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# Framebuffer 驱动
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\[ [English](../../../en/device_dev_guide/graphics/Framebuffer_Driver.md) | 简体中文 \]
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## 一、什么是 Framebuffer
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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。
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### 1、Framebuffer 的大小计算
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以 480x320 的屏幕为例，在不同像素模式下，Framebuffer 的大小如下：
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1. ARGB888 (32bpp)：
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- 计算公式：`480 x 320 x 4 (bytes)`
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- 大小：614,400 字节
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2. RGB565 (16bpp)：
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- 计算公式：`480 x 320 x 2 (bytes)`
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- 大小：307,200 字节
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## 二、Framebuffer的显示原理
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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。
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### 1、显示流程图
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以下是 Framebuffer 的显示流程：
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- Framebuffer：存储像素数据。
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- LCDC：从 Framebuffer 中读取像素数据，并将其传输到 LCD 面板。
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- LCD Panel：接收数据并显示图像。
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### 2、数据传输接口
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LCDC 通过以下信号将数据传输到 LCD 面板：
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- Clock：时钟信号，用于同步数据传输。
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- Data：像素数据，包括 R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色通道。
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- Control：控制信号，用于管理数据传输的时序和状态。
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## 三、openvela Framebuffer 接口
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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。
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### 1、上层用户接口
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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：
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1. 映射 Framebuffer 到用户态：
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使用 `mmap` 将 Framebuffer 映射到用户空间，便于直接对 Framebuffer 进行读写操作。
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2. 切换 Framebuffer：
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用户可以通过 `ioctl` 接口切换不同的 Framebuffer 配置或模式。
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### 2、下层驱动接口
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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](../../../../../../nuttx/blob/dev/include/nuttx/video/fb.h) 和 [/drivers/video/fb.c](../../../../../../nuttx/blob/dev/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：
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```C
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int fb_register(int display, int plane)
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{
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FAR struct fb_chardev_s *fb;
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...
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/* Initialize the frame buffer device. */
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ret = up_fbinitialize(display);
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if (ret < 0)
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{
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gerr("ERROR: up_fbinitialize() failed for display %d: %d\n",
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display, ret);
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goto errout_with_fb;
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}
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DEBUGASSERT((unsigned)plane <= UINT8_MAX);
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fb->plane = plane;
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fb->vtable = up_fbgetvplane(display, plane);
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if (fb->vtable == NULL)
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{
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gerr("ERROR: up_fbgetvplane() failed, vplane=%d\n", plane);
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goto errout_with_fb;
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||
}
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/* Initialize the frame buffer instance. */
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||
...
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ret = register_driver(devname, &fb_fops, 0666, (FAR void *)fb);
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if (ret < 0)
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{
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gerr("ERROR: register_driver() failed: %d\n", ret);
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goto errout_with_fb;
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}
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return OK;
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errout_with_fb:
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kmm_free(fb);
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return ret;
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}
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```
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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：
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1. `void up_fbinitialize(int display)`
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- 用于初始化硬件 LCD 控制器。
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- 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。
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2. `FAR struct fb_vtable_s *up_fbgetvplane(int display, int vplane)`
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- 获取 LCD 的 `fb_vtable_s` 结构体信息。
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- `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。
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- 驱动程序可以参考以下示例实现：
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- `drivers/video/vnc/vnc_fbdev.c`
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- `boards/arm/stm32f7/stm32f746g-disco/stm32_lcd.c`
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3. `void up_fbuninitialize(int display)`
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- 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。
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### 3、`struct fb_vtable_s` 结构
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`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：
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1. 核心功能。
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- `getvideoinfo`：获取视频控制器配置和颜色平面信息。
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- `getplaneinfo`：获取指定颜色平面的信息。
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2. 可选功能（根据配置启用）。
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- 颜色映射（`CONFIG_FB_CMAP`）：
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- `getcmap`：获取当前颜色映射表。
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- `putcmap`：更新颜色映射表。
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- 硬件光标（`CONFIG_FB_HWCURSOR`）：
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- `getcursor`：获取光标属性。
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- `setcursor`：设置光标配置。
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- 显示更新（`CONFIG_FB_UPDATE`）：
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- `updatearea`：通知硬件更新指定显示区域。
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- 垂直同步（`CONFIG_FB_SYNC`）：
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- `waitforvsync`：等待垂直同步信号，避免屏幕撕裂。
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- 叠加管理（`CONFIG_FB_OVERLAY`）：
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- `getoverlayinfo`：获取叠加层的配置信息。
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||
- `settransp`：设置叠加层的透明度。
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- `setchromakey`：设置叠加层的色键。
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- `setcolor`：用指定颜色填充叠加层。
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- `setblank`：启用或禁用叠加层。
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- `setarea`：设置叠加操作的活动区域。
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- 叠加层的 Blit 和 Blend 操作（`CONFIG_FB_OVERLAY_BLIT`）：
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- `blit`：在叠加层之间执行 Blit 操作。
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- `blend`：在叠加层之间执行 Blend 操作。
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3. 其他控制功能。
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- 显示平移：
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- `pandisplay`：为多缓冲区显示执行平移操作。
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- 帧率控制：
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- `setframerate`：设置 Framebuffer 的刷新率。
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- `getframerate`：获取当前刷新率。
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- 电源管理：
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- `getpower`：获取面板的电源状态。
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||
- `setpower`：启用或禁用面板电源。
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#### 示例代码
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以下是 `struct fb_vtable_s` 的部分定义示例：
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```C
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struct fb_vtable_s
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{
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/* Get information about the video controller configuration and the
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* configuration of each color plane.
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||
*/
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int (*getvideoinfo)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
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||
FAR struct fb_videoinfo_s *vinfo);
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int (*getplaneinfo)(FAR struct fb_vtable_s *vtable, int planeno,
|
||
FAR struct fb_planeinfo_s *pinfo);
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#ifdef CONFIG_FB_CMAP
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/* The following are provided only if the video hardware supports RGB
|
||
* color mapping
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||
*/
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int (*getcmap)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
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FAR struct fb_cmap_s *cmap);
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int (*putcmap)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
|
||
FAR const struct fb_cmap_s *cmap);
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#endif
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#ifdef CONFIG_FB_HWCURSOR
|
||
/* The following are provided only if the video hardware supports a
|
||
* hardware cursor.
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*/
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int (*getcursor)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
|
||
FAR struct fb_cursorattrib_s *attrib);
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int (*setcursor)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
|
||
FAR struct fb_setcursor_s *settings);
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||
#endif
|
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#ifdef CONFIG_FB_UPDATE
|
||
/* The following are provided only if the video hardware need extera
|
||
* notification to update display content.
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*/
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int (*updatearea)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
|
||
FAR const struct fb_area_s *area);
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#endif
|
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#ifdef CONFIG_FB_SYNC
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||
/* The following are provided only if the video hardware signals
|
||
* vertical sync.
|
||
*/
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int (*waitforvsync)(FAR struct fb_vtable_s *vtable);
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||
#endif
|
||
|
||
#ifdef CONFIG_FB_OVERLAY
|
||
/* Get information about the video controller configuration and the
|
||
* configuration of each overlay.
|
||
*/
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||
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
|
||
*/
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||
|
||
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.
|
||
*/
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||
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||
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 */
|
||
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||
int (*setblank)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
|
||
FAR const struct fb_overlayinfo_s *oinfo);
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||
|
||
/* 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
|
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||
/* Pan display for multiple buffers. */
|
||
|
||
int (*pandisplay)(FAR struct fb_vtable_s *vtable,
|
||
FAR struct fb_planeinfo_s *pinfo);
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||
/* Specific Controls ******************************************************/
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|
||
/* Set the frequency of the Framebuffer update panel (0: disable refresh) */
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int (*setframerate)(FAR struct fb_vtable_s *vtable, int rate);
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||
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||
/* Get the frequency of the Framebuffer update panel (0: disable refresh) */
|
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||
int (*getframerate)(FAR struct fb_vtable_s *vtable);
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|
||
/* Get the panel power status (0: full off). */
|
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||
int (*getpower)(FAR struct fb_vtable_s *vtable);
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||
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||
/* Enable/disable panel power (0: full off). */
|
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||
int (*setpower)(FAR struct fb_vtable_s *vtable, int power);
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};
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```
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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。
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## 四、启用 Framebuffer
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启用 Framebuffer 需要完成以下步骤：
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### 1、开启 Framebuffer 编译选项
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在配置文件中启用以下选项：
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```makefile
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CONFIG_VIDEO_FB
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```
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### 2、注册 Framebuffer
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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：
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```C
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#include <nuttx/video/fb.h>
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#ifdef CONFIG_VIDEO_FB
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ret = fb_register(0, 0);
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if (ret < 0)
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{
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syslog(LOG_ERR, "ERROR fb_register() failed: %d\n", ret);
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}
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#endif
|
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```
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### 3、处理 VSync
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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](./VSync.md)。
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## 五、相关仓
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以下是与 Framebuffer 驱动相关的代码仓库链接：
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- [fb.c](../../../../../../nuttx/blob/dev/drivers/video/fb.c)：Framebuffer 驱动的实现文件。
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- [fb.h](../../../../../../nuttx/blob/dev/include/nuttx/video/fb.h)：Framebuffer 驱动的接口定义。
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