全网疯传！树莓派GUI开发竟然可以这么轻量？

嘿，各位树莓派的发烧友们！今天我要和大家分享一个超酷的技巧——如何在没有桌面环境的情况下，在树莓派上开发GUI应用。想象一下，你的树莓派就像一个超级英雄，而我们要给它装上一个炫酷的“面甲”，让它不仅能跑，还能飞！而且，这个“面甲”不会拖慢它的速度，因为我们不装笨重的桌面环境！

framebuffer：树莓派的“魔法画布”

首先，得聊聊framebuffer这个神奇的东西。framebuffer就像是Linux系统给我们的一个魔法画布，你可以直接在上面画画。在树莓派上，HDMI接口对应的是/dev/fb0这个魔法画布。如果你接的是普通的显示器或者电视，直接往这个文件里写数据，屏幕上就会出现你画的内容，简直不要太神奇！

如果你用的是SPI接口的屏幕，那你就有了第二个魔法画布/dev/fb1。这时候，你需要在/boot/config.txt文件里设置一下分辨率，让这两个画布的大小一样。不然的话，就像给一个方形的画布硬塞进一个圆形的框里，画面会变形，看着就别扭！

framebuffer_width=480framebuffer_height=320

在/boot/config.txt中，我们创建一个自定义的HDMI模式并设置分辨率。同样，为你的屏幕选择合适的分辨率。如果你希望同时在LCD屏幕和外部显示器上以不同分辨率显示，请不要这样做。

# 当LCD连接时，有两个framebuffer：## - /dev/fb0 - 代表HDMI输出。这个输出支持硬件加速，# 因此应该是GUI的目标。# - /dev/fb1 - 代表LCD输出。## 以下设置启用了一个自定义模式（模式87），将HDMI# 输出设置为与LCD相同的分辨率。这很有用，因为应用程序# 可以以硬件加速的输出为目标，然后使用raspi2fb工具将输出镜像到LCD。## HDMI组强制DMT输出，即使在HDMI输出上也是如此。DMT是显示器的标准，# 而CEA是电视的标准。hdmi_cvt480320601000hdmi_mode=87hdmi_group=2

低级操作：直接往framebuffer上画画

如果你是编程大神，可以直接用C语言操作framebuffer。想象一下，你手里拿着一支魔法画笔，直接在画布上画画。不过，这个过程有点复杂，需要你用ioctl这个魔法咒语来获取画布的信息，比如宽度和高度。然后，你就可以用魔法画笔在画布上涂颜色了。不过，这个过程对新手来说有点难，别担心，后面我会介绍一个更简单的工具。

通过framebuffer显示图形的步骤如下：

1. 打开对应于你想要使用的显示设备的/dev/fbX文件。

2. 使用ioctl（这是一个允许与某些设备通信的Linux系统调用）来获取有关framebuffer的信息。具体方式是设备特定的，但framebuffer允许获取诸如宽度和高度等信息。

3. 写入字节到文件。确切的字节序列取决于framebuffer的颜色深度。

有一个关于使用framebuffer的绝佳指南，我强烈推荐阅读。在按照示例操作时，我需要记住以下几点：

要访问framebuffer，你需要以root身份运行。这并不理想，我们可以通过放松这一要求来解决，但目前请使用sudo运行代码示例。我将在下一节讨论替代方案。

该指南假设你正在显示到/dev/fb0。因为我正在使用基于SPI的屏幕，所以我实际上想要显示到/dev/fb1，所以我相应地修改了代码示例。

framebuffer的颜色深度将取决于你正在使用的屏幕，但通常HDMI输出（/dev/fb0）将运行在32bpp（每像素位数），而许多（所有？）SPI屏幕将运行在16bpp。

镜像魔法：让两个framebuffer同步显示

如果你有两个framebuffer，比如一个HDMI和一个SPI屏幕，你可以用raspi2fb这个魔法工具，把一个画布上的内容复制到另一个画布上。就像用魔法镜子把一个画布上的画面反射到另一个画布上一样。不过，别忘了先设置好分辨率，否则画面会像被挤扁的气球一样变形。

如果你尝试运行raspi2fb，你会遇到权限错误。原因是当前用户没有权限与framebuffer交互。我们可以通过查看framebuffer文件的所有者和组来查看这一点：

$ls-l /dev/fb*crw-rw---- 1 root video 29, 0 Jan 1 22:48 /dev/fb0crw-rw---- 1 root video 29, 1 Jan 13 21:52 /dev/fb1

文件由root拥有，因此需要使用sudo运行。然而，这存在安全问题，因为你不想让你的应用程序以root身份运行！幸运的是，framebuffer文件的组是video，所以你只需要将用户添加到该组。例如，对于我的用户：

usermod -a-Gvideoavik

现在你可以无需root权限运行raspi2fb。

如上所述，如果你设置了SPI屏幕，并将系统配置为将控制台显示到fb1。当raspi2fb将HDMI屏幕镜像到fb1时，控制台和raspi2fb（以及因此在HDMI屏幕上运行的任何内容）都在更新同一个framebuffer。这会导致文本光标出现在屏幕上。

一个framebuffer感知的应用程序应该禁用文本光标，但它只能在控制台显示在与应用程序相同的framebuffer上时这样做。但是，如果应用程序显示在fb0，而控制台显示在fb1，文本光标仍然存在。解决方法是将控制台显示在fb0，与应用程序一起。

你可以通过编辑/boot/cmdline.txt来实现这一点，但我想只在运行raspi2fb时切换控制台的输出。幸运的是，你可以使用con2fbmap在系统运行时切换控制台显示。因此，你可能会执行以下操作：

con2fbmap10 # 将控制台切换到fb0raspi2fb # 将fb0镜像到fb1# 在单独的窗口或SSH会话中，运行一个显示到fb0的应用程序。# 应用程序完成后，停止raspi2fb，然后：con2fbmap11 # 将控制台切换回fb1

注意，con2fbmap也需要访问framebuffer，因此要么你需要以root身份运行，要么你需要是video组的成员。

Raylib：让GUI开发变得简单又有趣

说到这儿，我得隆重介绍一下Raylib这个神器。它就像一个魔法工具箱，让你不用直接操作framebuffer，也能画出漂亮的图形界面。而且，它支持硬件加速，就像给你的树莓派装上了火箭助推器，速度超快！

它具有以下优势：

Raylib支持多个平台。这意味着我可以在笔记本电脑上开发应用程序，渲染到屏幕上的窗口，然后在树莓派上部署该应用程序，无需任何更改。

没有外部依赖项。这使得在树莓派上编译变得容易，也可以理解库代码本身，因为该库非常自包含。

Raylib支持硬件加速，提供出色的性能。

Raylib包含功能，例如文本渲染支持，而这些功能我本来需要自己开发。

构建Raylib：魔法工具箱的组装

要使用Raylib，你需要先在树莓派上构建它。想象一下，你正在组装一个魔法工具箱，需要按照说明书一步一步来。构建过程中，你可能需要修改一些配置文件，比如把SUPPORT_BUSY_WAIT_LOOP这行注释掉，这样你的应用就不会占用100%的CPU，而是像一个聪明的魔法师，只在需要的时候才使用魔法。

使用Raylib开发应用

默认情况下，Raylib使用“忙等待”循环。这意味着，在你的应用程序完成渲染后，对于该帧的其余时间，Raylib会不断检查是否已经过去足够的时间以开始下一帧。这会导致高CPU使用率。

多个GitHub作者提到现在支持“睡眠”等待。在这种实现中，库设置一个计时器，并要求操作系统在经过一定时间后唤醒应用程序。

需要注意的是，这种实现不是默认的，你必须注释掉一行并重新构建库：

// 在raylib/src/config.c中注释掉以下行：#defineSUPPORT_BUSY_WAIT_LOOP

（但如果你使用CMake而不是Make，你可能需要在src/config.c.in中进行此更改。）

通过此更改，我发现我的应用程序在没有进行任何密集计算的情况下，CPU使用率为1-3%。

如果你查看用于构建Raylib示例应用程序的Makefile，你会发现许多平台特定的选项。因为Raylib支持如此多的平台，Makefile相当大。

当你构建自己的应用程序时，你需要指定几个选项。因为我没有运行任何make install类型的命令来构建Raylib，所以库的必要文件位于我下载Raylib的目录中。

我从官方Makefile开始，移除了我不需要的平台支持，只剩下以下必要的选项。

首先，我们定义一些编译器标志：

-std=c99：定义C语言模式（1999年修订版的标准C）

-D_DEFAULT_SOURCE：与-std=c99一起在Linux上使用，用于timespec，这是用于与时间相关的功能。

CFLAGS= -std=c99 -D_DEFAULT_SOURCE

接下来，我们需要告诉编译器在哪里找到定义库的数据结构和函数的Raylib头文件。这里，RAYLIB_PATH指的是你下载Raylib的位置。

INCLUDE_PATHS=-isystem$RAYLIB_PATH/src \ -isystem$RAYLIB_PATH/src/external# 在树莓派上，你还需要指定在哪里找到一些头文件# 这些头文件在不同位置。这些头文件被Raylib使用。INCLUDE_PATHS+=-I/opt/vc/includeINCLUDE_PATHS+=-I/opt/vc/include/interface/vmcs_host/linuxINCLUDE_PATHS+=-I/opt/vc/include/interface/vcos/pthreads

然后，我们需要告诉编译器在哪里找到编译后的库。如果你查看Raylib发行版中的src目录，你会发现构建库已经创建了一个libraylib.a文件。这就是我们将链接的文件。

不同平台的附加依赖库有所不同。例如，在桌面Linux上，我们是使用X，但在树莓派上则不是。

告诉编译器在哪里找到libraylib.aLDFLAGS = -L$RAYLIB_PATH/srcLDFLAGS += -L/opt/vc/lib # 在树莓派上需要# 在桌面Linux上LDLIBS = -lraylib -lm -lpthread -ldl -lrt -lX11# 在树莓派上LDLIBS = -lraylib -lbrcmGLESv2 -lbrcmEGL -lpthread -lrt -lm -lbcm_host -ldl

现在，你可以调用编译器：

gcc-o app app.c$CFLAGS$INCLUDE_PATHS$LDFLAGS$LDLIBS

实际上，我指定了更多的标志，比如-Wall以发出更多的警告，但上述是最低要求。

触摸屏校准：让触摸屏听话

如果你的树莓派有触摸屏，那你就需要校准它，让触摸屏知道你的手指在哪儿。这个过程有点像训练一只小狗，基本方法是使用tslib库来获取原始触摸事件，根据一些过滤器和校准设置进行转换，然后创建一个新的触摸事件流，Raylib可以从中读取。

在我们开始之前，注意tslib操作的是/dev/input/eventX文件，就像framebuffer文件一样，这些文件用于与触摸屏设备交互。与framebuffer文件一样，要与触摸事件文件交互，我们需要必要的权限：

$ls-l /dev/input/event*crw-rw---- 1 root input 13, 64 Jan 1 22:48 /dev/input/event0

注意input组，所以我们将当前用户添加到该组。例如，对于我：

usermod -a-Ginputavik

接下来，tslib在Rasbian软件包仓库中可用，但版本太旧，无法满足我们的需求。因此，我们需要从源代码构建它：

sudo apt install automake libtoolgitclonegit://github.com/kergoth/tslib.gitcdtslib./autogen.sh./configuremakesudo make install

最后，我们需要校准触摸屏，测试它并创建一个新的事件流，Raylib可以从中读取。我发现这些命令需要稍作修改，与上面链接的指南中的命令有所不同。

#校准sudo \ LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib \ TSLIB_FBDEVICE=/dev/fb1 \ TSLIB_TSDEVICE=/dev/input/event0 \ TSLIB_CALIBFILE=/etc/pointercal\ TSLIB_CONFFILE=/etc/ts.conf \ TSLIB_PLUGINDIR=/usr/local/lib/ts\ ts_calibrate# 测试sudo \ LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib \ TSLIB_FBDEVICE=/dev/fb1 \ TSLIB_TSDEVICE=/dev/input/event0 \ TSLIB_CALIBFILE=/etc/pointercal\ TSLIB_CONFFILE=/etc/ts.conf \ TSLIB_PLUGINDIR=/usr/local/lib/ts\ ts_test# 创建新的事件流sudo \ LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib \ TSLIB_FBDEVICE=/dev/fb1 \ TSLIB_TSDEVICE=/dev/input/event0 \ TSLIB_CALIBFILE=/etc/pointercal\ TSLIB_CONFFILE=/etc/ts.conf \ TSLIB_PLUGINDIR=/usr/local/lib/ts\ ts_uinput -v

最后一个命令将创建一个新的/dev/input/eventX文件，其编号比现有的文件更大。Raylib已经设置为从编号最大的文件读取，启动Raylib应用程序将开始从正确的事件流读取。

你还可以在运行最后一个命令时包含-d参数，以在后台以守护进程模式运行。

总之，通过这些魔法工具和技巧，你可以在树莓派上开发出轻量级的GUI应用，而且不会拖慢它的速度。这就像给你的树莓派装上了一个轻便的“面甲”，让它既能跑得快，又能看起来很酷！如果你有任何问题或者想法，欢迎在评论区留言，我们一起探讨！