Linux 应用编程

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文件 IO

系统调用进入内核

内核的 sys_open、sys_read 做了什么：

Framebuffer 应用编程

LCD 操作原理

在 Linux 系统中通过 Framebuffer 驱动程序来控制 LCD。Frame 是帧的意思，buffer 是缓冲的意思，这意味着 Framebuffer 就是一块内存，里面保存着一帧图像。Framebuffer 中保存着一帧图像的每一个像素颜色值，假设 LCD 的分辨率是 1024x768，每一个像素的颜色用 32 位来表示，那么 Framebuffer 的大小就是：1024x768x32/8=3145728 字节。

简单介绍 LCD 的操作原理：

  • 驱动程序设置好 LCD 控制器：根据 LCD 的参数设置 LCD 控制器的时序、信号极性；根据 LCD 分辨率、BPP 分配 Framebuffer
  • APP 使用 ioctl 获得 LCD 分辨率、BPP
  • APP 通过 mmap 映射 Framebuffer，在 Framebuffer 中写入数据

假设需要设置 LCD 中坐标 (x,y) 处像素的颜色，首要要找到这个像素对应的内存，然后根据它的 BPP 值设置颜色。假设 fb_base 是 APP 执行 mmap 后得到的 Framebuffer 地址，如下图所示：

可以用以下公式算出 (x,y) 坐标处像素对应的 Framebuffer 地址：(x，y) 像素起始地址=fb_base+(xres*bpp/8)_y + x_bpp/8

最后一个要解决的问题就是像素的颜色怎么表示？它是用 RGB 三原色（红、绿、蓝）来表示的，在不同的 BPP 格式中，用不同的位来分别表示 R、G、B，如下图所示：

对于 32BPP，一般只设置其中的低 24 位，高 8 位表示透明度，一般的 LCD 都不支持。

对于 24BPP，硬件上为了方便处理，在 Framebuffer 中也是用 32 位来表示，效果跟 32BPP 是一样的。

对于 16BPP，常用的是 RGB565；很少的场合会用到 RGB555，这可以通过 ioctl 读取驱动程序中的 RGB 位偏移来确定使用哪一种格式。

文字显示

字符的编码方式（区分编码和字体）

在计算机上，我们看到的字符“A”可能长这样：

也可能长这样：

对于同一个 TXT 文件中的内容，你在 Notepad 上选择不同字体时，字符显示的形状不一样。

所以 TXT 文件中保存的是字符的核心：它的编码值。而 Notepad 上显示时，这些字符对应什么样的形状态，这是由字符文件决定的。编码值，字体是两个不一样的东西，比如 A 的编码值是 0x41，但是在屏幕上显示出来时可以使用不同的形状。

ASCII

是“American Standard Code for Information Interchange”的缩写，美国信息交换标准代码。

ANSI

使用记事本保存文件时，可以选择“ANSI”编码，却没有“ASCII”，各下图所示。怎么回事？

ASNI 是 ASCII 的扩展，向下包含 ASCII。对于 ASCII 字符仍以一个字节来表示，对于非 ASCII 字符则使用 2 字节来表示。并没有固定的 ASNI 编码，它跟“本地化”(locale) 密切相关。比如在中国大陆地区，ANSI 的默认编码是 GB2312；在港澳台地区默认编码是 BIG5。以数值“0xd0d6”为例，对于 GB2312 编码它表示“中”；对于 BIG5 编码它表示“笢”。所以对于 ANSI 编码的 TXT 文件，如果你打开它发现乱码，那么还得再次细分它的具体编码。

这仅仅是在中国地区就出现这些不兼容的问题。对于不同国家，它们默认的 ANSI 编码各不相同，所以同一个 TXT 文件在不同国家就很有可能出现乱码。

根本的原理在于没有“统一的编码”，那解决方法自然就是使用“统一的编码”：UNICODE。

UNICODE

在 ANSI 标准中，很多种文字都有自己的编码标准，汉字简体字有 GB2312、繁体字有 BIG5，这难免同一个数值对应不同字符。比如数值“0xd0d6”，对于 GB2312 编码它表示“中”；对于 BIG5 编码它表示“笢”。这造成了使用 ANSI 编码保存的文件，不适合跨地区交流。

UNICODE 编码就是解决这类问题：对于地球上任意一个字符，都给它一个唯一的数值。

UNICODE 仍然向下兼容 ASCII，但是对于其他字符会有对应的数值，比如对于“中”、“笢”，它们的数值分别是：0x4e2d、0x7b22

UNICODE 中的数值范围是 0x0000 至 0x10FFFF，有 1,114,111 即 100 多万个数值，可以表示 100 多万个字符，足够地球人使用了。

  • UNICODE 编码实现

所谓编码实现，就是对于一个数值，怎么表示它。这很奇怪，数值还能怎么表示？比如“中”的 UNICODE 值是 0x4e2d，在 TXT 文件中怎么表示 0x4e2d？直接写入 0x4e2d？不行！

比如在 TXT 文件中写入 2 字节数据“0x2d 0x4e”，它可以用来表示“中”字吗？不能！它们对应 ASCII 字符“-N”。

问题的关键在于：怎么断字。在 TXT 文件中，2 字节数据“0x2d 0x4e”是作为一个整体看待，还是拆成 2 部分看待？

所以，需要用一定的技巧来表示数值，这就对应不同的编码实现。

现在我们知道：

  • ASCII 编码中使用一个字节来表示一个字符，只用到其中的 7 位，最高位恒为 0
  • ANSI 编码中，对于 ASCII 字符仍使用一个字节来表示 (BIT7 是 0)，对于非 ASCII 字符一般使用 2 个字节来表示，非 ASCII 字符的数值 BIT7 都是 1
  • UNICODE：这就有点复杂了，下面一一讲解

先用记事本新建 3 个文件：utf-16_le.txt、utf-16_be.txt、utf-8.txt、bom_utf-8.txt，里面的内容都是“ab 中”，保存时编码分别选择“UTF-16 LE”、“UTF-16 BE”、“UTF-8”、“带有 BOM 的 UTF-8”，下图是其中一个例子： 怎么表示一个 UNICODE 数值？

  • 使用 3 个字节表示一个 UNICODE

不，太浪费。

UNICODE 的最大值是 0x10FFFF，那使用 3 个字节来表示一个 UNICODE 数值？这当然是很省事的方法，但是会造成浪费，比如字符 A 的 UNICOCDE 值是 0x41，难道也用“0x41 0x00 0x00”这 3 个字节来表示

  • UCS-2 Little endian/UTF-16 LE

每个 UNICODE 值用 3 字节来表示有点浪费，那只用 2 字节呢？它可以表示 2^16=65536 个字符，全世界常用的字符都可以表示了。

Little endian 表示小字节序，数值中权重低的字节放在前面，比如字符“A 中”在 TXT 文件中的数值如下，其中的“A”使用“0x41 0x00”两字节表示；“中”使用“0x2d 0x4e”两字节表示。文件开头的“0xff 0xfe”表示“UTF-16 LE”。

  • UCS-2 Big endian/UTF-16 BE

Big endian 表示大字节序，数值中权重低的字节放在后面，比如字符“ab 中”在 TXT 文件中的数值如下，其中的“A”使用“0x00 0x41”两字节表示；“中”使用“0x4e 0x2d”两字节表示。文件开头的“0xfe 0xff”表示“UTF-16 BE”。

  • UTF8

在上面 2 种方法中，每一个 UNICODE 使用 2 字节来表示，这有 3 个缺点：表示的字符数量有限、对于 ASCII 字符有空间浪费、如果文件中有某个字节丢失，这会使得后面所有字符都因为错位而无法显示。

使用 UTF8 可以解决上述所有问题。UTF8 是变长的编码方法，有 2 种 UTF8 格式的文件：带有头部、不带头部。先举例，看下图：

对于其中的 ASCII 字符，在 UTF8 文件中直接用其 ASCII 码来表示，比如上图中的 0x61 表示字符 a、0x62 表示字符 b。上图中的 3 个字节“0xe4 0xb8 0xad”表示的数值是 0x4e2d，对应“中”的 UNICODE 码。

对于非 ASCII 字符，使用变长的编码：每一个字节的高位都自带长度信息。请看下图

上图中，0xe4 的二进制是“11100100”，高位有 3 个 1，表示从当前字节起有 3 字节参与表示 UNICODE；

0xb8 的二进制是“10111000”，高位有 1 个 1，表示从当前字节起有 1 字节参与表示 UNICODE；

0xad 的二进制是“10101101”，高位有 1 个 1，表示从当前字节起有 1 字节参与表示 UNICODE；

除去高位的“1110”、“10”、“10”后，剩下的二进制数组合起来得到“01001110001101”，它就是 0x4e2d，即“中”的 UNICODE 值。

使用 UTF8 编码时，即使 TXT 文件中丢失了某些数据，也只会影响到当前字符的显示，后面的字符不受影响

ASCII 字符的点阵显示

要在 LCD 中显示一个 ASCII 字符，即英文字母这些字符，首先是要找到字符对应的点阵。在 Linux 内核源码中有这个文件：lib_8x16.c，里面以数组形式保存各个字符的点阵，比如：

数组里的数字是如何表示点阵的？以字符 A 为例，如下图所示：

上图左侧有 16 行数值，每行 1 个字节。每一个节对应右侧一行中 8 个像素：像素从右边数起，bit0 对应第 0 个像素，bit1 对应第 1 个像素，……，bit7 对应第 7 个像素。某位的值为 1 时，表示对应的像素要被点亮；值为 0 时表示对应的像素要熄灭。

所以要显示某个字符时，根据它的 ASCII 码在 fontdata_8x16 数组中找到它的点阵，然后取出这 16 个字节去描画 16 行像素。

比如字符 A 的 ASCII 值是 0x41，那么从 fontdata_8x16[0x41*16] 开始取其点阵数据。

矢量字体引入

使用点阵字库显示英文字母、汉字时，大小固定，如果放大缩小则会模糊甚至有锯齿出现，为了解决这个问题，引用矢量字体。

矢量字体形成分三步：

  • 确定关键点
  • 使用数学曲线（贝塞尔曲线）连接头键点
  • 填充闭合区线内部空间

什么是关键点？以字母“A”为例，它的的关键点如下图中的黄色所示。

如果需要放大或者缩小字体，关键点的相对位置是不变的，只要数学曲线平滑，字体就不会变形。

Freetype 介绍

Freetype 是开源的字体引擎库，它提供统一的接口来访问多种字体格式文件，从而实现矢量字体显示。我们只需要移植这个字体引擎，调用对应的 API 接口，提供字体文件，就可以让 freetype 库帮我们取出关键点、实现闭合曲线，填充颜色，达到显示矢量字体的目的。

关键点 (glyph) 存在字体文件中，Windows 使用的字体文件在 c:目录下，扩展名为 TTF 的都是矢量字库，本次使用实验使用的是新宋字体 simsun.ttc。

给定一个字符，怎么在字体文件中找到它的关键点？

首先要确定该字符的编码值：比如 ASCII 码、GB2312 码、UNICODE 码。如果字体文件支持某种编码格式 (charset)，就可以使用这类编码值去找到该字符的关键点 (glyph)。有些字体文件支持多种编码格式 (charset)，这在文件中被称为 charmaps（注意：这个单词是复数，意味着可能支持多种 charset)。

以 simsun.ttc 为值，该字体文件的格如下：头部含有 charmaps，可以使用某种编码值去 charmaps 中找到它对应的关键点。下图中的“A、B、中、国、韦”等只是 glyph 的示意图，表示关键点。

Charmaps 表示字符映射表，字体文件可能支持哪一些编码，GB2312、UNICODE、BIG5 或其他。如果字体文件支持该编码，使用编码值通过 charmap 就可以找到对应的 glyph，一般而言都支持 UNICODE 码。

有了以上基础，一个文字的显示过程可以概括如下：

  • 给定一个字符可以确定它的编码值 (ASCII、UNICODE、GB2312)
  • 设置字体大小
  • 根据编码值，从文件头部中通过 charmap 找到对应的关键点 (glyph)，它会根据字体大小调整关键点
  • 把关键点转换为位图点阵
  • 在 LCD 上显示出来

使用：

  • 初始化：FT_InitFreetype
  • 加载（打开）字体 Face：FT_New_Face
  • 设置字体大小：FT_Set_Char_Sizes 或 FT_Set_Pixel_Sizes
  • 选择 charmap：FT_Select_Charmap
  • 根据编码值 charcode 找到 glyph_index：glyph_index = FT_Get_Char_Index（face，charcode）
  • 根据 glyph_index 取出 glyph：FT_Load_Glyph（face，glyph_index）
  • 转为位图：FT_Render_Glyph
  • 移动或旋转：FT_Set_Transform
  • 最后显示出来

上面的⑤⑥⑦可以使用一个函数代替：FT_Load_Char(face, charcode, FT_LOAD_RENDER)，它就可以得到位图。

输入系统应用编程

输入系统框架及调试

框架概述

输入系统框架如下图所示：

假设用户程序直接访问/dev/input/event0 设备节点，或者使用 tslib 访问设备节点，数据的流程如下：

  • APP 发起读操作，若无数据则休眠；

  • 用户操作设备，硬件上产生中断；

  • 输入系统驱动层对应的驱动程序处理中断：
    读取到数据，转换为标准的输入事件，向核心层汇报。 所谓输入事件就是一个“struct input_event”结构体。

  • 核心层可以决定把输入事件转发给上面哪个 handler 来处理：
    从 handler 的名字来看，它就是用来处输入操作的。有多种 handler，比如：evdev_handler、kbd_handler、 joydev_handler 等等。

    最常用的是 evdev_handler：它只是把 input_event 结构体保存在内核 buffer 等，APP 来读取时就原原本本地返回。它 支持多个 APP 同时访问输入设备，每个 APP 都可以获得同一份输入事件。

    当 APP 正在等待数据时，evdev_handler 会把它唤醒，这样 APP 就可以返回数据。

  • APP 对输入事件的处理：
    APP 获得数据的方法有 2 种：直接访问设备节点（比如/dev/input/event0,1,2,...)，或者通过 tslib、libinput 这类库来间接访问设备节点。这些库简化了对数据的处理。

编写 APP 需要掌握的知识

内核中怎么表示一个输入设备？

使用 input_dev 结构体来表示输入设备，它的内容如下：

APP 可以得到什么数据？

可以得到一系列的输入事件，就是一个一个“struct input_event”，它定义如下：

每个输入事件 input_event 中都含有发生时间：timeval 表示的是“自系统启动以来过了多少时间”，它是一个结构体，含有“tv_sec、tv_usec”两项（即秒、微秒）。

输入事件 input_event 中更重要的是：type（哪类事件）、code（哪个事件）、value（事件值），细讲如下：

  • type：表示哪类事件
    比如 EV_KEY 表示按键类、EV_REL 表示相对位移（比如鼠标），EV_ABS 表示绝对位置（比如触摸屏）。有这几类事件（参考 Linux 内核头文件）：

  • code：表示该类事件下的哪一个事件
    比如对于 EV_KEY（按键）类事件，它表示键盘。键盘上有很多按键，比如数字键 1、2、3，字母键 A、B、C 里等。所以可以 有这些事件：

    对于触摸屏，它提供的是绝对位置信息，有 X 方向、Y 方向，还有压力值。所以 code 值有这些：

  • value：表示事件值
    对于按键，它的 value 可以是 0（表示按键被按下）、1（表示按键被松开）、2（表示长按）； 对于触摸屏，它的 value 就是坐标值、压力值。

  • 事件之间的界线
    APP 读取数据时，可以得到一个或多个数据，比如一个触摸屏的一个触点会上报 X、Y 位置信息，也可能会上报压力值。

    APP 怎么知道它已经读到了完整的数据？

    驱动程序上报完一系列的数据后，会上报一个“同步事件”，表示数据上报完毕。APP 读到“同步事件”时，就知道已经读 完了当前的数据。

    同步事件也是一个 input_event 结构体，它的 type、code、value 三项都是 0。

输入子系统支持完整的 API 操作

支持这些机制：阻塞、非阻塞、POLL/SELECT、异步通知。

调试技巧

确定设备信息

输入设备的设备节点名为/dev/input/eventX（也可能是/dev/eventX，X 表示 0、1、2 等数字）。

怎么知道这些设备节点对应什么硬件呢？可以在板子上执行以下命令：

1
cat /proc/bus/input/devices

这条指令的含义就是获取与 event 对应的相关设备信息，可以看到类似以下的结果：

那么这里的 I、N、P、S、U、H、B 对应的每一行是什么含义呢？

  • I:id of the device（设备 ID)
    该参数由结构体 struct input_id 来进行描述，驱动程序中会定义这样的结构体：

  • N:name of the device 设备名称

  • P:physical path to the device in the system hierarchy 系统层次结构中设备的物理路径

  • S:sysfs path 位于 sys 文件系统的路径

  • U:unique identification code for the device(if device has it) 设备的唯一标识码

  • H:list of input handles associated with the device 与设备关联的输入句柄列表

  • B:bitmaps（位图）

PROP:device properties and quirks（设备属性） EV:types of events supported by the device（设备支持的事件类型） KEY:keys/buttons this device has（此设备具有的键/按钮） MSC:miscellaneous events supported by the device（设备支持的其他事件） LED:leds present on the device（设备上的指示灯）

值得注意的是 B 位图，比如上图中“B: EV=b”用来表示该设备支持哪类输入事件。b 的二进制是 1011，bit0、1、3 为 1，表示该设备支持 0、1、3 这三类事件，即 EV_SYN、EV_KEY、EV_ABS。

再举一个例子，“B: ABS=2658000 3”如何理解？

它表示该设备支持 EV_ABS 这一类事件中的哪一些事件。这是 2 个 32 位的数字：0x2658000、0x3，高位在前低位在后，组成一个 64 位的数字：“0x2658000,00000003”，数值为 1 的位有：0、1、47、48、50、53、54，即：0、1、0x2f、0x30、0x32、0x35、0x36，对应以下这些宏：

即这款输入设备支持上述的 ABS_X、ABS_Y、ABS_MT_SLOT、ABS_MT_TOUCH_MAJOR、ABS_MT_WIDTH_MAJOR、ABS_MT_POSITION_X、ABS_MT_POSITION_Y 这些绝对位置事件

使用命令读取数据

调试输入系统时，直接执行类似下面的命令，然后操作对应的输入设备即可读出数据：

1
hexdump /dev/input/event0

在开发板上执行上述命令之后，点击按键或是点击触摸屏，就会打印以下信息：

上图中的 type 为 3，对应 EV_ABS；code 为 0x35 对应 ABS_MT_POSITION_X；code 为 0x36 对应 ABS_MT_POSITION_Y。上图中还发现有 2 个同步事件：它的 type、code、value 都为 0。表示电容屏上报了 2 次完整的数据。

不使用库的应用程序示例

输入系统支持完整的 API 操作

支持这些机制：阻塞、非阻塞、POLL/SELECT、异步通知。

APP 访问硬件的 4 种方式：妈妈怎么知道孩子醒了

  • 查询方式
    APP 调用 open 函数时，传入“O_NONBLOCK”表示“非阻塞”。

    APP 调用 read 函数读取数据时，如果驱动程序中有数据，那么 APP 的 read 函数会返回数据，否则也会立刻返回错误。

  • 休眠-唤醒方式
    APP 调用 open 函数时，不要传入“O_NONBLOCK”。

    APP 调用 read 函数读取数据时，如果驱动程序中有数据，那么 APP 的 read 函数会返回数据；否则 APP 就会在内核态休眠，当有数据时驱动程序会把 APP 唤醒，read 函数恢复执行并返回数据给 APP。

  • POLL/SELECT 方式
    POLL 机制、SELECT 机制是完全一样的，只是 APP 接口函数不一样。

    简单地说，它们就是“定个闹钟”：在调用 poll、select 函数时可以传入“超时时间”。在这段时间内，条件合适时（比如有数据可读、有空间可写）就会立刻返回，否则等到“超时时间”结束时返回错误。

    用法如下。

    APP 先调用 open 函数时。

    APP 不是直接调用 read 函数，而是先调用 poll 或 select 函数，这 2 个函数中可以传入“超时时间”。它们的作用是：如果 驱动程序中有数据，则立刻返回；否则就休眠。在休眠期间，如果有人操作了硬件，驱动程序获得数据后就会把 APP 唤 醒，导致 poll 或 select 立刻返回；如果在“超时时间”内无人操作硬件，则时间到后 poll 或 select 函数也会返回。APP 可 以根据函数的返回值判断返回原因：有数据？无数据超时返回？

    APP 根据 poll 或 select 的返回值判断有数据之后，就调用 read 函数读取数据时，这时就会立刻获得数据。

    poll/select 函数可以监测多个文件，可以监测多种事件：在调用 poll 函数时，要指明：

    • 你要监测哪一个文件：哪一个 fd

    • 你想监测这个文件的哪种事件：是 POLLIN、还是 POLLOUT

    最后，在 poll 函数返回时，要判断状态。

  • 异步通知方式
    所谓异步通知，就是 APP 可以忙自己的事，当驱动程序用数据时它会主动给 APP 发信号，这会导致 APP 执行信号处理函数。

tslib

tslib 框架分析

tslib 的主要代码如下：

核心在于“plugins”目录里的“插件”，或称为“module”。这个目录下的每个文件都是一个 module，每个 module 都提供 2 个函数：read、read_mt，前者用于读取单点触摸屏的数据，后者用于读取多点触摸屏的数据

要分析 tslib 的框架，先看看示例程序怎么使用，我们参考 ts_test.c 和 ts_test_mt.c，前者用于一般触摸屏（比如电阻屏、单点电容屏），后者用于多点触摸屏。

一个图就可以弄清楚 tslib 的框架：

参考文献

《韦东山老师课程》