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FrameBuffer的原理

←手機掃碼閱讀     火星人 @ 2014-03-26 , reply:0

FrameBuffer 是出現在 2.2.xx 內核當中的一種驅動程序介面。

Linux是工作在保護模式下,所以用戶態進程是無法象DOS那樣使用顯卡BIOS里提供的中斷調用來實現直接寫屏,Linux抽象出FrameBuffer這個設備來供用戶態進程實現直接寫屏。Framebuffer機制模仿顯卡的功能,將顯卡硬體結構抽象掉,可以通過Framebuffer的讀寫直接對顯存進行操作。用戶可以將Framebuffer看成是顯示內存的一個映像,將其映射到進程地址空間之後,就可以直接進行讀寫操作,而寫操作可以立即反應在屏幕上。這種操作是抽象的,統一的。用戶不必關心物理顯存的位置、換頁機制等等具體細節。這些都是由Framebuffer設備驅動來完成的。

但Framebuffer本身不具備任何運算數據的能力,就只好比是一個暫時存放水的水池.CPU將運算后的結果放到這個水池,水池再將結果流到顯示器.中間不會對數據做處理. 應用程序也可以直接讀寫這個水池的內容.在這種機制下,儘管Framebuffer需要真正的顯卡驅動的支持,但所有顯示任務都有CPU完成,因此CPU負擔很重.

framebuffer的設備文件一般是 /dev/fb0、/dev/fb1 等等。

可以用命令: #dd if=/dev/zero of=/dev/fb 清空屏幕.

如果顯示模式是 1024x768-8 位色,用命令:$ dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=1024 count=768 清空屏幕

用命令: #dd if=/dev/fb of=fbfile 可以將fb中的內容保存下來;

可以重新寫回屏幕: #dd if=fbfile of=/dev/fb

在使用Framebuffer時,Linux是將顯卡置於圖形模式下的.

在應用程序中,一般通過將 FrameBuffer 設備映射到進程地址空間的方式使用,比如下面的程序就打開 /dev/fb0 設備,並通過 mmap 系統調用進行地址映射,隨後用 memset 將屏幕清空(這裡假設顯示模式是 1024x768-8 位色模式,線性內存模式):

int fb;

unsigned char* fb_mem;

fb = open ("/dev/fb0", O_RDWR);

fb_mem = mmap (NULL, 1024*768, PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fb,0);

memset (fb_mem, 0, 1024*768);

FrameBuffer 設備還提供了若干 ioctl 命令,通過這些命令,可以獲得顯示設備的一些固定信息(比如顯示內存大小)、與顯示模式相關的可變信息(比如解析度、象素結構、每掃描線的位元組寬度),以及偽彩色模式下的調色板信息等等。

通過 FrameBuffer 設備,還可以獲得當前內核所支持的加速顯示卡的類型(通過固定信息得到),這種類型通常是和特定顯示晶元相關的。比如目前最新的內核(2.4.9)中,就包含有對 S3、Matrox、nVidia、3Dfx 等等流行顯示晶元的加速支持。在獲得了加速晶元類型之後,應用程序就可以將 PCI 設備的內存I/O(memio)映射到進程的地址空間。這些 memio 一般是用來控制顯示卡的寄存器,通過對這些寄存器的操作,應用程序就可以控制特定顯卡的加速功能。

PCI 設備可以將自己的控制寄存器映射到物理內存空間,而後,對這些控制寄存器的訪問,給變成了對物理內存的訪問。因此,這些寄存器又被稱為"memio"。一旦被映射到物理內存,Linux 的普通進程就可以通過 mmap 將這些內存 I/O 映射到進程地址空間,這樣就可以直接訪問這些寄存器了。

當然,因為不同的顯示晶元具有不同的加速能力,對memio 的使用和定義也各自不同,這時,就需要針對加速晶元的不同類型來編寫實現不同的加速功能。比如大多數晶元都提供了對矩形填充的硬體加速支持,但不同的晶元實現方式不同,這時,就需要針對不同的晶元類型編寫不同的用來完成填充矩形的函數。

FrameBuffer 只是一個提供顯示內存和顯示晶元寄存器從物理內存映射到進程地址空間中的設備。所以,對於應用程序而言,如果希望在 FrameBuffer 之上進行圖形編程,還需要自己動手完成其他許多工作。



二、FrameBuffer在LINUX中實現和機制

Framebuffer對應的源文件在linux/drivers/video/目錄下。總的抽象設備文件為fbcon.c,在這個目錄下還有與各種顯卡驅動相關的源文件。

(一)、分析Framebuffer設備驅動

需要特別提出的是在INTEL平台上,老式的VESA 1.2 卡,如CGA/EGA卡,是不能支持Framebuffer的,因為Framebuffer要求顯卡支持線性幀緩衝,即CPU可以訪問顯緩衝中的每一位,但是VESA 1.2 卡只能允許CPU一次訪問64K的地址空間。

FrameBuffer設備驅動基於如下兩個文件:

1) linux/include/linux/fb.h
2) linux/drivers/video/fbmem.c

下面分析這兩個文件。

1、fb.h

幾乎主要的結構都是在這個中文件定義的。這些結構包括:

1)fb_var_screeninfo

這個結構描述了顯示卡的特性:

struct fb_var_screeninfo

{
__u32 xres; /* visible resolution */
__u32 yres;
__u32 xres_virtual; /* virtual resolution */
__u32 yres_virtual;
__u32 xoffset; /* offset from virtual to visible resolution */
__u32 yoffset;

__u32 bits_per_pixel; /* guess what */
__u32 grayscale; /* != 0 Gray levels instead of colors */

struct fb_bitfield red; /* bitfield in fb mem if true color, */
struct fb_bitfield green; /* else only length is significant */
struct fb_bitfield blue;
struct fb_bitfield transp; /* transparency */

__u32 nonstd; /* != 0 Non standard pixel format */

__u32 activate; /* see FB_ACTIVATE_* */

__u32 height; /* height of picture in mm */
__u32 width; /* width of picture in mm */

__u32 accel_flags; /* acceleration flags (hints) */

/* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
__u32 pixclock; /* pixel clock in ps (pico seconds) */
__u32 left_margin; /* time from sync to picture */
__u32 right_margin; /* time from picture to sync */
__u32 upper_margin; /* time from sync to picture */
__u32 lower_margin;
__u32 hsync_len; /* length of horizontal sync */
__u32 vsync_len; /* length of vertical sync */
__u32 sync; /* see FB_SYNC_* */
__u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */
__u32 reserved[6]; /* Reserved for future compatibility */
};

2) fb_fix_screeninfon
這個結構在顯卡被設定模式后創建,它描述顯示卡的屬性,並且系統運行時不能被修改;比如FrameBuffer內存的起始地址。它依賴於被設定的模式,當一個模式被設定后,內存信息由顯示卡硬體給出,內存的位置等信息就不可以修改。

struct fb_fix_screeninfo {
char id[16]; /* identification string eg "TT Builtin" */
unsigned long smem_start; /* Start of frame buffer mem */
/* (physical address) */
__u32 smem_len; /* Length of frame buffer mem */
__u32 type; /* see FB_TYPE_* */
__u32 type_aux; /* Interleave for interleaved Planes */
__u32 visual; /* see FB_VISUAL_* */
__u16 xpanstep; /* zero if no hardware panning */
__u16 ypanstep; /* zero if no hardware panning */
__u16 ywrapstep; /* zero if no hardware ywrap */
__u32 line_length; /* length of a line in bytes */
unsigned long mmio_start; /* Start of Memory Mapped I/O */
/* (physical address) */
__u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O */
__u32 accel; /* Type of acceleration available */
__u16 reserved[3]; /* Reserved for future compatibility */
};

3) fb_cmap
描述設備無關的顏色映射信息。可以通過FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 對應的ioctl操作設定或獲取顏色映射信息.

struct fb_cmap {
__u32 start; /* First entry */
__u32 len; /* Number of entries */
__u16 *red; /* Red values */
__u16 *green;
__u16 *blue;
__u16 *transp; /* transparency, can be NULL */
};

4) fb_info
定義當顯卡的當前狀態;fb_info結構僅在內核中可見,在這個結構中有一個fb_ops指針, 指向驅動設備工作所需的函數集。

struct fb_info {
char modename[40]; /* default video mode */
kdev_t node;
int flags;
int open; /* Has this been open already ? */
#define FBINFO_FLAG_MODULE 1 /* Low-level driver is a module */
struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix */
struct fb_monspecs monspecs; /* Current Monitor specs */
struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */
struct fb_ops *fbops;
char *screen_base; /* Virtual address */
struct display *disp; /* initial display variable */
struct vc_data *display_fg; /* Console visible on this display */
char fontname[40]; /* default font name */
devfs_handle_t devfs_handle; /* Devfs handle for new name */
devfs_handle_t devfs_lhandle; /* Devfs handle for compat. symlink */
int (*changevar)(int); /* tell console var has changed */
int (*switch_con)(int, struct fb_info*);
/* tell fb to switch consoles */
int (*updatevar)(int, struct fb_info*);
/* tell fb to update the vars */
void (*blank)(int, struct fb_info*); /* tell fb to (un)blank the screen */
/* arg = 0: unblank */
/* arg > 0: VESA level (arg-1) */
void *pseudo_palette; /* Fake palette of 16 colors and
the cursor's color for non
palette mode */
/* From here on everything is device dependent */
void *par;
};

5) struct fb_ops
用戶應用可以使用ioctl()系統調用來操作設備,這個結構就是用一支持ioctl()的這些操作的。

struct fb_ops {
/* open/release and usage marking */
struct module *owner;
int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);
int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);
/* get non settable parameters */
int (*fb_get_fix)(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con,
struct fb_info *info);
/* get settable parameters */
int (*fb_get_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,
struct fb_info *info);
/* set settable parameters */
int (*fb_set_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,
struct fb_info *info);
/* get colormap */
int (*fb_get_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con,
struct fb_info *info);
/* set colormap */
int (*fb_set_cmap)(struct fb_cmap *cmap, int kspc, int con,
struct fb_info *info);
/* pan display (optional) */
int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,
struct fb_info *info);
/* perform fb specific ioctl (optional) */
int (*fb_ioctl)(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,
unsigned long arg, int con, struct fb_info *info);
/* perform fb specific mmap */
int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct file *file, struct vm_area_struct *vma);
/* switch to/from raster image mode */
int (*fb_rasterimg)(struct fb_info *info, int start);
};

6) structure map
struct fb_info_gen | struct fb_info | fb_var_screeninfo
| | fb_fix_screeninfo
| | fb_cmap
| | modename[40]
| | fb_ops ---|--->ops on var
| | ... | fb_open
| | | fb_release
| | | fb_ioctl
| | | fb_mmap
| struct fbgen_hwswitch -|-> detect
| | encode_fix
| | encode_var
| | decode_fix
| | decode_var
| | get_var
| | set_var
| | getcolreg
| | setcolreg
| | pan_display
| | blank
| | set_disp

[編排有點困難,第一行的第一條豎線和下面的第一列豎線對齊,第一行的第二條豎線和下面的第二列豎線對齊就可以了]
這個結構 fbgen_hwswitch抽象了硬體的操作.雖然它不是必需的,但有時候很有用.

2、 fbmem.c
fbmem.c 處於Framebuffer設備驅動技術的中心位置.它為上層應用程序提供系統調用 也為下一層的特定硬體驅動提供介面;那些底層硬體驅動需要用到這兒的介面來向系統內核註冊它們自己. fbmem.c 為所有支持FrameBuffer的設備驅動提供了通用的介面,避免重複工作.

1) 全局變數

struct fb_info *registered_fb[FB_MAX];
int num_registered_fb;


這兩變數記錄了所有fb_info 結構的實例,fb_info 結構描述顯卡的當前狀態,所有設備對應的fb_info 結構都保存在這個數組中,當一個FrameBuffer設備驅動向系統註冊自己時,其對應的fb_info 結構就會添加到這個結構中,同時num_registered_fb 為自動加1.

static struct {
const char *name;
int (*init)(void);
int (*setup)(void);
} fb_drivers[] __initdata= { ....};

如果FrameBuffer設備被靜態鏈接到內核,其對應的入口就會添加到這個表中;如果是動態載入的,即使用insmod/rmmod,就不需要關心這個表。

static struct file_operations fb_ops ={
owner: THIS_MODULE,
read: fb_read,
write: fb_write,
ioctl: fb_ioctl,
mmap: fb_mmap,
open: fb_open,
release: fb_release
};
這是一個提供給應用程序的介面.

2)fbmem.c 實現了如下函數.

register_framebuffer(struct fb_info *fb_info);
unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info);

這兩個是提供給下層FrameBuffer設備驅動的介面,設備驅動通過這兩函數向系統註冊或註銷自己。幾乎底層設備驅動所要做的所有事情就是填充fb_info結構然後向系統註冊或註銷它。

(二)一個LCD顯示晶元的驅動實例

以Skeleton LCD 控制器驅動為例,在LINUX中存有一個/fb/skeleton.c的skeleton的Framebuffer驅動程序,很簡單,僅僅是填充了 fb_info結構,並且註冊/註銷自己。設備驅動是向用戶程序提供系統調用介面,所以我們需要實現底層硬體操作並且定義file_operations 結構來向系統提供系統調用介面,從而實現更有效的LCD控制器驅動程序。

1)在系統內存中分配顯存
在fbmem.c文件中可以看到, file_operations 結構中的open()和release()操作不需底層支持,但read()、write()和 mmap()操作需要函數fb_get_fix()的支持.因此需要重新實現函數fb_get_fix()。另外還需要在系統內存中分配顯存空間,大多數 的LCD控制器都沒有自己的顯存空間,被分配的地址空間的起始地址與長度將會被填充到fb_fix_screeninfo 結構的smem_start 和smem_len 的兩個變數中.被分配的空間必須是物理連續的。

2)實現 fb_ops 中的函數
用戶應用程序通過ioctl()系統調用操作硬體,fb_ops 中的函數就用於支持這些操作。(註: fb_ops結構與file_operations 結構不同,fb_ops是底層操作的抽象,而file_operations是提供給上層系統調用的介面,可以直接調用.
ioctl()系統調用在文件fbmem.c中實現,通過觀察可以發現ioctl()命令與fb_ops』s 中函數的關係:
FBIOGET_VSCREENINFO fb_get_var
FBIOPUT_VSCREENINFO fb_set_var
FBIOGET_FSCREENINFO fb_get_fix
FBIOPUTCMAP fb_set_cmap
FBIOGETCMAP fb_get_cmap
FBIOPAN_DISPLAY fb_pan_display


如果我們定義了fb_XXX_XXX 方法,用戶程序就可以使用FBIOXXXX宏的ioctl()操作來操作硬體。

文件linux/drivers/video/fbgen.c或者linux/drivers/video目錄下的其它設備驅動是比較好的參考資料。在所有的這些函數中fb_set_var()是最重要的,它用於設定顯示卡的模式和其它屬性,下面是函數fb_set_var()的執行步驟:

1)檢測是否必須設定模式
2)設定模式

3)設定顏色映射

4) 根據以前的設定重新設置LCD控制器的各寄存器。

第四步表明了底層操作到底放置在何處。在系統內存中分配顯存后,顯存的起始地址及長度將被設定到LCD控制器的各寄存器中(一般通過fb_set_var() 函數),顯存中的內容將自動被LCD控制器輸出到屏幕上。另一方面,用戶程序通過函數mmap()將顯存映射到用戶進程地址空間中,然後用戶進程向映射空間發送的所有數據都將會被顯示到LCD顯示器上。



三、FrameBuffer的應用

(一)、一個使用FrameBuffer的例子

1、FrameBuffer主要是根據VESA標準的實現的,所以只能實現最簡單的功能。

2、由於涉及內核的問題,FrameBuffer是不允許在系統起來后修改顯示模式等一系列操作。(好象很多人都想要這樣干,這是不被允許的,當然如果你自己寫驅動的話,是可以實現的).

3、對FrameBuffer的操作,會直接影響到本機的所有控制台的輸出,包括XWIN的圖形界面。

好,現在可以讓我們開始實現直接寫屏:

1、打開一個FrameBuffer設備

2、通過mmap調用把顯卡的物理內存空間映射到用戶空間

3、直接寫內存。

/********************************

File name : fbtools.h

*/

#ifndef _FBTOOLS_H_

#define _FBTOOLS_H_

#include

//a framebuffer device structure;

typedef struct fbdev{

int fb;

unsigned long fb_mem_offset;

unsigned long fb_mem;

struct fb_fix_screeninfo fb_fix;

struct fb_var_screeninfo fb_var;

char dev[20];

} FBDEV, *PFBDEV;

//open & init a frame buffer

//to use this function,

//you must set FBDEV.dev="/dev/fb0"

//or "/dev/fbX"

//it's your frame buffer.

int fb_open(PFBDEV pFbdev);

//close a frame buffer

int fb_close(PFBDEV pFbdev);

//get display depth

int get_display_depth(PFBDEV pFbdev);

//full screen clear

void fb_memset(void *addr, int c, size_t len);

#endif



/******************

File name : fbtools.c

*/

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include "fbtools.h"

#define TRUE 1

#define FALSE 0

#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x)y))

#define MIN(x,y) ((x)<(y)?(x)y))

//open & init a frame buffer

int fb_open(PFBDEV pFbdev)

{

pFbdev->fb = open(pFbdev->dev, O_RDWR);

if(pFbdev->fb < 0)

{

printf("Error opening %s: %m. Check kernel config\n", pFbdev->dev);

return FALSE;

}

if (-1 == ioctl(pFbdev->fb,FBIOGET_VSCREENINFO,&(pFbdev->fb_var)))

{

printf("ioctl FBIOGET_VSCREENINFO\n");

return FALSE;

}

if (-1 == ioctl(pFbdev->fb,FBIOGET_FSCREENINFO,&(pFbdev->fb_fix)))

{

printf("ioctl FBIOGET_FSCREENINFO\n");

return FALSE;

}

//map physics address to virtual address

pFbdev->fb_mem_offset = (unsigned long)(pFbdev->fb_fix.smem_start) & (~PAGE_MASK);

pFbdev->fb_mem = (unsigned long int)mmap(NULL, pFbdev->fb_fix.smem_len + pFbdev->fb_mem_offset, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, pFbdev->fb, 0);

if (-1L == (long) pFbdev->fb_mem)

{

printf("mmap error! mem:%d offset:%d\n", pFbdev->fb_mem, pFbdev->fb_mem_offset);

return FALSE;

}

return TRUE;

}

//close frame buffer

int fb_close(PFBDEV pFbdev)

{

close(pFbdev->fb);

pFbdev->fb=-1;

}

//get display depth

int get_display_depth(PFBDEV pFbdev);

{

if(pFbdev->fb<=0)

{

printf("fb device not open, open it first\n");

return FALSE;

}

return pFbdev->fb_var.bits_per_pixel;

}

//full screen clear

void fb_memset (void *addr, int c, size_t len)

{

memset(addr, c, len);

}

//use by test

#define DEBUG

#ifdef DEBUG

main()

{

FBDEV fbdev;

memset(&fbdev, 0, sizeof(FBDEV));

strcpy(fbdev.dev, "/dev/fb0");

if(fb_open(&fbdev)==FALSE)

{

printf("open frame buffer error\n");

return;

}

fb_memset(fbdev.fb_mem + fbdev.fb_mem_offset, 0, fbdev.fb_fix.smem_len);

fb_close(&fbdev);

}

(二)基於Linux核心的漢字顯示的嘗試

我們以一個簡單的例子來說明字元顯示的過程。我們假設是在虛擬終端1(/dev/tty1)下運行一個如下的簡單程序。

main ( )

{

puts("hello, world.\n");

}

puts 函數向預設輸出文件(/dev/tty1)發出寫的系統調用write(2)。系統調用到linux核心裏面對應的核心函數是console.c中的 con_write(),con_write()最終會調用do_con_write( )。在do_con_write( )中負責把"hello, world.\n"這個字元串放到tty1對應的緩衝區中去。

do_con_write( )還負責處理控制字元和游標的位置。讓我們來看一下do_con_write()這個函數的聲明。

static int do_con_write(struct tty_struct * tty, int from_user, const unsigned char *buf, int count)

其中tty是指向tty_struct結構的指針,這個結構裡面存放著關於這個tty的所有信息(請參照 linux/include/linux/tty.h)。Tty_struct結構中定義了通用(或高層)tty的屬性(例如寬度和高度等)。在do_con_write( )函數中用到了tty_struct結構中的driver_data變數。driver_data是一個vt_struct指針。在vt_struct結構中包含這個tty的序列號(我們正使用tty1,所以這個序號為1)。Vt_struct結構中有一個vc結構的數組vc_cons,這個數組就是各虛擬終端的私有數據。

static int do_con_write(struct tty_struct * tty, int from_user,const unsigned char *buf, int count)

{

struct vt_struct *vt = (struct vt_struct *)tty->driver_data;//我們用到了driver_data變數

. . . . .

currcons = vt->vc_num; file://我們在這裡的vc_nums就是1

. . . . .

}

要訪問虛擬終端的私有數據,需使用vc_cons〔currcons〕.d指針。這個指針指向的結構含有當前虛擬終端上游標的位置、緩衝區的起始地址、緩衝區大小等等。

"hello, world.\n"中的每一個字元都要經過conv_uni_to_pc( )這個函數轉換成8位的顯示字元。這要做的主要目的是使不同語言的國家能把16位的UniCode碼映射到8位的顯示字符集上,目前還是主要針對歐洲國家的語言,映射結果為8位,不包含對雙位元組(double byte)的範圍。

這種UNICODE到顯示字元的映射關係可以由用戶自行定義。在預設的映射表上,會把中文的字元映射到其他的字元上,這是我們不希望看到也是不需要的。所以我們有兩個選擇∶

1不進行conv_uni_to_pc( )的轉換。

2載入符合雙位元組處理的映射關係,即對非控制字元進行1對1的不變映射。我們自己定製的符合這種映射關係的UNICODE碼錶是direct.uni。要想查看/裝載當前系統的unicode映射表,可使外部命令loadunimap。

經過conv_uni_to_pc( )轉換之後,"hello, world.\n"中的字元被一個一個地填寫到tty1的緩衝區中。然後do_con_write( )調用下層的驅動,把緩衝區中的內容輸出到顯示器上(也就相當於把緩衝區的內容拷貝到VGA顯存中去)。

sw->con_putcs(vc_cons〔currcons〕.d, (u16 *)draw_from, (u16*)draw_to-(u16 *)draw_from, y, draw_x);

之所以要調用底層驅動,是因為存在不同的顯示設備,其對應VGA顯存的存取方式也不一樣。

上面的Sw->con_putcs( )就會調用到fbcon.c中的fbcon_putcs()函數(con_putcs是一個函數的指針,在Framebuffer模式下指向 fbcon_putcs()函數)。也就是說在do_con_write( )函數中是直接調用了fbcon_putcs()函數來進行字元的繪製。比如說在256色模式下,真正負責輸出的函數是void fbcon_cfb8_putcs(struct vc_data *conp, struct display *p,const unsigned short *s, int count, int yy, int xx)

顯示中文

比如說我們試圖輸出一句中文∶putcs(你好\n );(你好的內碼為0xc4,0xe3,0xba,0xc3)。這時候會怎麼樣呢,有一點可以肯定,"你好"肯定不會出現在屏幕上,國為核心中沒有漢字字型檔,中文顯示就是無米之炊了.

1 在負責字元顯示的void fbcon_cfb8_putcs( )函數中,原有操作如下∶對於每個要顯示的字元,依次從虛擬終端緩衝區中以WORD為單位讀取(低位位元組是ASCII碼,高8位是字元的屬性),由於漢字是雙位元組編碼方式,所以這種操作是不可能顯示出漢字的,只能顯示出xxxx_putcs()是一個一個VGA字元.

要解決的問題∶

確保在do_con_write( )時uni□pc轉換不會改變原有編碼。一個很直接的實現方式就是載入一個我們自己定製的UNICODE映射表,loadunimapdirect.uni,或者直接把direct.uni置為核心的預設映射表。

針對如上問題,我們要做的第一個嘗試方案是如下。

首先需要在核心中載入漢字字型檔,然後修改fbcon_cfb8_putcs()函數,在fbcon_cfb8_putcs( )中一次讀兩個WORD,檢查這兩個WORD的低位位元組是否能拼成一個漢字,如果發現能拼成一個漢字,就算出這個漢字在漢字字型檔中的偏移,然後把它當成一個16 x 16的VGA字元來顯示。

試驗的結果表明∶

1能夠輸出漢字,但仍有許多不理想的地方,比如說,輸出以半個漢字開始的一串漢字,則這半個漢字後面的漢字都會是亂碼。這是半個漢字的問題。

2游標移動會破壞漢字的顯示。表現為,游標移動過的漢字會變成亂碼。這是因為游標的更新是通過xxxx_putc( )函數來完成的。

xxxx_putc( )函數與xxxx_putcs( )函數實現的功能類似,但是xxxx_putc()函數只刷新一個字元而不是一個字元串,因而xxxx_putc()的輸入參數是一個整數,而不是一個字元串的地址。Xxxx_putc( )函數的聲明如下∶void fbcon_cfb8_putc(struct vc_data *conp, struct display *p, int c, int yy, int xx)

下一個嘗試方案就是同時修改xxxx_putcs( )函數和xxxx_putc()函數。為了解決半個漢字的問題,每一次輸出之前,都從屏幕當前行的起始位置開始掃描,以確定要輸出的字元是否落在半個漢字的位置上。如果是半個漢字的位置,則進行相應的調整,即從向前移動一個位元組的位置開始輸出。

這個方案有一個困難,即xxxx_putc( )函數不用緩衝區的地址,而是用一個整數作為參數。所以xxxx_putc( )無法直接利用相鄰的字元來判別該定符是否是漢字。

解決方案是,利用xxxx_putc( )的游標位置參數(yy, xx),可以逆推出該字元在緩衝區中的位置。但仍有一些小麻煩,在Linux的虛擬終端下,用戶可能會上卷該屏幕(shift + pageup),導致游標的y座標和相應字元在緩衝區的行數不一致。相應的解決方案是,在逆推的過程中,考慮卷屏的參量。

這樣一來,我們就又進了一步,得到了一個相對更好的版本。但仍有問題沒有解決。敲入turbonetcfg,會發現菜單的邊框字元也被當成漢字顯示。這是因為,這種邊框字元是擴展字元,也使用了字元的第8位,因而被當作漢字來顯示。例如,單線一的製表符內碼為0xC4,當連成一條長線就是由一連串0xC4組成,而0xC4C4正 是漢字哪。於是水平的製表符被一連串的哪字替代了。要解決這個問題就非常不容易了,因為製表符的種類比較多,而且垂直製表符與其後面字元的組合型式又多種 多樣,因而很難判斷出相應位置的字元是不是製表符,從理論上說,無論採取什麼樣的排除演算法,都必然存在誤判的情況,因為總存在二義性,沒有充足的條件來推 斷出當前字元究竟是製表符還是漢字。

我們一方面尋找更好的排除組合演算法,一方面試圖尋找其它的解決方案。要想從根本上解決定個問題,必須利用其它的輔助信息,僅僅從緩衝區的字元來判斷是不夠的。

經過一番努力,我們發現,在UNIX中使用擴展字元時,都要先輸出字元轉義序列(Escape sequence)來切換當前字符集。字元轉義序列是以控制字元Esc為首的控制命令,在UNIX的虛擬終端中完成終端控制命令,這種命令包括,移動游標座標、卷屏、刪除、切換字符集等等。也就是說在輸出代表製表符的字元串之前,通常是要先輸出特定的字元轉義序列。在console.c里,有根據字元轉義序列命令來記錄字元狀態的變數。結合該變數提供的信息,就可以非常乾淨地把製表符與漢字區別開來。

在如上思路的指引下,我們又產生了新的解決方案。經過改動得到了另一各版本.

在這個新版本上,turbonetcfg在初次繪製的時候,製表符與漢字被清晰地區分開來,結果是非常正確的。但還有新的問題存在∶turbonetcfg 在重繪的時候(如切換虛擬終端或是移動滑鼠游標的時候),製表符還是變成了漢字,因為重繪完全依賴於緩衝區,而這時用來記錄字符集狀態的變數並不反映當前字符集狀態。問題還是沒有最終解決。我們又回到了起點。∶( 看來問題的最終解決手段必須是把字符集的狀態伴隨每一個字元存在緩衝區中。讓我們來研究一下緩衝區的結構。每一個字元佔用16bit的緩衝區,低8位是ASCII值,完全被利用,高8位包含前景顏色和背景顏色的屬性,也沒有多餘的空間可以利用。因而只能另外開闢新的緩衝區。為了保持一致性,我們決定在原來的緩衝區後面添加相同大小的緩衝區,用來存放是否是漢字的信息。

也許有讀者會問,我們只需要為每個字元添加一bit的信息來標誌是否是漢字就足夠了,為什麼還要開闢與原緩衝區大小相同的雙倍緩衝區,是不是太浪費呢?我們先放下這個問題,稍後再作回答。

其實,如果再添加一bit來標誌是當前字元是漢字的左半邊還是右半邊的話,就會省去掃描屏幕上當前整行字元串的工作,這樣一來,編程會更簡單。但是有讀者會問,即使是這樣,使用8bit總夠用了吧?為什麼還要使用16bit呢?

我們的作法是∶用低8位來存放漢字另外一半的內碼,用高8位中的2 bit來存放上面所講的輔助信息,高8位的剩餘6位可以用來存放漢字或其它編碼方式(如BIG5或日文、韓文)的信息,從而使我們可以實現同屏顯示多種雙位元組語言的字元而不會有相互干擾。另外,在編程時,雙倍緩衝也比較容易計算。這樣我們就回答了如上的兩個問題。

迄今為止,我們有了一套徹底解決漢字和製表符相互干擾、半個漢字的刷新、重繪等問題的方案。剩下的就是具體編程實現的問題了。

但是,由於Framebuffer的驅動很多,修改每一個驅動的xxxx_putc()函數和xxxx_putcs( )函數會是一項不小的工作,而且,改動驅動程序后,每種驅動的測試也是很麻煩的,尤其是對於有硬體加速的顯卡,修改和測試會更不容易。那麼,存不存在一種不需要修改顯卡驅動程序的方法呢?

經過努力,我們發現,可以在調用xxxx_putcs( )或xxxx_putc()函數輸出漢字之前,修改vga字型檔的指針使其指向所需顯示的漢字在漢字字型檔中的位置,即把一個漢字當成兩個vga ASCII字元輸出。也就是說,在內核中存在兩個字型檔,一個是原有的vga字元字型檔,另一個是漢字字型檔,當我們需要輸出漢字的時候,就把vga字型檔的指針指向漢字字型檔的相應位置,漢字輸出完之後,再把該指針指向vga字型檔的原有位置。

這樣一來,我們只需要修改fbcon.c和console.c,其中console.c負責維護雙倍緩衝區,把每一個字元的信息存入附加的緩衝區;而fbcon.c負責利用雙倍緩衝區中附加的信息,調整vga字型檔的指針,調用底層的顯示驅動程序。這裡還有幾個需要注意的地方∶

1. 由於屏幕重繪等原因,調用底層驅動xxxx_putc( )和xxxx_putcs()的地方有多處。我們作了兩個函數分別包裝這兩個調用,完成替換字型檔、調用xxxx_putcs( )或xxxx_putc( )、恢復字型檔等功能。

2.為了實現向上滾屏(shift + pageup)時也能看到漢字,我們需要作另外的修改。

Linux 在設計虛擬終端的時候,提供了回顧被卷出屏幕以外的信息的功能,這就是用熱鍵來向上滾屏(shift + pageup)。當前被使用的虛擬終端擁有一個公共的緩衝區(soft back), 用來存放被滾出屏幕以外的信息。當切換虛擬終端的時候,公共緩衝區的內容會被清除而被新的虛擬終端使用。向上滾屏的時候,顯示的是公共緩衝區中的內容。因 此,如果我們想在向上滾屏的時候看到漢字,公共緩衝區也必須加倍,以確保沒有信息丟失。當滾出屏幕的信息向公共緩衝區填寫的時候,必須把相應的附加信息也 填寫進公共緩衝區的附加區域。這就要求fbcon.c必須懂得利用公共緩衝區的附加信息。

當然,有另外一種偷懶的方法,那就是不允許用戶向上滾屏,從而避免對公區緩衝區的處理。

3.把不同的編碼方式(GB、BIG5、日文和韓文)寫成不同的module,以實現動態載入,從而使得擴展新的編碼方式不需要重新編譯核心。

測試

本文實現的Kernel Patch文件(patch.kernel.chinese)可以從http://www.turbolinux.com.cn下載。Cd /usr/src/(該目錄下應有Linux核心源程序所在的目錄linux/) patch -p0 -b < patch.kernel.chinese make menuconfig 請選擇Console drivers選項中的

〔*〕 Double Byte Character Display Support(EXPERIMENTAL)

〔*〕 Double Byte GB encode (module only)

〔*〕 VESA VGA graphics console

<*> Virtual Frame Buffer support (ONLY FOR TESTING!)

<*> 8 bpp packed pixels support

<*> 16 bpp packed pixels support

<*> VGA characters/attributes support

〔*〕 Select compiled-in fonts

〔*〕VGA 8x8 font

〔*〕VGA 8x16 font

make dep

make bzImage

make modules

make install

make modules_install

然後用新的核心啟動。

Insmod encode-gb.o





四、其它

(一) 設置FrameBuffer

FrameBuffer,可以譯作"幀緩衝",有時簡稱為 fbdrv,基於fbdrv的console也被稱之為fbcon。這是一種獨立於硬體的抽象圖形設備。FrameBuffer的優點在於其高度的可移植 性、易使用性、穩定性。使用Linux內核的 FrameBuffer驅動(vesafb),可以輕鬆支持到1024X768X32bpp以上的分辯率。而且目前可得到的絕大多數linux版本所發行 的內核中,已經預編譯了FrameBuffer支持,通常不需要重新編譯內核就可以使用。所以FrameBuffer也是zhcon推薦使用的驅動方式。

進入FrameBuffer可以簡單地在系統啟動時向kernel傳送vga=mode-number的參數來激活FrameBuffer設備,如:
lilo:linux vga=305
將會啟動1024x768x8bpp模式。

640x480 800x600 1024x768 1280x1024

8 bpp 769 771 773 775

16 bpp 785 788 791 794

32 bpp 786 789 792 795



(二) 要使linux預設進入FrameBuffer,可以修改/etc/lilo.conf,加入一下語句:
vga=0x303
退出編輯,執行:
lilo -v
重新啟動linux,可以使其進入800x600的256色模式。
grub也是一樣,在grub.conf中的kernel行後面寫上vga=xxx就行了,也可以用vga=ask,讓系統啟動的時候詢問你用多大的解析度

(二)我編譯內核時,選擇framebuffer模式,啟動時屏幕上有一企鵝圖片,不知這是如何造成的這個圖片可以去掉或改動嗎?

可以將drivers/video/fbcon.c: fbcon_setup()中if (logo) { } 代碼去掉。

[火星人 ] FrameBuffer的原理已經有2404次圍觀

http://coctec.com/docs/linux/show-post-187734.html