4e2d？直接写入 0x4e2d？
不行！
比如在 TXT 文件中写入 2 字节数据“0x2d 0x4e”，它可以用来表示“中”字吗？
不能！它们对应 ASCII 字符“-N”。
问题的关键在于：怎么断字
那怎么表示一个unicode
1.使用3个字节
太浪费，比如字符 A 的 UNICOCDE 值是0x41，难道也用“0x41 0x00 0x00”这 3 个字节来表示？
2.UCS-2 Little endian/UTF-16 LE
能表示2^16=65536 个字符
Little endian 表示小字节序，数值中权重低的字节放在前面，比如字符“A 中”在 TXT 文件中的数值如下，其中的“A”使用“0x41 0x00”两字节表示；“中”使用“0x2d 0x4e”两字节表示。文件开头的“0xff 0xfe”表示“UTF-16 LE”。
3.UCS-2 Big endian/UTF-16 BE
与2相反
4.UTF8
上面两种方法：表示字符数量有限、对于ASCII字符浪费空间、如果某字节丢失后面字符都因为错位无法显示
使用UTF8可以解决上述所有问题。UTF8 是变长的编码方法，有 2 种 UTF8格式的文件：带有头部、不带头部。
对ascii字符在 UTF8 文件中直接用其 ASCII 码来表示，0x61 表示字符 a、0x62 表示字符 b
而3 个字节“0xe4 0xb8 0xad”表示的数值是 0x4e2d，对应“中”的 UNICODE 码
- 0xe4 的二进制是“11100100”，高位有 3 个 1，表示从当前字节起有3字节参与表示UNICODE；
- 0xb8 的二进制是“10111000”，高位有 1 个 1，表示从当前字节起有1字节参与表示UNICODE；
- 0xad 的二进制是“10101101”，高位有 1 个 1，表示从当前字节起有1字节参与表示 UNICODE
- 除去高位的“1110”、“10”、“10”后，剩下的二进制数组合起来得到“01001110001101”，它就是 0x4e2d，即“中”的 UNICODE 值
6.2 ASCII点阵显示
LCD中显示ASCII字符，首先要找到字符对应的点阵，在linux内核源码有这个文件
lib\fonts\font_8x16.c以数组形式保存字符点阵。
储存形式：
要显示某个字符时，根据它的 ASCII 码在 fontdata_8x16 数组中找到它的点阵，然后取出这 16 个字节去描画 16 行像素.
比如字符 A 的 ASCII 值是 0x41，那么从 fontdata_8x16[0x41*16]开始取其点阵数据
6.2.1获取点阵
对于字符c
unsigned char *dots = (unsigned char *)&fontdata_8x16[c*16];
6.2.2描点
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。
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| #include <sys/types.h> //open()
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h> //close()
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h> //ioctl()
#include <sys/mman.h> //mmap()
#include <linux/fb.h>
#define FONTDATAMAX 4096
static const unsigned char fontdata_8x16[FONTDATAMAX] = {
//...略
};
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： lcd_put_ascii
* 功能描述： 在LCD指定位置上显示一个8*16的字符
* 输入参数： x坐标，y坐标，ascii码
* 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 lcd_put_ascii(int x, int y, unsigned char c)
{
unsigned char *dots = (unsigned char *)&fontdata_8x16[c*16];
int i, b;
unsigned char byte;
for (i = 0; i < 16; i++)
{
byte = dots[i];
for (b = 7; b >= 0; b--)
{
if (byte & (1<<b))
{
/* show */
lcd_put_pixel(x+7-b, y+i, 0xffffff); /* 白 */
}
else
{
/* hide */
lcd_put_pixel(x+7-b, y+i, 0); /* 黑 */
}
}
}
}
int main(int argc, char **argv)
{
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);
lcd_put_ascii(var.xres/2, var.yres/2, 'A'); /*在屏幕中间显示8*16的字母A*/
munmap(fbmem , screen_size);
close(fd_fb);
return 0;
}
|
6.2.3show_string
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6
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8
| void lcd_put_string(int x, int y, unsigned char * str)
{
while (*str) {
lcd_put_ascii(x, y, *str); /* 每字符宽 8 像素 */
x += 8; /* 横排前进 8 像素 */
++str;
}
}
|
6.3中文字符的点阵显示
6.3.1指定编码格式
test_charset_ansi.c
test_charset_utf8.c
可以对test_charset_ansi.c将原文件的GB2312格式，输出为可执行文件时以UTF8格式编码
gcc -finput-charset=GB2312 -fexec-charset=UTF-8 -o test_charset_ansi test_charset_ansi.c
如果不指定“-finput-charset”，GCC 就会默认 C 程序的编码方式为 UTF-8，即使你是以 ANSI 格式保存，也会被当作 UTF-8 来对待
如果不指定“-fexec-charset”，GCC 就会默认编译出的可执行程序中字符的编码方式为 UTF-8
如果“-finput-charset”与“-fexec-charset”不一样，编译器会进行格式转换
6.3.3汉字区位码
HZK16 这个文件，它是常用汉字的 16*16 点阵字库
每个汉字用32字节描述
HZK16 中是以 GB2312 编码值来查找点阵以“中”字为例，它的编码值是“0xd6 0xd0”，其中的 0xd6 表示“区码”，表示在哪一个区：第“0xd6 - 0xa1”区；其中的 0xd0 表示“位码”，表示它是这个区里的哪一个字符：第“0xd0 -0xa1”个。每一个区有 94 个汉字。区位码从 0xa1 而不是从 0 开始，是为了兼容 ASCII 码
中字：第(0xd6-0xa1)*94+(0xd0-0xa1)个字符
6.4交叉编译程序：以freetype为例
使用 buildroot 来给 ARM 板编译程序、编译库会很简单，以后系统讲解buildroot 时再使用 buildroot
现在我们还是手工交叉编译 freetype
6.4.1程序运行的基本知识
1.编译程序时去哪找头文件
系统目录：交叉编译工具链的某include目录
自己指定：编译时-I dir
2.链接时去哪找库文件
系统目录：就是交叉编译工具链里的某个 lib 目录
自己指定：链接时用 “ -L dir ”
3.运行时去哪找库文件
系统目录：就是板子上的/lib、/usr/lib 目录
自己指定：运行程序用环境变量 LD_LIBRARY_PATH 指定
4.运行时不需要头文件，因此头文件不需要放板子上
6.4.2常见错误
1.头文件
编译时找不到头文件。在程序中这样包含头文件：#include <xxx.h>
怎么找到头文件
系统目录：交叉编译工具链的某个include目录
怎么找到系统目录？
echo 'main(){}'| arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -E -v -
2.库文件
链接程序时如果有这样的提示：undefined reference to `xxx’，它表示 xxx 函数未定义
解决方法：
写出这个函数，或使用库函数，即在链接时指定库
怎么指定：
想链接 libabc.so，那链接时加上：-labc
库在哪：
- 系统目录：就是交叉编译工具链里的某个 lib 目录
- 以自己指定：链接时用 “ -L dir ”选项指定
3.运行问题
运行时找不到库，库在哪？
系统目录：就是板子上的/lib、/usr/lib 目录
自己指定：
export LD_LIBRARY_PATH=/xxx_dir; ./test
或
LD_LIBRARY_PATH=/xxx_dir ./test
6.4.3交叉编译万能命令
如果交叉编辑工具链的前缀是arm-buildroot-linux-gnueabihf-
交叉编译开源软件时，如果有configure文件
万能命令如下：
./configure --host=arm-buildroot-linux-gnueabihf --prefix=$PWD/tmp
make
make install
就可以在当前目录的 tmp 目录下看见 bin, lib, include 等目录，里面存有可执行程序、库、头文件
cp include/freetype2/* -rfd /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin/../lib/gcc/arm-buildroot-linux-gnueabihf/7.5.0/include
cp lib/* -rfd /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin/../lib/gcc/arm-buildroot-linux-gnueabihf/7.5.0/../../../../arm-buildroot-linux-gnueabihf/lib
6.5使用freetype显示单个文字
6.5.1矢量字体引入
使用点阵字库显示放大缩小会模糊甚至锯齿，为解决引入矢量字体
矢量字体分三步：
- 确定关键点
- 使用数学曲线连接头键点
- 填充闭合曲线内部空间
6.5.2在 LCD 上显示一个矢量字体
开源字体引擎库，统一接口访问多种字体格式文件，实现矢量字体显示。
一个文字的显示过程可以概括如下：
- 给定一个字符可以确定它的编码值(ASCII、UNICODE、GB2312)；
- 设置字体大小；
- 根据编码值，从文件头部中通过 charmap 找到对应的关键点(glyph)，它会根据字体大小调整关键点；
- 把关键点转换为位图点阵；
- 在 LCD 上显示出来
freetype初始化步骤如下：
- 初始化：FT_InitFreetype
- 加载(打开)字体 Face：FT_New_Face
- 设置字体大小：FT_Set_Char_Sizes 或 FT_Set_Pixel_Sizes
- 选择 charmap：FT_Select_Charmap
- 根据编码值 charcode 找到 glyph_index：glyph_index = FT_Get_Char_Index（face，charcode）
- 根据 glyph_index 取出 glyph：FT_Load_Glyph（face，glyph_index）
- 转为位图：FT_Render_Glyph
- 移动或旋转:FT_Set_Transform
- 最后显示出来
上面的5、6、7可以使用一个函数代替：FT_Load_Char(face, charcode, FT_LOAD_RENDER)，它就可以得到位图
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| #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;
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;
}
}
}
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;
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;
}
|
上机：
./freetype_show_font ./simsun.ttc
6.5.3在 LCD 上令矢量字体旋转某个角度
定义 2 个变量：角度、矩阵
设置角度值
设置矩阵、变形、加载位图
上机：
./freetype_show_font_angle ./simsun.ttc 90 200
6.6使用freetype显示一行文字
在 LCD 上指定一个左上角坐标(x, y)，把一行文字显示出来。下图中，文字的外框用虚线表示，外框的左上角坐标就是(x, y)
6.6.1笛卡尔坐标系
在 LCD 的坐标系中，原点在屏幕的左上角。对于笛卡尔坐标系，原点在左下角。freetype 使用笛卡尔坐标系，在显示时需要转换为 LCD 坐标系
在笛卡尔坐标系中坐标是(x, y)，那么它在 LCD 坐标系中坐标值为(x, V-y)
6.6.2每个字符大小不同
所以在显示一行文字时，后面文字的位置会受到前面文字的影响
在显示一行文字时，这些文字会基于同一个基线来绘制位图：baseline
每一个字符都有它的原点(origin)，比如上图中 baseline左边的黑色圆点就是字母“g”的原点。当前 origin 加上 advance 就可以得到下一个字符的 origin
