文章目錄

1 Framebuffer應用開發

1.1 LCD Framebuffer操作原理

1.2 Framebuffer API接口

1.2.1 open系統調用

1.2.2 ioctl系統調用

1.2.3 mmap系統調用

1.3 在LCD上描點操作

1.3.1 在LCD上顯示點陣理論基礎

1.3.2 獲取fb_var_screeninfo結構體

1.3.3 根據fb_var_screeninfo計算變量

1.3.4 使用mmap系統調用，映射內存

1.3.5 描點函數編寫

1.4 在LCD上使用點陣寫字

1.4.1 在LCD上顯示英文字母

1.4.2 在LCD上顯示漢字

1.5 搭建freetype相關環境

1.5.1 交叉編譯freetype，并安裝

1.5.2 freetype庫，頭文件移植至開發板

1.6 使用freetype

1.5.1 矢量字體引入

1.5.2 Freetype理論介紹

1.5.2 在LCD上顯示一個矢量字體

1.5.3 在LCD上令矢量字體旋轉某個角度

1 Framebuffer應用開發

1.1 LCD Framebuffer操作原理

? LCD Framebuffer 就是一塊顯存，在嵌入式系統中，顯存是被包含在內存中。LCD Framebuffer里的若干字節（根據驅動程序對LCD控制器的配置而定）表示LCD屏幕中的一個像素點，一一對應整個LCD屏幕。舉個例子，LCD屏幕是800*600的分辨率，即LCD屏幕存在480000個像素點，若每個像素點4個字節表示，那么LCD Framebuffer顯存大小為480000 *4=960000字節，即1.92MB。因此我們的內存將會分割至少1.92MB的空間用作顯存。具體地址在哪里，這個就是又驅動程序去定，應用程序只需直接使用即可，硬件相關操作已由驅動程序封裝好。

? 如上圖，我們只需要往Framebuffer中填入不同的值，驅動程序和硬件控制器就會把這些數據傳輸到對應LCD屏幕上的像素點，從而顯示不同的顏色。由此可知，我們應用程序只需要針對Framebuffer操作即可，其他交給驅動程序和硬件。

1.2 Framebuffer API接口

1.2.1 open系統調用

頭文件：#include ，#include ，#include

函數原型：

int open(const char *pathname, int flags);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函數說明：

pathname 表示打開文件的路徑；

Flags表示打開文件的方式，常用的有以下6種，

①：O_RDWR表示可讀可寫方式打開;

②：O_RDONLY表示只讀方式打開;

③：O_WRONLY表示只寫方式打開;

④：O_APPEND 表示如果這個文件中本來是有內容的，則新寫入的內容會接續到原來內容的后面;

⑤：O_TRUNC表示如果這個文件中本來是有內容的，則原來的內容會被丟棄，截斷；

⑥：O_CREAT表示當前打開文件不存在，我們創建它并打開它，通常與O_EXCL結合使用，當沒有文件時創建文件，有這個文件時會報錯提醒我們；

Mode表示創建文件的權限，只有在flags中使用了O_CREAT時才有效，否則忽略。

返回值：打開成功返回文件描述符，失敗將返回-1。

1.2.2 ioctl系統調用

頭文件：#include

函數原型：

int ioctl(int fd, unsigned long request, …);

函數說明：

fd 表示文件描述符；

request表示與驅動程序交互的命令，用不同的命令控制驅動程序輸出我們需要的數據；

… 表示可變參數arg，根據request命令，設備驅動程序返回輸出的數據。

返回值：打開成功返回文件描述符，失敗將返回-1。

1.2.3 mmap系統調用

頭文件：#include

函數原型：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

函數說明：

addr表示指定映射的內存起始地址，通常設為 NULL表示讓系統自動選定地址，并在成功映射后返回該地址；

length表示將文件中多大的內容映射到內存中；

prot 表示映射區域的保護方式，可以為以下4種方式的組合

①PROT_EXEC 映射區域可被執行

②PROT_READ 映射區域可被讀寫

③PROT_WRITE 映射區域可被寫入

④PROT_NONE 映射區域不能存取

Flags 表示影響映射區域的不同特性，常用的有以下兩種

①MAP_SHARED 表示對映射區域寫入的數據會復制回文件內，原來的文件會改變。

②MAP_PRIVATE 表示對映射區域的操作會產生一個映射文件的復制，對此區域的任何修改都不會寫回原來的文件內容中。

返回值：若成功映射，將返回指向映射的區域的指針，失敗將返回-1。

1.3 在LCD上描點操作

1.3.1 在LCD上顯示點陣理論基礎

? 如上圖，當我們需要顯示一個字母‘A’時，是通過判斷點陣的每一個位數值狀態，來填充顏色，達到顯示字符效果。其中‘1’表示一種顏色，‘0’表示填充另一種顏色。上圖的是8*16的點陣，我們也可以用其他不同大小點陣，只要有這個點陣，我們就可以在LCD上面描點，達到顯示字符的效果。

1.3.2 獲取fb_var_screeninfo結構體

? 在用點陣顯示字符之前，我們需要先從設備fb0中獲取相關的LCD信息，下圖截取我們將用到的fb_info結構體部分內容。

? 通過系統調用ioctl，獲取xres(x方向總像素點)，yres（y方向總像素點），bits_per_pixel（每個像素點占據的位數），根據獲取的三個資源，外加點陣，根據這四個資源，我們就可以顯示一個字符。

程序文件：show_ascii.c

4718        fd_fb = open("/dev/fb0", O_RDWR);
4719        if (fd_fb < 0)
4720        {
4721            printf("can't open /dev/fb0n");
4722            return -1;
4723        }
4724        if (ioctl(fd_fb, FBIOGET_VSCREENINFO, &var))
4725        {
4726			printf("can't get varn");
4727			return -1;
4728		}	

? 先打開LCD設備（fb0），獲得文件描述符，再通過ioctl獲取fb_var_screeninfo信息并保存在var變量，后續只需訪問var這個結構體，就可以獲得xres(x方向總像素點)，yres（y方向總像素點），bits_per_pixel（每個像素點占據的位數）這三個關于fb0的資源。

1.3.3 根據fb_var_screeninfo計算變量

fb_var_screeninfo已保存在var結構體變量中，接著來訪問var結構體變量即可

根據xres與bits_per_pixel算出每行像素點所占據的字節數

程序文件：show_ascii.c

4730	line_width  = var.xres * var.bits_per_pixel / 8;

根據bits_per_pixel算出每個像素點所占據的字節數

程序文件：show_ascii.c

4731    pixel_width = var.bits_per_pixel / 8;

根據xres，yres，bits_per_pixel算出全部像素點所占據的字節總和

程序文件：show_ascii.c

4732    screen_size = var.xres * var.yres * var.bits_per_pixel / 8;

1.3.4 使用mmap系統調用，映射內存

程序文件：show_ascii.c

4733	fbmem = (unsigned char *)mmap(NULL , screen_size, PROT_READ | 			PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);
4734	if (fbmem == (unsigned char *)-1)
4735	{
4736		printf("can't mmapn");
4737		return -1;
4738	}
4739
4740	/* 清屏: 全部設為黑色 */
4741	memset(fbmem, 0, screen_size);

? 調用mmap將顯存映射在內存中，以可讀可寫（PROT_READ | PROT_WRITE）及內存回寫（MAP_SHARED）的方式映射，從而獲得一個指向映射在內存空間的首地址fbmem，后續操作就是在這個首地址的基礎上計算各種不同的偏移量，填充顏色值。

1.3.5 描點函數編寫

程序文件：show_ascii.c

4641	void lcd_put_pixel(int x, int y, unsigned int color)

描點函數有3個參數，x坐標，y坐標，像素點顏色值。

程序文件：show_ascii.c

4643		unsigned char *pen_8 = fbmem+y*line_width+x*pixel_width;
4644		unsigned short *pen_16;	
4645		unsigned int *pen_32;	
4646
4647		unsigned int red, green, blue;	
4648
4649		pen_16 = (unsigned short *)pen_8;
4650		pen_32 = (unsigned int *)pen_8;

? 在此處函數參數x與y表示的是像素點的坐標，而單個像素點所占據的顯存大小可能會有不同的情況出現，如1字節表示一個像素點，2字節表示一個像素點，4字節表示一個像素點等，為了更多的兼容不同的情況，因此申請3個指針，pen_8指向的是占據1個字節的像素點空間, pen_16指向的是占據2個字節的像素點空間，pen_32指向的是占據4個字節的像素點空間。

fbmem是系統調用mmap返回的顯存首地址，根據fbmem計算填充顏色的內存空間。

當像素點占據1個字節空間時

對應描點地址= fbmem+Y * 一行所占據的字節數 + x * 每個像素點所占據的字節數

程序文件：show_ascii.c

4652		switch (var.bits_per_pixel)
4653		{
4654			case 8:
4655			{
4656				*pen_8 = color;
4657				break;
4658			}
4659			case 16:
4660			{
4661				/* 565 */
4662				red   = (color >> 16) & 0xff;
4663				green = (color >> 8) & 0xff;
4664				blue  = (color >> 0) & 0xff;
4665				color = ((red >> 3) << 11) | ((green >> 2) << 5) | 						(blue >> 3);
4666				*pen_16 = color;
4667				break;
4668			}
4669			case 32:
4670			{
4671				*pen_32 = color;
4672				break;
4673			}
4674			default:
4675			{
4676				printf("can't surport %dbppn", var.bits_per_pixel);
4677				break;
4678			}
4679		}
4680	}

? 根據設備fb0實際的bits_per_pixel值，選擇對應的pen（pen_8，pen_16，pen_32其中一個），最后把color顏色變量傳入選擇的pen中。

1.4 在LCD上使用點陣寫字

1.4.1 在LCD上顯示英文字母

①找出英文字母在點陣數組中的地址，c所代表的是一個英文字母（ASCII值）。

程序文件：show_ascii.c

4693		unsigned char *dots = (unsigned char *)&fontdata_8x16[c*16];

②根據獲得的英文字母點陣，每一位依次判斷，描點，‘1’表示白色，‘0’表示黑色。

? 根據上圖，我們分析下如何利用點陣在LCD上顯示一個英文字母，因為有十六行，所以首先要有一個循環16次的大循環，然后每一行里有8位，那么在每一個大循環里也需要一個循環8次的小循環，小循環里的判斷單行的描點情況，如果是1，就填充白色，如果是0就填充黑色，如此一來，就可以顯示出黑色底，白色輪廓的英文字母。

程序文件：show_ascii.c

4697		for (i = 0; i < 16; i++)
4698		{
4699			byte = dots[i];
4700			for (b = 7; b >= 0; b--)
4701			{
4702				if (byte & (1<

③調用我們編寫的lcd_put_ascii函數

程序文件：show_ascii.c

4743 lcd_put_ascii(var.xres/2, var.yres/2, 'A'); /*在屏幕中間顯示8*16的字母A*/

④編譯c文件show_ascii.c

編譯命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_ascii show_ascii.c

⑤將編譯出來的show_ascii傳輸到開發板，并進入show_ascii的目錄下

執行命令：./show_ascii

如果實驗成功，我們將看到屏幕中間會顯示出一個白色的字母‘A’。

1.4.2 在LCD上顯示漢字

? 與顯示英文字母有點不同，因為漢字的點陣我們是需要通過漢字庫提取出來，并沒有直接提供點陣數組，因此我們程序開頭需要打開漢字庫文件(HZK16)，然后再找到相應的位置，提取出漢字的點陣，最后再按顯示英文字母一樣顯示它，不過這個漢字是16*16的。

① 打開漢字庫文件

程序文件：show_font.c

4760	fd_hzk16 = open("HZK16", O_RDONLY); 

② 獲取漢字庫文件的屬性，存在hzk_stat結構體變量中

程序文件：show_font.c

4793	if(fstat(fd_hzk16, &hzk_stat))

此處主要是用知道該文件的大小，因為后面mmap時需要知道映射的文件大小。

③使用mmap系統調用

程序文件：show_font.c

4798	hzkmem = (unsigned char *)mmap(NULL , hzk_stat.st_size, 				PROT_READ, MAP_SHARED, fd_hzk16, 0);

hzkmem與fbmem類似，也是一個指向映射內存的指針，但是它是指向漢字庫，方便

后續計算漢字點陣偏移位置用。

④使用漢字庫，調出點陣顯示漢字

? HZK16 字庫是符合GB2312標準的16×16點陣字庫HZK16的編碼，每個字需要32個字節的點陣來表示，例如我們將要顯示的‘中’字，編碼是D6D0，難道就是2個字節表示嗎？不是說32字節嗎？D6D0編碼是一個類似于索引碼，D6是區碼，D0是位碼，先要找到D6-A1才是真正區，在D6-A1區里找到D0-A1的真正位置，這才是‘中’字點陣的起始位置（減去A1是為了兼容ascii），每一個區有94個漢字。

程序文件：show_font.c

4734		unsigned int area  = str[0] - 0xA1;
4735		unsigned int where = str[1] - 0xA1;
4736		unsigned char *dots = hzkmem + (area * 94 + where)*32;

? 上圖是漢字點陣排布的示意圖，總共有十六行，因此需要一個循環16次的大循環，考慮到一行有兩個字節，我們大循環中加入一個循環2次的循環用于區分是哪個字節，最后判斷當前字節的每一位，如果為 ‘1’描白色，如果為‘0’描黑色

程序文件：show_font.c

4740	for (i = 0; i < 16; i++)
4741			for (j = 0; j < 2; j++)
4742			{
4743				byte = dots[i*2 + j];
4744				for (b = 7; b >=0; b--)
4745				{
4746					if (byte & (1<

⑤調用我們編寫的lcd_put_chinese函數

程序文件：show_font.c

4810	printf("chinese code: %02x %02xn", str[0], str[1]);
4811	lcd_put_chinese(var.xres/2 + 8,  var.yres/2, str);

⑥編譯c文件show_font.c

編譯命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -o show_font show_font.c

注：使用此命令HZK16文件必須與show_font.C在同一目錄下。

⑦將編譯出來的show_font傳輸到開發板，并進入show_font的目錄下

執行命令：./show_font

如果實驗成功，我們將看到屏幕中間會顯示出一個白色的字母‘A’與漢字‘中’，同時在串口打印信息中看到‘中’對應的編碼。

chinese code: d6 d0

1.5 搭建freetype相關環境

1.5.1 交叉編譯freetype，并安裝

①解壓freetype源文件

tar xjf freetype-2.4.10.tar.bz2 

②進入解壓后的freetype-2.4.10目錄

cd freetype-2.4.10

③配置freetype-2.4.10

./configure --host=arm-linux-gnueabihf --prefix=/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/

④建個目錄，避免后面安裝出錯提示缺少這個internal目錄

mkdir /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype/internal -p

④編譯

make

⑤安裝

make install

⑥移動freetype頭文件，避免以后編譯總是需要指定頭文件路徑

mv /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/freetype2/freetype /home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/

1.5.2 freetype庫，頭文件移植至開發板

? 由于100ask開發板已經有freetype相關的庫和頭文件，因此不需要移植，如果開發板沒有freetype庫和頭文件就需要按以下方法移植

/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/include/* 復制到開發板的頭文件目錄中

/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/lib/so 復制到開發板的庫文件目錄中

注：鏈接文件需要保持它的鏈接屬性（即加-d選項）。

1.6 使用freetype

1.5.1 矢量字體引入

? 點陣顯示英文字母，漢字時，大小固定，如果放大會有鋸齒出現，為了解決這個問題，引用矢量字體。

矢量字體形成分三步，若干的關鍵點，數學曲線（貝塞爾曲線），填充顏色組合而成。

①假設A字母的關鍵點如圖中的黃色圈圈，確定關鍵點。

②用數學曲線將關鍵點都連接起來，成為封閉的曲線。

③最后把封閉空間填滿顏色，就顯示出一個A字母。

? 如果需要放大或者縮小字體，關鍵點的相對位置是不變的，跟進放大比例放大或縮小，但是相對位置不變，好像分數中的1/2 和 2/4，比例是不變的，但是值卻大了，類似這個味道。

1.5.2 Freetype理論介紹

? 開源的Freetype字體引擎庫它提供統一的接口來訪問多種字體格式文件，從而實現矢量字體顯示。我們只需要移植這個字體引擎，調用對應的API接口，提供字體關鍵點，就可以讓freetype庫幫我們實現閉合曲線，填充顏色，達到顯示矢量字體的目的。

關鍵點（glyph）存在字體文件中，Windows使用的字體文件在FONTS目錄下，擴展名為TTF的都是矢量字庫，本次使用實驗使用的是新宋字體simsun.ttc。

字體文件結構如上圖

? Charmaps表示字符映射表，字體文件可能支持哪一些編碼，GBK，UNICODE，BIG5還是別的編碼，如果字體文件支持該編碼，跟進編碼，通過charmap，找到對應的glyph，一般而言都支持UNICODE碼。

有了以上基礎，我們想象一個文字的顯示過程

①給定一個文字嗎‘A’（0x41），‘中’（GBK，UNICODE ,BIG5）可以確定它的編碼值；

②跟進編碼值，從枝頭文件中通過charmap找到對應的關鍵點（glyph）；

③設置字體大；

④用某些函數把關鍵點（glyph）縮放為我們設置的字體大小；

⑤轉換為位圖點陣

⑥在LCD上顯示出來

? 如上圖，參照step1，step2，step3里的內容，可以學習如何使用freetype庫，大致總結下，為如下步驟。

①初始化：FT_InitFreetype

②加載（打開）字體Face：FT_New_Face

③設置字體大小：FT_Set_Char_Sizes 或 FT_Set_Pixel_Sizes

④選擇charmap：FT_Select_Charmap

⑤根據編碼值charcode找到glyph : glyph_index = FT_Get_Char_Index（face，charcode）

⑥根據glyph_index取出glyph：FT_Load_Glyph（face，glyph_index）

⑦轉為位圖：FT_Render_Glyph

⑧移動或旋轉:FT_Set_Transform

1.5.2 在LCD上顯示一個矢量字體

我們可以參考上圖位置的c程序，編寫程序。

①初始化freetype庫

程序文件：freetype_show_font.c

4872	error = FT_Init_FreeType( &library );			   /* initialize library */

②用freetype庫中的FT_New_Face函數創建一個face字體文件對象，保存在&face中

程序文件：freetype_show_font.c

4875    error = FT_New_Face( library, argv[1], 0, &face ); /* create face object */

③提取face對象中的glyph，即關鍵點集

程序文件：freetype_show_font.c

4877    slot = face->glyph;

④設置像素點大小，24*24

程序文件：freetype_show_font.c

4879    FT_Set_Pixel_Sizes(face, 24, 0);

⑤確定坐標

? 目前我們前面所用的都是LCD的坐標系對應的x與y坐標，然后在freetype上卻是使用的笛卡爾坐標系，因此我們還需要轉換x與y坐標。

我們將要顯示的是‘繁’字，根據上圖可知，先計算在lcd坐標系的情況下‘繁’字

的左下角的x坐標與y坐標，因為在笛卡爾坐標中左下角為字符的原點，‘A’是的左上角為整個屏幕的中心點，即（xres/2，yres/2）。

lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16；lcd_y = var.yres/2 + 16

則笛卡爾座標系:x = lcd_x = var.xres/2 + 8 + 16 ； y = var.yres - lcd_y = var.yres/2 – 16

單位是1/64像素，所以需要乘以64

程序文件：freetype_show_font.c

4888	pen.x = (var.xres/2 + 8 + 16) * 64;
4889	pen.y = (var.yres/2 - 16) * 64;
4890
4891	/* set transformation */
4892    FT_Set_Transform( face, 0, &pen);

⑥找到glyph的位置，然后取出，并轉換為位圖

4895    error = FT_Load_Char( face, chinese_str[0], FT_LOAD_RENDER );
4896	if (error)
4897	{
4898		printf("FT_Load_Char errorn");
4899		return -1;
4900	}

FT_Load_Char函數調用替代了上圖這3步。

最后把轉換出來的位圖打印出來，也是參考example1.c編寫

程序文件：freetype_show_font.c

4902 	  draw_bitmap( &slot->bitmap,
4903         	        slot->bitmap_left,
4904             	    var.yres - slot->bitmap_top);

程序文件：example1.c

修改上圖3處位置

Width寬度：因為在LCD上顯示，寬度自然就是x方向的像素點數，var.xres；

Height高度：因為在LCD上顯示，高度自然就是y方向的像素點數，var.yres；

用點陣實驗中的的描點函數lcd_put_pixel替代image數組

lcd_put_pixel(i, j, bitmap->buffer[q * bitmap->width + p]);

⑥編譯C程序文件freetype_show_font.c

編譯命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -finput-charset=GBK -fexec-charset=GBK -o freetype_show_font freetype_show_font.c -lfreetype -lm

⑦將編譯好的freetype_show_font的文件與simsun.ttc字體文件拷貝至開發板，simsun.ttc字體文件放在freetype_show_font執行文件的上一層目錄下，執行以下命令。

執行命令：./freetype_show_font …/simsun.ttc

如果實驗成功，我們將看到屏幕中間會比之前實驗多出一個藍色的‘繁’字。

1.5.3 在LCD上令矢量字體旋轉某個角度

在實現顯示一個矢量字體后，我們可以添加讓該字旋轉某個角度的功能。

我們根據輸入的第二個參數，判斷其旋轉角度，主要代碼還是參照example1.c

根據上圖，增加旋轉角度功能，旋轉的角度由執行命令的第二個參數指定。

程序文件：freetype_show_font_angle.c

		/* use 25 degrees */
4894	angle = ( 1.0 * strtoul(argv[2], NULL, 0) / 360 ) * 3.14159 * 2;

4895	/* set up matrix */
4896	matrix.xx = (FT_Fixed)( cos( angle ) * 0x10000L );
4897	matrix.xy = (FT_Fixed)(-sin( angle ) * 0x10000L );
4898	matrix.yx = (FT_Fixed)( sin( angle ) * 0x10000L );
4899	matrix.yy = (FT_Fixed)( cos( angle ) * 0x10000L );
4900
4901    /* set transformation */
4902    FT_Set_Transform( face, &matrix, &pen);

最后編譯，在開發板上運行

編譯命令如下：

編譯命令：arm-linux-gnueabihf-gcc -finput-charset=GBK -fexec-charset=GBK -o freetype_show_font_angle freetype_show_font_angle.c -lfreetype -lm

編譯出的文件名為freetype_show_font_angle，將文件拷貝至開發板

在含有該文件的目錄下執行以下命令，以下命令正確執行前提是執行文件freetype_show_font在此目錄，而且字體文件simsun.ttc，在上一級目錄：

執行命令：./freetype_show_font_angle …/simsun.ttc 90

如果實驗成功，我們將看到屏幕中間的藍色‘繁’字，旋轉了90度。

審核編輯黃昊宇