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直接写显存：用 framebuffer 构建高性能嵌入式显示系统

你有没有遇到过这样的场景？
一块 Cortex-A7 的开发板，配上 480×272 的小屏幕，跑个 Qt 界面却卡得像幻灯片；或者医疗设备要求“上电即显”，结果等了十几秒才跳出第一个画面。问题出在哪？不是硬件不行，而是图形路径太绕了。

在这些对性能和启动速度敏感的嵌入式项目中，我们其实可以绕开 X11、Wayland、Qt 这些庞然大物，直接动手改显存——这就是framebuffer的用武之地。

为什么还要用 framebuffer？

你说现在都 2025 年了，不是都在推 DRM/KMS 和 Weston 吗？没错，但现实是：很多工业设备、自助终端、车载仪表盘仍然跑着 Linux + framebuffer 的组合。为什么？

因为简单、快、稳。

传统 GUI 栈像一条高速公路，要经过收费站（X Server）、服务区（合成器）、导航系统（窗口管理器）才能到达目的地。而 framebuffer 是一条乡间小道，虽然没路灯也没护栏，但它直通屏幕，没有中间商赚时间差。

谁在用 framebuffer？

• 医疗监护仪：开机 2 秒内必须出波形图
• 工业 HMI：按钮点击后响应延迟不能超过 50ms
• 自助售货机：低功耗待机 + 快速唤醒显示
• 车载倒车影像：视频叠加与 UI 共屏，实时性优先

这些场景不需要多窗口、不需要透明特效，它们只关心一件事：我改了一个像素，它什么时候能出现在屏幕上？

答案是：下一帧。

framebuffer 到底是什么？

你可以把它理解为一块“镜像内存”——内核为显示控制器划出一段连续的物理内存，里面存的就是你要显示的每一个像素。只要你能往这块内存里写数据，屏幕就会跟着变。

Linux 把这块区域抽象成一个字符设备：/dev/fb0。
对，就是文件。你可以open()它，ioctl()查询参数，甚至用mmap()映射到你的进程空间，然后像操作数组一样画画。

char *fbp = mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fbfd, 0);

这行代码之后，fbp就是指向显存的指针。你想画红点？好，计算偏移，写进去：

*(uint16_t*)(fbp + location) = 0xF800; // RGB565 红色

就这么直接。没有回调，没有事件循环，也没有上下文切换开销。

关键参数从哪来？别猜，去问内核！

很多人第一次写 framebuffer 程序时都会犯一个错误：硬编码分辨率或色深。结果程序换台设备就花屏，颜色发绿，甚至段错误。

正确做法是：一切参数都通过ioctl向内核查询。

有两个结构体你需要熟记：

struct fb_var_screeninfo—— 可变信息

示例：如果bits_per_pixel=16，red.offset=11，green.offset=5，那基本就是 RGB565。

struct fb_fix_screeninfo—— 固定信息

有了这两个结构体，你就能动态适配任何支持 fbdev 的平台。

内存映射怎么算？别让偏移搞崩你的画面

最核心的公式是：

location = (x + xoffset) * bytes_per_pixel + (y + yoffset) * line_length;

其中：
-xoffset/yoffset是虚拟显示偏移（用于双缓冲）
-line_length很关键！有些驱动为了对齐会补零，所以不能用xres * bpp替代

举个例子，假设：
- 分辨率：800×480
- 格式：RGB565（2 字节/像素）
-line_length = 1600（刚好 800×2）

那么第 (100, 50) 像素的位置就是：

loc = 100 * 2 + 50 * 1600 = 200 + 80000 = 80200

直接往fbp + loc写两个字节就行。

⚠️ 注意陷阱：
- 如果你误用了xres * bpp而不是line_length，在某些 Allwinner 或 Rockchip 平台上会越界访问。
- 多字节写入记得考虑 CPU 大小端问题（ARM 通常是小端，放心）。

如何实现无撕裂刷新？试试双缓冲

如果你直接往前台缓冲写数据，用户可能会看到“半幅旧图 + 半幅新图”的撕裂现象。怎么办？

老办法：双缓冲 + pan_display。

原理很简单：
1. 显存分配两倍高度（比如 yres_virtual = 2 * yres）
2. 前台显示前一半，后台在后一半绘图
3. 画完后调用VIA_PAN_DISPLAY把yoffset改成yres，瞬间切换

代码片段如下：

// 设置双缓冲模式 vinfo.yres_virtual = vinfo.yres * 2; ioctl(fbfd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &vinfo); // 提交变更 // 绘图时使用后半区 int buffer_offset = vinfo.yres * finfo.line_length; draw_to_buffer(fbp + buffer_offset); // 切换显示 vinfo.yoffset = vinfo.yres; ioctl(fbfd, FBIOPAN_DISPLAY, &vinfo);

这样就能做到视觉上“瞬切”，避免闪烁和撕裂。

⚠️ 并非所有驱动都支持FBIOPAN_DISPLAY，尤其是基于 DRM 的兼容层。上线前务必实测。

实战：画个矩形有多快？

来看一段极简的绘图代码，目标是在屏幕上画一个红色方块：

#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <sys/mman.h> #include <sys/ioctl.h> #include <linux/fb.h> int main() { int fd = open("/dev/fb0", O_RDWR); if (fd < 0) { perror("open"); return -1; } struct fb_var_screeninfo vinfo; struct fb_fix_screeninfo finfo; ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo); ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo); printf("Res: %dx%d, BPP: %d, Line: %d\n", vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.bits_per_pixel, finfo.line_length); long size = (long)vinfo.yres_virtual * finfo.line_length; void *fbp = mmap(0, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); int bpp = vinfo.bits_per_pixel / 8; uint16_t red = 0xF800; // RGB565 for (int y = 100; y < 200; y++) { for (int x = 100; x < 300; x++) { long loc = x*bpp + y*finfo.line_length; *(uint16_t*)(fbp + loc) = red; } } munmap(fbp, size); close(fd); return 0; }

编译运行后，你会立刻看到一个红框出现在屏幕上——整个过程不依赖任何图形库，连 libcairo 都不需要链接。

这种“裸奔式”绘图，在资源受限设备上极具优势。

工程实践中的坑与秘籍

🔹 坑一：颜色不对，屏幕发绿？

可能是 RGB 和 BGR 顺序搞反了。查fb_var_screeninfo中red.offset和blue.offset的值。如果是 BGR 格式，你就得把颜色反转一下：

// BGR565：蓝在低5位，红在高5位 color = ((r & 0xF8) << 8) | ((g & 0xFC) << 3) | ((b & 0xF8) >> 3);

🔹 坑二：程序退出后屏幕花屏？

记得清理现场！要么清屏，要么至少还原原始yoffset。否则下一个应用读到的是你残留的数据。

🔹 坑三：多个程序抢/dev/fb0？

Linux 不阻止多进程打开同一个 fb 设备。后果就是互相覆盖。解决方案：
- 使用互斥锁文件（如/tmp/.fb_lock）
- 或由主进程统一管理 framebuffer，其他通过 IPC 发送绘图指令

🔹 坑四：CPU 缓存导致更新看不到？

某些 SoC（如 TI AM335x）有 write-back 缓存策略。你在用户空间写了内存，但还没刷到物理 RAM。解决方法：
- 使用O_SYNC标志打开设备
- 或调用__builtin___clear_cache()（GCC 扩展）
- 更推荐：确保 D-cache 一致性策略配置正确（通常内核已处理）

适合用 framebuffer 的三大典型场景

✅ 场景一：静态 UI + 局部刷新

比如设置菜单、状态面板。大部分区域不变，只需重绘变化部分。配合“脏矩形”机制，效率极高。

✅ 场景二：实时数据可视化

波形图、仪表盘、进度条。每帧只更新少量扫描线或指针位置，完全可控。

✅ 场景三：快速启动出图

只要内核加载完 fbdev 驱动，应用就能立即绘图。配合 initramfs，可实现“内核启动完毕 → 1 秒内出 Logo”。

它会被淘汰吗？未来在哪里？

官方确实在推动 DRM/KMS 替代 fbdev，后者已被标记为“legacy”。但在实际项目中，framebuffer 仍有不可替代的优势：

• 兼容性极强：几乎所有嵌入式 Linux 内核都默认启用CONFIG_FB
• 文档丰富，社区案例多
• 不依赖复杂的 mode-setting 流程
• 在 RTOS 或轻量级系统中更容易移植

而且，DRM 本身也可以模拟 framebuffer 行为（viadumb buffer），说明这种“直接映射+简单绘图”的模型依然有价值。

未来趋势可能是：
- 新项目用 DRM dumb buffer + mmap
- 老项目继续维护 fbdev
- 开发者用 Rust/C++ 封装安全的 framebuffer 库（避免裸指针越界）

但无论接口如何演进，“贴近硬件、去除冗余”的设计哲学不会过时。

结语：掌握底层，才能掌控体验

当你不再依赖层层封装的图形框架，而是亲手把一个个像素写进显存时，你会重新理解什么叫“控制力”。

framebuffer 不是最先进的技术，但它足够简单、足够快、足够可靠。对于那些不能容忍卡顿、不能浪费内存、不能等待服务初始化的系统来说，它是真正的利器。

下次你在树莓派上跑不动 Qt，不妨试试关掉桌面环境，直接操作/dev/fb0。也许你会发现，最快的图形库，是你自己写的那一行*(fbp + loc) = color;。

如果你正在做嵌入式显示开发，欢迎留言交流实战经验。你是坚持用 fbdev，还是已经转向 DRM？遇到了哪些坑？一起聊聊。