frame buffer device驅動程序

在後續的幾篇裡面會詳細介紹如何編寫一個顯卡的驅動程序。
framebuffer device在內核裡面作為顯卡驅動模型，許多函數和數據結構都是特定，正是這些特定的東西為我們的編程提供了方便。要開發frame buffer device驅動，你應該閱讀Source\Source\Documentation\fb下面的說明文件，三個重要文件00-INDEX， framebuffer.txt，internals.txt，其他文件都是針對具體顯卡晶元的說明了。

文件00-INDEX譯文
文檔/documentation/fb的索引文件。如果你對frame buffer設備有什麼想法，mail：Geert Uytterhoeven <geert@linux-m68k.org>

00-index 這個文件
framebuffer.txt--- frame buffer 設備介紹
internals.txt----frame buffer設備內部快速瀏覽
modedb.txt----關於視頻模式的資料
aty128fb.txt----關於ATI Rage128顯卡的frame buffer設備
clgenfb.txt-----關於Cirrus Logic的顯卡
matroxfb.txt----關於Matrox的顯卡
pvr2fb.txt----關於PowerVR 2的顯卡
tgafb.txt----關於TGA（DECChip 21030）顯卡
vesafb.txt----關於VESA顯卡

幀緩衝設備(framebuffer.txt譯文)
維護： Geert Uytterhoeven <geert@linux-m68k.org>
最後校正：   May 10, 2001
翻譯：good02xaut@hotmail.com

0.介紹
幀緩衝設備提供了顯卡的抽象描述。他同時代表了顯卡上的顯存，應用程序通過定義好的介面可以訪問顯卡，而不需要知道底層的任何操作。該設備使用特殊的設備節點，通常位於/dev目錄，如/dev/fb*.

1.用戶角度的/dev/fb*
從用戶的角度看，幀緩衝設備和其他位於/dev下面的設備類似。他是一個字元設備，通常主設備號是29，次設備號定義幀緩衝的個數。
通常，使用如下方式（前面的數字代碼次設備號）

        0 = /dev/fb0    First frame buffer
        1 = /dev/fb1    Second frame buffer
      ...
        31 = /dev/fb31  32nd frame buffer  

考慮到向下兼容，你可以創建符號鏈接：

      /dev/fb0current -> fb0
     /dev/fb1current -> fb1

and so on...

幀緩衝設備也是一種普通的內存設備，你可以讀寫其內容。例如，對屏幕抓屏：

  cp /dev/fb0 myfile

你也可以同時有多個顯示設備，例如你的主板上出了內置的顯卡還有另一獨立的顯卡。對應的幀緩衝設備(/dev/fb0 and /dev/fb1 etc.)可以獨立工作。
應用程序如 X server一般使用/dev/fb0作為默認的顯示幀緩衝區。你可以自定把某個設備作為默認的幀緩衝設備，設置$FRAMEBUFFER環境變數即可。在sh/bash：

    export FRAMEBUFFER=/dev/fb1

在csh中：

    setenv FRAMEBUFFER /dev/fb1

設定后，X server將使用第二個幀緩衝區設備。

2.程序員角度看/dev/fb*
正如你所知，一個幀緩衝設備和內存設備類似/dev/mem，並且有許多共性。你可以read,write,seek以及mmap()。不同僅僅是幀緩衝的內存不是所有的內存區，而是顯卡專用的那部分內存。
/dev/fb*也允許盡行ioctl操作，通過ioctl可以讀取或設定設備參數。顏色映射表也是通過Ioctl設定。查看<linux/fb.h>就知道有多少ioctl應用以及相關數據結構。

這裡給出摘要：
  - 你可以獲取設備一些不變的信息，如設備名，屏幕的組織（平面，象素,...)對應內存區    的長度和起始地址。
  - 也可以獲取能夠發生變化的信息，例如位深，顏色格式，時序等。如果你改變這些值，    驅動程序將對值進行優化，以滿足設備特性（返回EINVAL，如果你的設定，設備不支持）
  - 你也可以獲取或設定部分顏色表。 

所有這些特性讓應用程序十分容易的使用設備。X server可以使用/dev/fb*而不需知道硬體的寄存器是如何組織的。 XF68_FBDev是一個用於位映射（單色）X server，唯一要做的就是在應用程序在相應的位置設定是否顯示。

在新內核中，幀緩衝設備可以工作於模塊中，允許動態載入。這類驅動必須調用register_framebuffer()在系統中註冊。使用模塊更方便！

3.幀緩衝解析度設定
幀緩衝的解析度可以用工具fbset設定。他可以改變視頻設備的顯示模式。主要就是改變當前視頻模式，如在啟動過程中，在/etc/rc.* 或 /etc/init.d/* 文件中調用，可以把視頻模式從單色顯示變成真彩.
fbset使用存儲在配置文件中的視頻模式數據表，你可以在文件中增加自己需要的顯示模式。

4.X Server
X server (XF68_FBDev)是對幀緩衝設備的最主要應用。從XFree86  3.2后，X server就是XFree86 的一部分了，有2個工作模式:
  - 在/etc/XF86Config文件中，如果`Display'段關於 `fbdev'的配置：
    Modes "default"
    X server 將使用前面討論的，從環境變數$FRAMEBUFFER獲取當前幀緩衝設備.
    你也可以設定顏色位深，使用Depth關鍵字，使用Virtual設定虛擬解析度。這也是默認設置。
  - 然而你也可以通過設定/etc/XF86Config,改變解析度。這樣有很多靈活性，唯一的    不足就是你必須設定刷新頻率。可以用fbset -x通過fbset或xvidtune切換顯示模式。

5.視頻模式頻率
CRT顯示器是用3個電子槍轟擊磷粉完成顏色的顯示的。電子槍從左到右的水平掃描，並從上至下的垂直掃描。通過改變槍的電壓，所顯示的顏色可以不同。當電子槍完成一行掃描重新回到下一行的開始，被稱作“水平折回”。當一屏幕全部掃描完畢，電子槍將回到最左上腳，被成為“垂直折回”。在折回的途中電子槍是關閉的。電子槍打點的移動速度取決於點時鐘。如果點時鐘是28.37516 MHz，打一個點需要35242 ps。

    1/(28.37516E6 Hz) = 35.242E-9 s

如果屏幕解析度是640x480，那麼一行的時間是：

        640*35.242E-9 s = 22.555E-6 s

然而水平折回也是需要時間的，通常272個打點時間，因此一行總共需要：

        (640+272)*35.242E-9 s = 32.141E-6 s

我們就認為水平掃描的頻率是31KHz：      

        1/(32.141E-6 s) = 31.113E3 Hz

一屏幕含有480行，加上垂直折回時間49，一屏所需的時間：

        (480+49)*32.141E-6 s = 17.002E-3 s

我們就認為垂直掃描的頻率是59Hz：

        1/(17.002E-3 s) = 58.815 Hz

這也意味著屏幕數據每秒鐘刷新59次。為了得到穩定的圖像顯示效果，VESA垂直掃描頻率不低於72Hz。但是也因人而異，有些人50Hz感覺不到任何問題，有些至少在80Hz以上才可以。
由於顯示器不知道什麼時候新行開始掃描，顯卡為每一行掃描提供水平同步信號。類似的，他也為每一幀顯示提供垂直同步信號。圖像在屏幕上點的位置取決於這些同步信號的發生時刻。下圖給出了所有時序的概要。水平折回的時間就是左邊空白＋右邊空白＋水平同步長度。垂直折回的時間就是上空白＋下空白＋垂直同步長。 
  +----------+---------------------------------------------+----------+-------+
  |          |                ^                            |          |       |
  |          |                |upper_margin                |          |       |
  |          |                ?                            |          |       |
  +----------###############################################----------+-------+
  |          #                ^                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |   left   #                |                            #  right   | hsync |
  |  margin  #                |       xres                 #  margin  |  len  |
  |<-------->#<---------------+--------------------------->#<-------->|<----->|
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |yres                        #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                |                            #          |       |
  |          #                ?                            #          |       |
  +----------###############################################----------+-------+
  |          |                ^                            |          |       |
  |          |                |lower_margin                |          |       |
  |          |                ?                            |          |       |
  +----------+---------------------------------------------+----------+-------+
  |          |                ^                            |          |       |
  |          |                |vsync_len                   |          |       |
  |          |                ?                            |          |       |
  +----------+---------------------------------------------+----------+-------+

6.把XFree86時序變成frame buffer device時序
典型的顯示模式：

  "800x600"     50      800  856  976 1040    600  637  643  666
< name >     DCF       HR  SH1  SH2  HFL     VR  SV1  SV2  VFL  

而幀緩衝設備使用下面的參數：

  - pixclock: 點時鐘 in ps (pico seconds)
  - left_margin: time from sync to picture
  - right_margin: time from picture to sync
  - upper_margin: time from sync to picture
  - lower_margin: time from picture to sync
  - hsync_len: length of horizontal sync
  - vsync_len: length of vertical sync

1) Pixelclock:
   xfree: in MHz
   fb: in picoseconds (ps)
   pixclock = 1000000 / DCF

2) horizontal timings:
   left_margin = HFL - SH2
   right_margin = SH1 - HR
   hsync_len = SH2 - SH1

3) vertical timings:
   upper_margin = VFL - SV2
   lower_margin = SV1 - VR
   vsync_len = SV2 - SV1

更好的VESA的例子可以在XFree86的源碼中找到，"xc/programs/Xserver/hw/xfree86/doc/modeDB.txt".

7. 引用
獲取更多關於幀緩衝設備以及應用的參考，請訪問：    http://linux-fbdev.sourceforge.net/  或者查閱下面的文檔：
  - The manual pages for fbset: fbset(8), fb.modes(5)
  - The manual pages for XFree86: XF68_FBDev(1), XF86Config(4/5)
  - The mighty kernel sources:
      o linux/drivers/video/
      o linux/include/linux/fb.h
      o linux/include/video/