LCD的ARM編程方式，LCD Linux程序如何寫(xiě)入？

　　基于A(yíng)RM處理器的LCD編程設計：

　　隨著(zhù)單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的儀器儀表呈現出操作簡(jiǎn)單、便攜化的趨勢。LCD模塊能夠滿(mǎn)足嵌入式系統日益增長(cháng)的要求，它可以顯示漢字、字符和圖形，同時(shí)還具有低壓、低功耗、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而應用十分廣泛。

　　液晶顯示模塊（LCM）是由控制器、行驅動(dòng)器、列驅動(dòng)器、顯示存儲器和液晶顯示屏等器件通過(guò)PCB組裝成一體的低成本輸出設備，被廣泛用于各種儀器儀表等設備中。其核心部件LCD控制器是可編程接口芯片，它一方面提供與微控制器（MCU）的接口，一方面連接行/列驅動(dòng)器。用戶(hù)對LCD控制器編程就是實(shí)現對LCM的操作控制。LCD控制器的功能是接收計算機發(fā)來(lái)的指令和數據，并向計算機反饋所需的數據信息。 T6963控制模塊 T6963控制器型液晶顯示模塊的驅動(dòng)控制系統由液晶顯示控制器T6963及其外圍電路、行驅動(dòng)器組、列驅動(dòng)器組和液晶驅動(dòng)偏電壓電路組成。

　　T6963C是一種內置控制器的圖形LCD，其面向顯示存儲器的引腳有8根數據線(xiàn)（D7~D0）、16根地址線(xiàn)（AD15~AD0）和4根控制線(xiàn)，最多能管理64KB大小的顯示存儲器。T6963C將顯示存儲器分成3個(gè)區，分別是文本顯示緩沖區、圖形顯示緩沖區和字符產(chǎn)生器RAM（CGRAM）區。 采用圖形顯示方式時(shí)，液晶屏顯示單元的單位是8&TImes;1點(diǎn)陣（稱(chēng)為一個(gè)圖形顯示單位）。每個(gè)圖形顯示單位對應圖形顯示緩沖區中的一個(gè)存儲單元。將點(diǎn)陣狀態(tài)信息寫(xiě)入這個(gè)存儲單元，則對應的位置就會(huì )顯示出圖形。

　　采用文本顯示方式時(shí)，液晶屏顯示信息的單位是8&TImes;8點(diǎn)陣（稱(chēng)為一個(gè)文本顯示單位）。每個(gè)文本顯示單位對應文本顯示緩沖區中的8個(gè)連續存儲單元。但采用文本顯示方式時(shí)，寫(xiě)入文本顯示緩沖區的不是點(diǎn)陣狀態(tài)信息，而是字符代碼，其點(diǎn)陣狀態(tài)信息（8&TImes;8）（即字模）存放在CGRAM中。當8&TImes;8的點(diǎn)陣不足以描述一個(gè)符號時(shí)，則通常用多個(gè)字符的組合來(lái)描述。例如，一般采用16×16的點(diǎn)陣來(lái)描述漢字，將該點(diǎn)陣分為4個(gè)8×8的點(diǎn)陣，用4個(gè)字符代碼描述一個(gè)漢字，根據這4個(gè)部分的位置關(guān)系將4條代碼寫(xiě)入相應的文本顯示緩沖區。T6963C片內還包含一個(gè)字模庫CGROM，固化了數字、英文字母和常用符號等128個(gè)字符的點(diǎn)陣狀態(tài)信息。

　　系統硬件結構 1. 處理器 本文系統中的處理器選用的是ARM7系列AT91SAM7S64，該器件具有64KB的高速Flash、16KB的SRAM以及豐富的外設資源，因而可以給系統設計提供強大的硬件支持。它包含的主要功能單元是： PDC（Peripheral Data Controller，外設數據控制器），可以通過(guò)該控制器管理SPI接口和串口。串口作為本系統各部分之間通信的主要手段，而SPI接口作為ARM處理器和A/D、D/A模塊之間通信和控制的主要手段。 AIC（Advanced Interrupt Controller，先進(jìn)中斷控制器），可以通過(guò)該控制器產(chǎn)生計時(shí)器中斷和串口中斷，計時(shí)器中斷可作為本系統分時(shí)作業(yè)編程的主要手段，而串口中斷是數據通信的處理手段。

　　PIOA（Parallel Input/Output Controller，并行輸入/輸出控制器），可以通過(guò)該控制器管理ARM系統的各個(gè)設備，同時(shí)本系統也使用PIOA來(lái)控制LCD。 其它功能單元包括看門(mén)狗、電源控制器等?？梢酝ㄟ^(guò)編程對這些控制器進(jìn)行管理，在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，并通過(guò)JTAG調試接口下載到板上FLASH中運行調試。

　　2. 液晶屏連接方式 T6963液晶顯示模塊與處理器的連接方式通常有兩種：直接訪(fǎng)問(wèn)方式和間接控制方式。

　　直接訪(fǎng)問(wèn)方式是指處理器以訪(fǎng)問(wèn)存儲器或I/O設備的方式控制液晶控制模塊工作，模塊的數據線(xiàn)與處理器的數據總線(xiàn)連接，片選及寄存器選擇由處理器的地址總線(xiàn)提供，讀和寫(xiě)操作由處理器的讀寫(xiě)操作信號控制；而在間接控制方式中，處理器通過(guò)自身或系統的并行接口與液晶控制模塊相連，處理器通過(guò)I/O接口的操作間接實(shí)現對模塊的控制。 本系統采用的是直接訪(fǎng)問(wèn)方式，如圖1所示。使用ARM處理器AT91SAM7S64的引腳完全可編程和復用功能，以4路模擬顯示模塊控制信號，8路作為數據線(xiàn)。這樣即充分發(fā)揮了T91SAM7S64處理器功能強大、資源豐富的優(yōu)點(diǎn)，又簡(jiǎn)化了控制并易于實(shí)現編程。

　　圖1：ARM與LCD的接口示意圖

　　軟件實(shí)現 本系統對圖形顯示方式進(jìn)行編程。圖形顯示方式可顯示任何形狀的圖形（包括字符），在該方式下，T6963C還可以提供對“位”的操作，即通過(guò)命令控制液晶屏上的任意一點(diǎn)是否顯示。每個(gè)點(diǎn)的顯示狀態(tài)用一位二進(jìn)制信息表示，當這一位信息為“1”時(shí)顯示屏上相應的點(diǎn)就顯示，為“0”時(shí)則不顯示。 但由于本設計中采用的是32位ARM處理器，而不是8位的51系列，因此在直接控制方式下的編程過(guò)程中，應注意數據的對應關(guān)系。 1. T6963指令集及時(shí)序 T6963擁有一系列操作指令，通過(guò)這些指令可以實(shí)現對顯示屏的控制。在設計過(guò)程中，根據T6963的指令系統以及時(shí)序信號波形圖等進(jìn)行編程。T6963指令系統見(jiàn)表1。液晶顯示模塊的控制引腳和讀寫(xiě)信號的控制關(guān)系如圖2所示。

　　表1：T6963指令表

　　圖2：T6963信號時(shí)序圖

　　2. 程序流程圖 通常液晶顯示編程的過(guò)程是：首先編寫(xiě)狀態(tài)查詢(xún)、寫(xiě)指令、寫(xiě)數據、讀數據等子程序；然后編寫(xiě)清屏、畫(huà)點(diǎn)等基本子程序；在此基礎上編寫(xiě)程序以顯示字符、數字、漢字及復雜的圖形等。每條指令的執行都是先送入參數，再送入指令代碼，因此每次操作之前最好先進(jìn)行狀態(tài)字檢測。 通過(guò)對內置T6963點(diǎn)陣式液晶顯示的軟件設計，可以發(fā)現該液晶顯示控制模塊的控制語(yǔ)句簡(jiǎn)單、調試方便。T6963C內部通過(guò)一根地址線(xiàn)來(lái)確定兩個(gè)寄存器，當地址線(xiàn)為低電平，選擇DATA寄存器；當地址線(xiàn)為高電平，則選擇COMMAND/STATUS寄存器。在對T6963C發(fā)送每條指令或參數前，必須先讀取COMMAND/STATUS寄存器以檢查T(mén)6963C的狀態(tài)字。狀態(tài)字節的含義如下： STA0：1/0，指令讀寫(xiě)狀態(tài)為準備好/忙；

　　STA1：1/0，數據讀寫(xiě)狀態(tài)為準備好/忙；

　　STA2：1/0，數據自動(dòng)讀狀態(tài)為準備好/忙；

　　STA3：1/0，數據自動(dòng)寫(xiě)狀態(tài)為準備好/忙；

　　STA4：未用；

　　STA5：1/0，控制器運行檢測可能/不能；

　　STA6：1/0，屏讀/拷貝狀態(tài)為出錯/正確；

　　STA7：1/0，閃爍狀態(tài)檢測為正常顯示/關(guān)顯示。 由于各狀態(tài)位的含義不同，因此在不同的場(chǎng)合應檢測不同的狀態(tài)位。在CPU對T6963C中每一字節的指令或數據進(jìn)行讀寫(xiě)前，應先將STA0和STA1同時(shí)置為“準備好”狀態(tài)。T6963C模塊的控制指令可帶有0個(gè)、1個(gè)或2個(gè)參數。在執行每條指令時(shí)都是先送入參數（如果有的話(huà)），再送入指令代碼。當向T6963C讀、寫(xiě)數據或寫(xiě)入命令時(shí)，必須嚴格遵循T6963C的時(shí)序。如果送入的參數多于規定個(gè)數，則認為最后一次送入的有效。每次操作之前必須先進(jìn)行狀態(tài)字檢測。

圖3a給出了顯示操作的流程框圖

　　圖3：（a） 顯示操作流程框圖；（b） 雙參數指令傳輸過(guò)程。 以上每個(gè)步驟又需要完成以下流程：對于無(wú)參數或自動(dòng)指令，以上過(guò)程僅執行1次，單參數指令需執行2次，而雙參數指令則需執行3次（前2次傳參數，最后1次傳指令）。圖3b以雙參數指令為例給出了指令傳輸過(guò)程。 檢測程序如下： //指令、數據讀寫(xiě)狀態(tài)檢查 void RWCheck（）

　　{

　　unsigned int dat = 0;

　　do

　　{

　　*AT91C_PIOB_CODR=CS;

　　*AT91C_PIOA_ODSR = DATA_BUS;

　　*AT91C_PIOB_SODR = A0;

　　*AT91C_PIOB_CODR = RD;

　　delay_bus（）;

　　dat=*AT91C_PIOA_PDSR;//讀出當前PIO管腳狀態(tài)

　　dat = 0x00600000dat;//取出需要的數據位，看STA0，STA1是否準備好

　　delay_bus（）;

　　*AT91C_PIOA_SODR = RD;

　　delay_bus（）;

　　*AT91C_PIOA_SODR=CS;

　　} 3. 漢字顯示 以本系統的顯示模塊LCM240128為例，液晶顯示屏上橫向的8個(gè)點(diǎn)是一個(gè)字節數據，某位為1則對應點(diǎn)變亮，對于240×128的顯示模塊來(lái)說(shuō)，每行為240點(diǎn)，每列為128點(diǎn)。每個(gè)字節在顯示緩沖區中均有對應的地址，液晶屏幕的左上角橫向8個(gè)點(diǎn)對應液晶模塊顯示緩沖區的首地址。最常見(jiàn)的顯示方式有兩種，以常用的16×16點(diǎn)陣漢字為例，一種是先將左半部16個(gè)字節寫(xiě)入顯示緩沖區，再寫(xiě)入右半部的16個(gè)字節；另一種則先寫(xiě)入上半部的16個(gè)字節，再寫(xiě)入下半部的16個(gè)字節。然后單片機通過(guò)接口電路，按照規定的時(shí)序將待顯示漢字字模的所有字節按液晶控制器規定的方式，在預定位置寫(xiě)入液晶控制器緩沖區。程序如下： void ShowHZ（unsigned int lin，unsigned int column，unsigned int hzcode）

　　{

　　unsigned char i;

　　unsigned int StartAddr = 0;

　　StartAddr=lin*LineChar column; //定位起始行

　　for（i=0;i《16;i ）

　　{

　　OutPortCom3（（unsigned char）（StartAddr）， （unsigned char）（StartAddr》》8）， 0x24）;

　　OutPortCom2（ HZTable［hzcode］［i*2］， 0xc0）; //左半部 地址加一

　　OutPortCom2（ HZTable［hzcode］［i*2 1］， 0xc4）; //右半部 字模地址加一

　　StartAddr=StartAddr LineChar;

　　}

　　} 4. 圖形顯示 固定格式的圖形圖像顯示與在圖形方式下顯示漢字類(lèi)似，即先確定點(diǎn)陣信息，再送入顯示位置對應的緩沖區中。

　　實(shí)際上，每個(gè)漢字都是一幅圖像，只是在處理坐標數據時(shí)有所不同。與漢字顯示的主要區別是：圖形顯示中數據需逐點(diǎn)生成并按一定算法逐點(diǎn)送入緩沖區單元；為獲得良好的顯示效果，標準圖元（直線(xiàn)、圓、橢圓等）可利用圖形學(xué)中的某些生成算法。由于硬件要求一次掃1行，因此必須先找到該點(diǎn)所在的行地址，然后在字節內計算點(diǎn)的位置，將該位置1；若是擦除，則將該位置0。畫(huà)點(diǎn)是實(shí)現其它圖形的基礎，利用畫(huà)點(diǎn)程序，只需按照圖形學(xué)算法控制坐標變量x、y并移位，然后逐一畫(huà)點(diǎn)，就能組成任何圖形。

　　5. 動(dòng)態(tài)顯示 當動(dòng)態(tài)顯示圖形時(shí)，用T6963C控制器的命令和功能編程，獲得變參數的各種基本圖形函數，以顯示不同的圖形，在動(dòng)態(tài)圖形顯示之前將固定的圖形采用屏拷貝方式保存下來(lái)，動(dòng)態(tài)圖形顯示結束時(shí)恢復原來(lái)的圖形。漢字字符和數字字符的固定顯示在初始化過(guò)程中完成，動(dòng)態(tài)顯示則直接用覆蓋的方式完成。 無(wú)論漢字、數字、英文字符或圖形，液晶顯示控制器都視為在規定區域根據給定數據控制各個(gè)點(diǎn)的顯示，它們的顯示控制原理并沒(méi)有本質(zhì)區別，這樣在編程時(shí)就可以將所有顯示內容都當作圖形處理。

　　驅動(dòng)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，具有模塊化的結構和代碼可移植性，且通用性較好。

　　本文小結 采用點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊將使顯示更直觀(guān)、界面更豐富。直接訪(fǎng)問(wèn)方式的驅動(dòng)程序比間接控制方式更精簡(jiǎn)一些，程序的運行效率也較高。本文中的程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通用性強、移植方便。該方法及程序在系統顯示部分中，顯示清晰、工作穩定。具有模塊化結構和代碼可移植性，且通用性較好，在嵌入式系統中有一定代表性和廣泛用途。

　　怎樣寫(xiě) Linux LCD 驅動(dòng)程序：

　　基本原理

　　通過(guò) framebuffer ，應用程序用 mmap 把顯存映射到應用程序虛擬地址空間，將要顯示的數據寫(xiě)入這個(gè)內存空間就可以在屏幕上顯示出來(lái)；

　　驅動(dòng)程序分配系統內存作為顯存；實(shí)現 file_operations 結構中的接口，為應用程序服務(wù)；實(shí)現 fb_ops 結構中的接口，控制和操作 LDC 控制器；

　　驅動(dòng)程序將顯存的起始地址和長(cháng)度傳給 LCD 控制器的寄存器 （一般由 fb_set_var 完成） ， LDC 控制器會(huì )自動(dòng)的將顯存中的數據顯示在 LCD 屏上。

　　寫(xiě) framebuffer 驅動(dòng)程序要做什么

　　簡(jiǎn)單的講，framebuffer 驅動(dòng)的功能就是分配一塊內存作顯存，然后對 LCD 控制器的寄存器作一些設置。

　　具體來(lái)說(shuō)：

　　填充一個(gè) fbinfo 結構

　　用 reigster_framebuffer （fbinfo*） 將 fbinfo 結構注冊到內核

　　對于 fbinfo 結構，最主要的是它的 fs_ops 成員，需要針對具體設備實(shí)現 fs_ops 中的接口

　　考慮是否使用中斷處理

　　考慮內存訪(fǎng)問(wèn)方式

　　顯卡不自帶顯存的，分配系統內存作為顯存

　　顯卡自帶顯存的，用 I/O 內存接口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn) （request_mem_region / ioremap），

　　關(guān)于LCD 設備資料可參考如下資料：

　　Datasheet of LCD device

　　書(shū)：液晶顯示技術(shù)

　　書(shū)：液晶顯示器件

　　什么是 frame buffer 設備

　　frame buffer 設備是圖形硬件的抽象，它代表了圖形硬件的偵緩沖區，允許應 用程序通過(guò)指定的接口訪(fǎng)問(wèn)圖形硬件。因此，應用程序不必關(guān)心底層硬件細節。

　　設備通過(guò)特定的設備節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)，通常在 /dev 目錄下，如 /dev/fb*。

　　更多關(guān)于 frame buffer device 的資料可以在以下兩個(gè)文件中找到： linux /Documentation/fb/framebuffer.txt 和 linux /Documentation/fb /interal.txt，但這些資料內容不多，還需要看看結合代碼具體分析。

　　Linux Frame Buffer 驅動(dòng)程序層次結構

　　Frame Buffer 設備驅動(dòng)可以從三個(gè)層次來(lái)看：

　　應用程序與系統調用；

　　適用于所有設備的通用代碼，避免重復，包括 file_operations 結構、register/unregister framebuffer 接口等；

　　操作具體硬件的代碼，主要是 fs_ops 結構。

　　在 Linux 內核中，Frame Buffer 設備驅動(dòng)的源碼主要在以下兩個(gè)文件中，它們 處于 frame buffer 驅動(dòng)體系結構的中間層，它為上層的用戶(hù)程序提供系統調用， 也為底層特定硬件驅動(dòng)提供了接口：

　　linux/inlcude/fb.h

　　linux/drivers/video/fbmem.c

　　數據結構

　　頭文件 fb.h 定義了所有的數據結構：

　　fb_var_screeninfo：描述了一種顯卡顯示模式的所有信息，如寬、高、顏色深度等，不同的顯示模式對應不同的信息；

　　fb_fix_screeninfo：定義了顯卡信息，如 framebuffer 內存的起始地址，地址長(cháng)度等；

　　fb_cmap：設備獨立的 colormap 信息，可以通過(guò) ioctl 的 FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 命令設置 colormap；

　　fb_info：包含當前 video card 的狀態(tài)信息，只有 fb_info 對內核可見(jiàn)；

　　fb_ops ： 應用程序使用 ioctl 系統調用操作底層的 LCD 硬件，fb_ops 結構中定義的方法用于支持這些操作；

　　這些結構相互之間的關(guān)系如下所示：

　　framebuffer 驅動(dòng)主要數據結構

　　接口

　　fbmem.c 實(shí)現了所有驅動(dòng)使用的通用代碼，避免了重復。

　　全局變量：

　　struct fb_info *registered_fb ［FB_MAX］

　　int num_registered_fb;

　　這個(gè)兩個(gè)變量用于記錄正在使用的 fb_info 結構實(shí)例。fb_info 代表 video card 的當前狀態(tài)，所有的 fb_info 結構都放在數組中。當一個(gè) frame buffer 在內核中登記時(shí)，一個(gè)新的 fb_info 結構被加入該數組，num_registered_fb 加 1。

　　fb_drivers 數組：

　　static struct {

　　const char *name;

　　int （*init）（void）;

　　int （*setup）（void）;

　　} fb_drivers［］ __initdata= { 。。。。};

　　若 frame buffer 驅動(dòng)程序是靜態(tài)鏈接到內核中，一個(gè)新的 entry 必須要加到這個(gè)表中。 若該驅動(dòng)程序是使用 insmod/rmmod 動(dòng)態(tài)加載到內核，則不必關(guān)心這個(gè)結構。

　　static struct file_operations fb_ops ={

　　owner： THIS_MODULE，

　　read： fb_read，

　　write： fb_write，

　　ioctl： fb_ioctl，

　　mmap： fb_mmap，

　　open： fb_open，

　　release： fb_release

　　};

　　這是用戶(hù)應用程序的接口，fbmem.c 實(shí)現了這些函數。

　　register/unregister framebuffer：

　　register_framebuffer（struct fb_info *fb_info）

　　unregister_framebuffer（struct fb_info *fb_info）

　　這是底層 frame buffer 設備驅動(dòng)程序的接口。驅動(dòng)程序使用這對函數實(shí)現注冊和撤銷(xiāo)操作。底層驅動(dòng)程序的工作基本上是填充 fb_info 結構，然后注冊它。

　　一個(gè) LCD controller 驅動(dòng)程序

　　實(shí)現一個(gè) LCD controller 驅動(dòng)程序主要做如下兩步：

　　分配系統內存作顯存

　　根據具體的硬件特性，實(shí)現 fb_ops 的接口

　　在 linux/drivers/fb/skeletonfb.c 中有一個(gè) frame buffer 驅動(dòng)程序的框架，它示例了怎樣用很少的代碼實(shí)現一個(gè) frame buffer 驅動(dòng)程序。

　　分配系統內存作為顯存

　　由于大多數 LDC controller 沒(méi)有自己的顯存，需要分配一塊系統內存作為顯存。 這塊系統內存的起始地址和長(cháng)度之后會(huì )被存放在 fb_fix_screeninfo 的 smem_start 和 smem_len 域中。該內存應該是物理上連續的。

　　對于帶獨立顯存的顯卡，使用 request_mem_region 和 ioremap 將顯卡外設內存映射到處理器虛擬地址空間。

　　實(shí)現 fb_ops 結構

　　目前還沒(méi)有討論的 file_operations 方法是 ioctl （）。用戶(hù)應用程序使用 ioctrl 系統調用操作 LCD 硬件。fb_ops 結構中定義的方法為這些操作提供支 持。注意， fb_ops 結構不是 file_operations 結構。fb_ops 是底層操作的抽 象，而 file_operations 為上層系統調用接口提供支持。

　　下面考慮需要實(shí)現哪些方法。ioctl 命令和 fb_ops 結構中的接口之間的關(guān)系如 下所示：

　　FBIOGET_VSCREENINFO fb_get_var

　　FBIOPUT_VSCREENINFO fb_set_var

　　FBIOGET_FSCREENINFO fb_get_fix

　　FBIOPUTCMAP fb_set_cmap

　　FBIOGETCMAP fb_get_cmap

　　FBIOPAN_DISPLAY fb_pan_display

　　只要我們實(shí)現了那些 fb_XXX 函數，那么用戶(hù)應用程序就可以使用 FBIOXXXX 宏 來(lái)操作 LDC 硬件了。那怎么實(shí)現那些接口呢？可以參考下 linux/drivers/video 目錄下的驅動(dòng)程序。

　　在眾多接口中， fb_set_var 是最重要的。它用于設置 video mode 等信息。下 面是實(shí)現 fb_set_var 函數的通用步驟：

　　檢查是否有必要設置 mode

　　設置 mode

　　設置 colormap

　　根據上面的設置重新配置 LCD controller 寄存器

　　其中第四步是底層硬件操作。