对FrameBuffer的一夜hack

大家都知道Unix/Linux系统是由命令驱动的。那么最基本的系统是命令行的（就是想DOS一样的界面）。X－Window－System是Unix/Linux上的图形系统，它是通过X－Server来控制硬件的。但有一些Linux的发行版在引导的时候就会在屏幕上出现图形，这时的图形是不可能由X来完成的，那是什么机制呢？答案是FrameBuffer。
FrameBuffer不是一个图形系统，更不是窗口系统。它比X要低级，简单来说FrameBuffer就是一种机制的实现。这种机制是把屏幕上的每个点映射成一段线性内存空间，程序可以简单的改变这段内存的值来改变屏幕上某一点的颜色。X的高度可移植性就是来自于这种机制，不管是在那种图形环境下，只要有这种机制的实现就可以运行X。所以在几乎所有的平台上都有相应的X版本的移植。
好了，闲话少说，下面我们来看看可以利用FrameBuffer来干点什么。首先看看你是否有了相应的驱动：找一下在/dev/下是否有fb*这个设备文件，这是个字符类的特殊文件。

代码:

 ls -l /dev/fb0	(Enter)					 
crw-rw----  1 root video 29, 0 Jan 27 15:32 /dev/fb0

如果没有这个文件也可以找找其他的比如：/dev/fb1,/dev/fb2...如果找不到这些文件，那就得重新编译内核了。下面假设存在这个文件/dev/fb0，这就是FrameBuffer的设备文件。
有了这个我们可以play with FrameBuffer了。（一下的操作不一定要在X下，可以在启动了FrameBuffer的虚拟控制台下）

代码:

cat /dev/fb0 > sreensnap 

ls -l sreensnap

-rw-r--r--  1 wsw wsw 6291456 Jan 27 21:30 sreensnap

我们得到了一个恰好6M的文件，再做下面的操作：

代码:

clear					/*清楚屏幕的输出*/
cat sreensnap > /dev/fb0

是不是奇怪的事情发生了？好像是中了病毒一般？屏幕又恢复了以前的状态？不用着急，

代码:

clear

这样屏幕就正常了。

通过以上的操作，我想你也猜到了。文件/dev/fb0就是控制屏幕上的每一点的颜色的文件。我们可以写程序来改变这个文件的内容，就可以方便的在屏幕上画图了:-)

我下面就来写一个小程序，探测一下屏幕的属性。

代码:

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>

int main () {
	int fp=0;
	struct fb_var_screeninfo vinfo;
	struct fb_fix_screeninfo finfo;
	fp = open ("/dev/fb0",O_RDWR);

	if (fp < 0){
		printf("Error : Can not open framebuffer device/n");
		exit(1);
	}

	if (ioctl(fp,FBIOGET_FSCREENINFO,&finfo)){
		printf("Error reading fixed information/n");
		exit(2);
	}
	
	if (ioctl(fp,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo)){
		printf("Error reading variable information/n");
		exit(3);
	}

	printf("The mem is :%d/n",finfo.smem_len);
	printf("The line_length is :%d/n",finfo.line_length);
	printf("The xres is :%d/n",vinfo.xres);
	printf("The yres is :%d/n",vinfo.yres);
	printf("bits_per_pixel is :%d/n",vinfo.bits_per_pixel);
	close (fp);
}

struct fb_var_screeninfo 和 struct fb_fix_screeninfo 两个数据结构是在/usr/include/linux/fb.h中定义的，里面有些有趣的值：（都是无符号32位的整数）
在fb_fix_screeninfo中有
__u32 smem_len 是这个/dev/fb0的大小，也就是内存大小。
__u32 line_length 是屏幕上一行的点在内存中占有的空间，不是一行上的点数。
在fb_var_screeninfo 中有
__u32 xres ，__u32 yres 是x和y方向的分辨率，就是两个方向上的点数。
__u32 bits_per_pixel 是每一点占有的内存空间。

把上面的程序编译以后运行，在我的机器上的结果如下：

代码:

The mem is :6291456
The line_length is :4096
The xres is :1024
The yres is :768
bits_per_pixel is :32

内存长度恰好是6M，每行占有4M的空间，分辨率是1024x768，色彩深度是32位。细心的你可能已经发现有些不对。屏幕上的点有1024x768＝786432个，每个点占有32比特。屏幕一共的占有内存数为32x786432＝25165824 就是3145728字节，恰好是3M但是上面的程序告诉我们有6M的存储空间。这是因为在现代的图形系统中大多有缓冲技术，显存中存有两页屏幕数据，这是方便快速的改变屏幕内容实现动画之类比较高的要求。关于这种缓冲技术有点复杂，我们目前先不讨论。对于我们来说只有这3M内存来存放这一个屏幕的颜色数据。
好了，现在你应该对FrameBuffer有一个大概的了解了吧。那么接下来你一定会想在屏幕上画一些东西，让我们先从画一个点开始吧。先说说我的想法：在类Unix系统中，一切东西都是文件。我们对屏幕的读写就可以转换成对/dev/fb0的读写。那么就把/dev/fb0用open打开，再用lseek定位要读写的位置，最后调用read或者write来操作。通过这么一大段的操作我们才完成了对一个点的读或者写。这种方法开销太大了。还有一种方法，我们把/dev/fb0映射到程序进程的内存空间中来，然后得到一个指向这段存储空间的指针，这样就可以方便的读写了。但是我们要知道能映射多少和该映射多少，这能很方便的从上面一个程序得出的参数来决定。
下面是程序代码：

代码:

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>

int main () {
	int fp=0;
	struct fb_var_screeninfo vinfo;
	struct fb_fix_screeninfo finfo;
	long screensize=0;
	char *fbp = 0;
	int x = 0, y = 0;
	long location = 0;
	fp = open ("/dev/fb0",O_RDWR);

	if (fp < 0){
		printf("Error : Can not open framebuffer device/n");
		exit(1);
	}

	if (ioctl(fp,FBIOGET_FSCREENINFO,&finfo)){
		printf("Error reading fixed information/n");
		exit(2);
	}
	
	if (ioctl(fp,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo)){
		printf("Error reading variable information/n");
		exit(3);
	}

		screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;
	/*这就是把fp所指的文件中从开始到screensize大小的内容给映射出来，得到一个指向这块空间的指针*/
	fbp =(char *) mmap (0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fp,0);
  	if ((int) fbp == -1)
    	{
     	 	printf ("Error: failed to map framebuffer device to memory./n");
      		exit (4);
    	}
/*这是你想画的点的位置坐标,(0，0)点在屏幕左上角*/
	 x = 100;
  	 y = 100;
 	location = x * (vinfo.bits_per_pixel / 8) + y  *  finfo.line_length;

  *(fbp + location) = 100;		/* 蓝色的色深 */		/*直接赋值来改变屏幕上某点的颜色*/
  *(fbp + location + 1) = 15;	/* 绿色的色深*/		 
  *(fbp + location + 2) = 200;	/* 红色的色深*/		 
  *(fbp + location + 3) = 0;		/* 是否透明*/		
  munmap (fbp, screensize);	/*解除映射*/
  close (fp);				/*关闭文件*/
  return 0;

}

因为这是对线性存储空间的读写，所以代码有点不清晰，不易理解。但是有了这个基本的代码实现，我们可以很容易写一些DrawPoint之类的函数去包装一下低层的对线性存储空间的读写。但是有了画点的程序，再写出画线画圆的函数就不是非常困难了。

这些就是我对FrameBuffer的初步研究，匆忙之间写些东西不成文章,以后要写些更高级一点的函数的实现。