嵌入式系統中LCD驅動(dòng)的實(shí)現原理

結合三星公司ARM9系列嵌入式處理器S3C2410，講解如何進(jìn)行LCD驅動(dòng)程序模塊化編程及如何將驅動(dòng)程序靜態(tài)加載進(jìn)系統內核。

LCD（液晶顯示）模塊滿(mǎn)足了嵌入式系統日益提高的要求，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、重量輕和超薄等很多優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)嵌入式系統的應用越來(lái)越廣泛，功能也越來(lái)越強大，對系統中的人機界面的要求也越來(lái)越高，在應用需求的驅使下，許多工作在Linux下的圖形界面軟件包的開(kāi)發(fā)和移植工作中都涉及到底層LCD驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)問(wèn)題。因此在嵌入式系統中開(kāi)發(fā)LCD驅動(dòng)得以廣泛運用。

本文以三星公司ARM9內核芯片S3C2410的LCD接口為基礎，介紹了在Linux平臺上開(kāi)發(fā)嵌入式LCD驅動(dòng)程序的一般方法。

本文硬件采用三星公司的S3C2410芯片的開(kāi)發(fā)板，軟件采用Linux 2.4.19平臺，編譯器為arm-linux-gcc的交叉編譯器，使用640×480分辨率的TFT彩色LCD，通過(guò)對其Linux驅動(dòng)程序進(jìn)行改寫(xiě)和調試，成功地實(shí)現了對該種屏的驅動(dòng)和顯示。

嵌入式驅動(dòng)的概念

設備驅動(dòng)程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口，設備驅動(dòng)程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來(lái)，硬件設備只是一個(gè)設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。設備驅動(dòng)程序是內核的一部分，它主要完成的功能有：對設備進(jìn)行初始化和釋放；把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據；讀取應用程序傳送給設備文件的數據、回送應用程序請求的數據以及檢測和處理設備出現的錯誤。

Linux將設備分為最基本的兩大類(lèi)：一類(lèi)是字符設備，另一類(lèi)是塊設備。字符設備和塊設備的主要區別是：在對字符設備發(fā)出讀/寫(xiě)請求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著(zhù)發(fā)生了。字符設備以單個(gè)字節為單位進(jìn)行順序讀寫(xiě)操作，通常不使用緩沖技術(shù)；塊設備則是以固定大小的數據塊進(jìn)行存儲和讀寫(xiě)的，如硬盤(pán)、軟盤(pán)等，并利用一塊系統內存作為緩沖區。為提高效率，系統對于塊設備的讀寫(xiě)提供了緩存機制，由于涉及緩沖區管理、調度和同步等問(wèn)題，實(shí)現起來(lái)比字符設備復雜得多。LCD是以字符設備方式加以訪(fǎng)問(wèn)和管理的，Linux把顯示驅動(dòng)看做字符設備，把要顯示的數據一字節一字節地送往LCD驅動(dòng)器。

Linux的設備管理是和文件系統緊密結合的，各種設備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱(chēng)為設備文件。應用程序可以打開(kāi)、關(guān)閉和讀寫(xiě)這些設備文件，完成對設備的操作，就像操作普通的數據文件一樣。為了管理這些設備，系統為設備編了號，每個(gè)設備號又分為主設備號和次設備號。主設備號用來(lái)區分不同種類(lèi)的設備，而次設備號用來(lái)區分同一類(lèi)型的多個(gè)設備。對于常用設備，Linux有約定俗成的編號，如硬盤(pán)的主設備號是3。Linux為所有的設備文件都提供了統一的操作函數接口，方法是使用數據結構struct file_operations。這個(gè)數據結構中包括許多操作函數的指針，如open()、close()、read()和write()等，但由于外設的種類(lèi)較多，操作方式各不相同。Struct file_operations結構體中的成員為一系列的接口函數，如用于讀/寫(xiě)的read/write函數和用于控制的ioctl等。打開(kāi)一個(gè)文件就是調用這個(gè)文件file_operations中的open操作。不同類(lèi)型的文件有不同的file_operations成員函數，如普通的磁盤(pán)數據文件，接口函數完成磁盤(pán)數據塊讀寫(xiě)操作；而對于各種設備文件，則最終調用各自驅動(dòng)程序中的I/O函數進(jìn)行具體設備的操作。這樣，應用程序根本不必考慮操作的是設備還是普通文件，可一律當作文件處理，具有非常清晰統一的I/O接口。所以file_operations是文件層次的I/O接口。

LCD控制器

LCD控制器的功能是顯示驅動(dòng)信號，進(jìn)而驅動(dòng)LCD。用戶(hù)只需要通過(guò)讀寫(xiě)一系列的寄存器，完成配置和顯示驅動(dòng)。在驅動(dòng)LCD設計的過(guò)程中首要的是配置LCD控制器，而在配置LCD控制器中最重要的一步則是幀緩沖區（FrameBuffer）的指定。用戶(hù)所要顯示的內容皆是從緩沖區中讀出，從而顯示到屏幕上的。幀緩沖區的大小由屏幕的分辨率和顯示色彩數決定。驅動(dòng)幀緩沖的實(shí)現是整個(gè)驅動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的重點(diǎn)。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT兩種液晶。對于STN 液晶平板，該LCD控制器可支持4位雙掃描、4位單掃描和8位單掃描三種顯示類(lèi)型，支持4級和16級灰度級單色顯示模式，支持256色和4096色顯示，可接多種分辨率的LCD，例如640×480、320×240和160×160等，在256色顯示模式時(shí)，最大可支持4096×1024、2048×2048和1024×4096顯示。TFT液晶平板可支持1-2-4-8bpp（bits per pixel）調色板顯示模式和16bpp非調色板真彩顯示。

幀緩沖區是出現在Linux 2.2.xx及以后版本內核當中的一種驅動(dòng)程序接口，這種接口將顯示設備抽象為幀緩沖區設備區。幀緩沖區為圖像硬件設備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設備,允許應用軟件通過(guò)定義明確的界面來(lái)訪(fǎng)問(wèn)圖像硬件設備。這樣軟件無(wú)須了解任何涉及硬件底層驅動(dòng)的東西（如硬件寄存器）。它允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)和I/O控制等操作。通過(guò)專(zhuān)門(mén)的設備節點(diǎn)可對該設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，如/dev/fb*。用戶(hù)可以將它看成是顯示內存的一個(gè)映像，將其映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而讀寫(xiě)操作可以反映到LCD。

幀緩沖設備對應的設備文件是/dev/fb*。如果系統有多個(gè)顯卡，Linux還支持多個(gè)幀緩沖設備，最多可達32個(gè)，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb則指向當前的幀緩沖設備，通常情況下，默認的幀緩沖設備為/dev/fb0。

幀緩沖設備也屬于字符設備，采用“文件層-驅動(dòng)層”的接口方式。在文件層為之定義了以下數據結構。

Static struct file_operations fb_fops={

ower: THIS_MODULE,

read: fb_read, /*讀操作*/

write: fb_write, /*寫(xiě)操作*/

ioct1: fb_ioct1, /*I/O操作*/

mmap: fb_mmap, /*映射操作*/

open: fb_open, /*打開(kāi)操作*/

release: fb_release, /*關(guān)閉操作*/

}

其成員函數都在linux/driver/video/fbmem.c中定義，其中的函數對具體的硬件進(jìn)行操作，對寄存器進(jìn)行設置，對顯示緩沖進(jìn)行映射。主要結構體還有以下幾個(gè)。

Struct fb_fix_screeninfo：記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的不可修改信息。它包含了屏幕緩沖區的物理地址和長(cháng)度。

Struct fb_var_screeninfo：記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的可修改信息。它包括顯示屏幕的分辨率、每個(gè)像素的比特數和一些時(shí)序變量。其中變量xres定義了屏幕一行所占的像素數，yres定義了屏幕一列所占的像素數，bits_per_pixel定義了每個(gè)像素用多少個(gè)位來(lái)表示。

Struct fb_info：Linux為幀緩沖設備定義的驅動(dòng)層接口。它不僅包含了底層函數，而且還有記錄設備狀態(tài)的數據。每個(gè)幀緩沖設備都與一個(gè)fb_info結構相對應。其中成員變量modename為設備名稱(chēng)，fontname為顯示字體，fbops為指向底層操作的函數的指針。

LCD驅動(dòng)開(kāi)發(fā)的主要工作

1 編寫(xiě)初始化函數

初始化函數首先初始化LCD控制器，通過(guò)寫(xiě)寄存器設置顯示模式和顏色數，然后分配LCD顯示緩沖區。在Linux中可以用kmalloc()函數分配一段連續的空間。緩沖區大小為：點(diǎn)陣行數×點(diǎn)陣列數×用于表示一個(gè)像素的比特數/8。緩沖區通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制寄存器中。本文采用的LCD顯示方式為640×480，16位彩色，則需要分配的顯示緩沖區為640×480×2=600kb。最后是初始化一個(gè)fb_info結構，填充其中的成員變量，并調用register_framebuffer(&fb_info)，將fb_info登記入內核。

2 編寫(xiě)成員函數

編寫(xiě)結構fb_info中函數指針fb_ops對應的成員函數，對于嵌入式系統的簡(jiǎn)單實(shí)現，只需要下列三個(gè)函數就可以了。

struct fb_ops{

…… int (*fb_get_fix)(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con, struct fb_info *info);

int (*fb_get_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info);

int (*fb_set_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info);

……

}

Struct fb_ops在include/linux/fb.h中定義。這些函數都是用來(lái)設置/獲取fb_info結構中的成員變量的。當應用程序對設備文件進(jìn)行ioctl操作時(shí)候會(huì )調用它們。對于fb_get_fix()，應用程序傳入的是fb_fix_screeninfo結構，在函數中對其成員變量賦值，主要是smem_start（緩沖區起始地址）和smem_len（緩沖區長(cháng)度），最終返回給應用程序。而fb_set_var()函數的傳入參數是fb_var_screeninfo，函數中需要對xres、yres和bits_per_pixel賦值。

對于/dev/fb，對顯示設備的操作主要有以下幾種。

讀/寫(xiě)（read/write）/dev/fb：相當于讀/寫(xiě)屏幕緩沖區。

映射（map）操作：由于Linux工作在保護模式，每個(gè)應用程序都有自己的虛擬地址空間，在應用程序中是不能直接訪(fǎng)問(wèn)物理緩沖區地址的。為此，Linux在文件操作 file_operations結構中提供了mmap函數，可將文件的內容映射到用戶(hù)空間。對于幀緩沖設備，則可通過(guò)映射操作，可將屏幕緩沖區的物理地址映射到用戶(hù)空間的一段虛擬地址中，之后用戶(hù)就可以通過(guò)讀寫(xiě)這段虛擬地址訪(fǎng)問(wèn)屏幕緩沖區，在屏幕上繪圖了。

I/O控制：對于幀緩沖設備，對設備文件的ioctl操作可讀取/設置顯示設備及屏幕的參數，如分辨率、顯示顏色數和屏幕大小等。ioctl的操作是由底層的驅動(dòng)程序來(lái)完成的。在應用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下：打開(kāi)/dev/fb設備文件；用ioctrl操作取得當前顯示屏幕的參數，如屏幕分辨率和每個(gè)像素的比特數，根據屏幕參數可計算屏幕緩沖區的大??；將屏幕緩沖區映射到用戶(hù)空間；映射后即可直接讀寫(xiě)屏幕緩沖區，進(jìn)行繪圖和圖片顯示了。

LCD模塊化驅動(dòng)

在對S3C2410的LCD編寫(xiě)模塊化驅動(dòng)程序時(shí)，首先要從內核中去除LCD驅動(dòng)。這里需要做一些改動(dòng)，系統調用被加在以下文件中，需去除：/root/usr/src/arm/linux/kernel/sys.c；/root/usr/src/arm/linux/include/arm-arm下的unistd.h和lcd.h；/root/usr/src/arm/linux/arch/arm/kernel下的calls.s。

編寫(xiě)模塊化驅動(dòng)程序，有以下幾個(gè)關(guān)鍵的函數。

lcd_kernel_init(void)//當模塊被載入時(shí)執行

lcd_kernel_exit(void)//當模塊被移出內核空間時(shí)被執行

lcd_kernel1_ioctl(struct*inode, struct*file, unsigned int cmd, unsigned longarg) //其他功能

每當裝配設備驅動(dòng)程序時(shí)，系統自動(dòng)調用初始化模塊lcd_kernel_init(void)。

另一個(gè)必須提供的函數是lcd_kernel_exit(void)，它在模塊被卸載時(shí)調用，負責進(jìn)行設備驅動(dòng)程序的工作。

執行insmod lcd.o命令即可將LCD驅動(dòng)添加到內核中，執行rmmod lcd命令即可從內核中刪除LCD驅動(dòng)。

靜態(tài)加載LCD驅動(dòng)

將寫(xiě)好的lcd驅動(dòng)程序lcd.c放到arm/linux/drivers/char目錄下，修改arm/linux/drivers/char/config.in文件，加上一行：BoolLCD driver supportCONFIG_LCD；修改arm/linux/drivers/char/Makefile文件，加上一行：obj-$(CONFIG_LCD)+=lcd.o。

這樣，當再進(jìn)行make xconfig時(shí)，就會(huì )選擇是否將LCD驅動(dòng)編譯進(jìn)內核。同樣的辦法也可用在其他設備上。