一、什么是 Framebuffer

Framebuffer（帧缓存/显存）是一个用于存储一帧 LCD 图像数据的内存区域。在嵌入式系统中，Framebuffer 通常通过内存模拟实现，其大小由 LCD 的分辨率和每个像素的字节大小决定。

1、Framebuffer 的大小计算

以 480x320 的屏幕为例，在不同像素模式下，Framebuffer 的大小如下：

1. ARGB888 (32bpp)：

   • 计算公式：480 x 320 x 4 (bytes)
   • 大小：614,400 字节

2. RGB565 (16bpp)：

   • 计算公式：480 x 320 x 2 (bytes)
   • 大小：307,200 字节

二、Framebuffer的显示原理

Framebuffer 的显示原理可以概括为：LCD 控制器（LCDC）从 Framebuffer 中读取像素数据，并通过并行数据接口将数据传输到 LCD 面板进行显示。

1、显示流程图

以下是 Framebuffer 的显示流程：

• Framebuffer：存储像素数据。
• LCDC：从 Framebuffer 中读取像素数据，并将其传输到 LCD 面板。
• LCD Panel：接收数据并显示图像。

2、数据传输接口

LCDC 通过以下信号将数据传输到 LCD 面板：

• Clock：时钟信号，用于同步数据传输。
• Data：像素数据，包括 R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色通道。
• Control：控制信号，用于管理数据传输的时序和状态。

三、openvela Framebuffer 接口

openvela 的 Framebuffer 接口分为上层用户接口和下层驱动接口，分别为用户和设备驱动程序提供了灵活的操作能力。以下是接口的详细说明。

1、上层用户接口

openvela 的 Framebuffer 用户接口类似于 Linux 系统，通过 VFS（虚拟文件系统）提供标准操作接口，包括 open、close、read、write 和 ioctl 等。用户可以通过操作 /dev/fbx 设备文件，完成以下功能：

1. 映射 Framebuffer 到用户态：

   使用 mmap 将 Framebuffer 映射到用户空间，便于直接对 Framebuffer 进行读写操作。

2. 切换 Framebuffer：

   用户可以通过 ioctl 接口切换不同的 Framebuffer 配置或模式。

2、下层驱动接口

openvela 的 Framebuffer 驱动接口用于管理 LCD 设备，设计相对简单。开发者可以参考 video/fb.h 和 /drivers/video/fb.c 文件中的实现。以下是 fb_register() 函数的源码，展示了与 Framebuffer 设备驱动相关的重要部分：

int fb_register(int display, int plane)
{
  FAR struct fb_chardev_s *fb;

  ...

  /* Initialize the frame buffer device. */
  ret = up_fbinitialize(display);
  if (ret < 0)
    {
      gerr("ERROR: up_fbinitialize() failed for display %d: %d\n",
           display, ret);
      goto errout_with_fb;
    }
  DEBUGASSERT((unsigned)plane <= UINT8_MAX);
  fb->plane  = plane;
  fb->vtable = up_fbgetvplane(display, plane);
  if (fb->vtable == NULL)
    {
      gerr("ERROR: up_fbgetvplane() failed, vplane=%d\n", plane);
      goto errout_with_fb;
    }
  /* Initialize the frame buffer instance. */
  ...

  ret = register_driver(devname, &fb_fops, 0666, (FAR void *)fb);
  if (ret < 0)
    {
      gerr("ERROR: register_driver() failed: %d\n", ret);
      goto errout_with_fb;
    }
  return OK;
  
errout_with_fb:
  kmm_free(fb);
  return ret;
}

从代码中可以看出，Framebuffer 针对 LCD 设备驱动程序提供了以下 3 个接口，驱动程序需要自行实现：

1. void up_fbinitialize(int display)

   • 用于初始化硬件 LCD 控制器。
   • 例如，在 STM32 平台上，up_fbinitialize 函数需要初始化 LTDC（LCD-TFT 控制器）或 MIPI 接口，并完成 DSI 外设和 LCD IC 的初始化。

2. FAR struct fb_vtable_s *up_fbgetvplane(int display, int vplane)

   • 获取 LCD 的 fb_vtable_s 结构体信息。
   • fb_vtable_s 是 Framebuffer 的核心结构，包含了 Framebuffer 的所有接口。通过实现该函数，LCD 控制器可以将自身信息注册到 Framebuffer 框架中。

   • 驱动程序可以参考以下示例实现：

     • drivers/video/vnc/vnc_fbdev.c
     • boards/arm/stm32f7/stm32f746g-disco/stm32_lcd.c

3. void up_fbuninitialize(int display)

   • 执行与 up_fbinitialize 相反的操作，用于释放资源。通常可以实现为空，不执行任何操作。

3、struct fb_vtable_s 结构

fb_vtable_s 是 Framebuffer 的核心结构，定义了与视频硬件交互的接口。以下是其主要功能模块：

1. 核心功能。

   • getvideoinfo：获取视频控制器配置和颜色平面信息。
   • getplaneinfo：获取指定颜色平面的信息。

2. 可选功能（根据配置启用）。

   • 颜色映射（CONFIG_FB_CMAP）：
     • getcmap：获取当前颜色映射表。
     • putcmap：更新颜色映射表。
   • 硬件光标（CONFIG_FB_HWCURSOR）：
     • getcursor：获取光标属性。
     • setcursor：设置光标配置。
   • 显示更新（CONFIG_FB_UPDATE）：
     • updatearea：通知硬件更新指定显示区域。
   • 垂直同步（CONFIG_FB_SYNC）：
     • waitforvsync：等待垂直同步信号，避免屏幕撕裂。
   • 叠加管理（CONFIG_FB_OVERLAY）：
     • getoverlayinfo：获取叠加层的配置信息。
     • settransp：设置叠加层的透明度。
     • setchromakey：设置叠加层的色键。
     • setcolor：用指定颜色填充叠加层。
     • setblank：启用或禁用叠加层。
     • setarea：设置叠加操作的活动区域。
     • 叠加层的 Blit 和 Blend 操作（CONFIG_FB_OVERLAY_BLIT）：
       • blit：在叠加层之间执行 Blit 操作。
       • blend：在叠加层之间执行 Blend 操作。

3. 其他控制功能。

   • 显示平移：
     • pandisplay：为多缓冲区显示执行平移操作。
   • 帧率控制：
     • setframerate：设置 Framebuffer 的刷新率。
     • getframerate：获取当前刷新率。
   • 电源管理：
     • getpower：获取面板的电源状态。
     • setpower：启用或禁用面板电源。

示例代码

以下是 struct fb_vtable_s 的部分定义示例：

struct fb_vtable_s
{
  /* Get information about the video controller configuration and the
   * configuration of each color plane.
   */

  int (*getvideoinfo)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                      FAR struct fb_videoinfo_s *vinfo);
  int (*getplaneinfo)(FAR struct fb_vtable_s *vtable, int planeno,
                      FAR struct fb_planeinfo_s *pinfo);

#ifdef CONFIG_FB_CMAP
  /* The following are provided only if the video hardware supports RGB
   * color mapping
   */

  int (*getcmap)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                 FAR struct fb_cmap_s *cmap);
  int (*putcmap)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                 FAR const struct fb_cmap_s *cmap);
#endif

#ifdef CONFIG_FB_HWCURSOR
  /* The following are provided only if the video hardware supports a
   * hardware cursor.
   */

  int (*getcursor)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                   FAR struct fb_cursorattrib_s *attrib);
  int (*setcursor)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                   FAR struct fb_setcursor_s *settings);
#endif

#ifdef CONFIG_FB_UPDATE
  /* The following are provided only if the video hardware need extera
   * notification to update display content.
   */

  int (*updatearea)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                    FAR const struct fb_area_s *area);
#endif

#ifdef CONFIG_FB_SYNC
  /* The following are provided only if the video hardware signals
   * vertical sync.
   */

  int (*waitforvsync)(FAR struct fb_vtable_s *vtable);
#endif

#ifdef CONFIG_FB_OVERLAY
  /* Get information about the video controller configuration and the
   * configuration of each overlay.
   */

  int (*getoverlayinfo)(FAR struct fb_vtable_s *vtable, int overlayno,
                        FAR struct fb_overlayinfo_s *oinfo);

  /* The following are provided only if the video hardware supports
   * transparency
   */

  int (*settransp)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                   FAR const struct fb_overlayinfo_s *oinfo);

  /* The following are provided only if the video hardware supports
   * chromakey
   */

  int (*setchromakey)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                      FAR const struct fb_overlayinfo_s *oinfo);

  /* The following are provided only if the video hardware supports
   * filling the overlay with a color.
   */

  int (*setcolor)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                  FAR const struct fb_overlayinfo_s *oinfo);

  /* The following allows to switch the overlay on or off */

  int (*setblank)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                  FAR const struct fb_overlayinfo_s *oinfo);

  /* The following allows to set the active area for subsequently overlay
   * operations.
   */

  int (*setarea)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                 FAR const struct fb_overlayinfo_s *oinfo);

# ifdef CONFIG_FB_OVERLAY_BLIT
  /* The following are provided only if the video hardware supports
   * blit operation between overlays.
   */

  int (*blit)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
              FAR const struct fb_overlayblit_s *blit);

  /* The following are provided only if the video hardware supports
   * blend operation between overlays.
   */

  int (*blend)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
               FAR const struct fb_overlayblend_s *blend);
#endif

  /* Pan display for multiple buffers. */

  int (*pandisplay)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
                    FAR struct fb_planeinfo_s *pinfo);

  /* Specific Controls ******************************************************/

  /* Set the frequency of the Framebuffer update panel (0: disable refresh) */

  int (*setframerate)(FAR struct fb_vtable_s *vtable, int rate);

  /* Get the frequency of the Framebuffer update panel (0: disable refresh) */

  int (*getframerate)(FAR struct fb_vtable_s *vtable);

  /* Get the panel power status (0: full off). */

  int (*getpower)(FAR struct fb_vtable_s *vtable);

  /* Enable/disable panel power (0: full off). */

  int (*setpower)(FAR struct fb_vtable_s *vtable, int power);
};

开发者可以根据具体硬件需求实现这些接口，以满足 Framebuffer 的功能需求。

四、启用 Framebuffer

启用 Framebuffer 需要完成以下步骤：

1、开启 Framebuffer 编译选项

在配置文件中启用以下选项：

CONFIG_VIDEO_FB

2、注册 Framebuffer

在系统启动的初始化阶段，调用 fb_register 函数注册 Framebuffer。以下是示例代码：

#include <nuttx/video/fb.h>  

#ifdef CONFIG_VIDEO_FB  
    ret = fb_register(0, 0);  
    if (ret < 0)  
    {  
        syslog(LOG_ERR, "ERROR fb_register() failed: %d\n", ret);  
    }  
#endif

3、处理 VSync

为了避免屏幕撕裂并提高渲染性能，建议在实现中处理 VSync（垂直同步）。VSync 的具体实现和优化方法，请参考 VSync。

五、相关仓

以下是与 Framebuffer 驱动相关的代码仓库链接：

• fb.c：Framebuffer 驱动的实现文件。
• fb.h：Framebuffer 驱动的接口定义。