嵌入式系統(tǒng)中LCD驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)原理

結(jié)合三星公司ARM9系列嵌入式處理器S3C2410，講解如何進(jìn)行LCD驅(qū)動(dòng)程序模塊化編程及如何將驅(qū)動(dòng)程序靜態(tài)加載進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)核。

LCD（液晶顯示）模塊滿足了嵌入式系統(tǒng)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)。隨著嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，功能也越來越強(qiáng)大，對(duì)系統(tǒng)中的人機(jī)界面的要求也越來越高，在應(yīng)用需求的驅(qū)使下，許多工作在Linux下的圖形界面軟件包的開發(fā)和移植工作中都涉及到底層LCD驅(qū)動(dòng)的開發(fā)問題。因此在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)LCD驅(qū)動(dòng)得以廣泛運(yùn)用。

本文以三星公司ARM9內(nèi)核芯片S3C2410的LCD接口為基礎(chǔ)，介紹了在Linux平臺(tái)上開發(fā)嵌入式LCD驅(qū)動(dòng)程序的一般方法。

本文硬件采用三星公司的S3C2410芯片的開發(fā)板，軟件采用Linux 2.4.19平臺(tái)，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，通過對(duì)其Linux驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行改寫和調(diào)試，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)該種屏的驅(qū)動(dòng)和顯示。

嵌入式驅(qū)動(dòng)的概念

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它主要完成的功能有：對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)、回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)以及檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

Linux將設(shè)備分為最基本的兩大類：一類是字符設(shè)備，另一類是塊設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是：在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了。字符設(shè)備以單個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行順序讀寫操作，通常不使用緩沖技術(shù)；塊設(shè)備則是以固定大小的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行存儲(chǔ)和讀寫的，如硬盤、軟盤等，并利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)。為提高效率，系統(tǒng)對(duì)于塊設(shè)備的讀寫提供了緩存機(jī)制，由于涉及緩沖區(qū)管理、調(diào)度和同步等問題，實(shí)現(xiàn)起來比字符設(shè)備復(fù)雜得多。LCD是以字符設(shè)備方式加以訪問和管理的，Linux把顯示驅(qū)動(dòng)看做字符設(shè)備，把要顯示的數(shù)據(jù)一字節(jié)一字節(jié)地送往LCD驅(qū)動(dòng)器。

Linux的設(shè)備管理是和文件系統(tǒng)緊密結(jié)合的，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為設(shè)備文件。應(yīng)用程序可以打開、關(guān)閉和讀寫這些設(shè)備文件，完成對(duì)設(shè)備的操作，就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。為了管理這些設(shè)備，系統(tǒng)為設(shè)備編了號(hào)，每個(gè)設(shè)備號(hào)又分為主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)用來區(qū)分不同種類的設(shè)備，而次設(shè)備號(hào)用來區(qū)分同一類型的多個(gè)設(shè)備。對(duì)于常用設(shè)備，Linux有約定俗成的編號(hào)，如硬盤的主設(shè)備號(hào)是3。Linux為所有的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，方法是使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括許多操作函數(shù)的指針，如open()、close()、read()和write()等，但由于外設(shè)的種類較多，操作方式各不相同。Struct file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員為一系列的接口函數(shù)，如用于讀/寫的read/write函數(shù)和用于控制的ioctl等。打開一個(gè)文件就是調(diào)用這個(gè)文件file_operations中的open操作。不同類型的文件有不同的file_operations成員函數(shù)，如普通的磁盤數(shù)據(jù)文件，接口函數(shù)完成磁盤數(shù)據(jù)塊讀寫操作；而對(duì)于各種設(shè)備文件，則最終調(diào)用各自驅(qū)動(dòng)程序中的I/O函數(shù)進(jìn)行具體設(shè)備的操作。這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是普通文件，可一律當(dāng)作文件處理，具有非常清晰統(tǒng)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(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)LCD。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，完成配置和顯示驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)LCD設(shè)計(jì)的過程中首要的是配置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(qū)（FrameBuffer）的指定。用戶所要顯示的內(nèi)容皆是從緩沖區(qū)中讀出，從而顯示到屏幕上的。幀緩沖區(qū)的大小由屏幕的分辨率和顯示色彩數(shù)決定。驅(qū)動(dòng)幀緩沖的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程的重點(diǎn)。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT兩種液晶。對(duì)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型，支持4級(jí)和16級(jí)灰度級(jí)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(diào)色板顯示模式和16bpp非調(diào)色板真彩顯示。

幀緩沖區(qū)是出現(xiàn)在Linux 2.2.xx及以后版本內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口，這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)設(shè)備區(qū)。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設(shè)備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設(shè)備,允許應(yīng)用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設(shè)備。這樣軟件無須了解任何涉及硬件底層驅(qū)動(dòng)的東西（如硬件寄存器）。它允許上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫和I/O控制等操作。通過專門的設(shè)備節(jié)點(diǎn)可對(duì)該設(shè)備進(jìn)行訪問，如/dev/fb*。用戶可以將它看成是顯示內(nèi)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)行讀寫操作，而讀寫操作可以反映到LCD。

幀緩沖設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件是/dev/fb*。如果系統(tǒng)有多個(gè)顯卡，Linux還支持多個(gè)幀緩沖設(shè)備，最多可達(dá)32個(gè)，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb則指向當(dāng)前的幀緩沖設(shè)備，通常情況下，默認(rèn)的幀緩沖設(shè)備為/dev/fb0。

幀緩沖設(shè)備也屬于字符設(shè)備，采用“文件層-驅(qū)動(dòng)層”的接口方式。在文件層為之定義了以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

Static struct file_operations fb_fops={

ower: THIS_MODULE,

read: fb_read, /*讀操作*/

write: fb_write, /*寫操作*/

ioct1: fb_ioct1, /*I/O操作*/

mmap: fb_mmap, /*映射操作*/

open: fb_open, /*打開操作*/

release: fb_release, /*關(guān)閉操作*/

}

其成員函數(shù)都在linux/driver/video/fbmem.c中定義，其中的函數(shù)對(duì)具體的硬件進(jìn)行操作，對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)顯示緩沖進(jìn)行映射。主要結(jié)構(gòu)體還有以下幾個(gè)。

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

Struct fb_var_screeninfo：記錄了幀緩沖設(shè)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?cái)?shù)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?cái)?shù)，yres定義了屏幕一列所占的像素?cái)?shù)，bits_per_pixel定義了每個(gè)像素用多少個(gè)位來表示。

Struct fb_info：Linux為幀緩沖設(shè)備定義的驅(qū)動(dòng)層接口。它不僅包含了底層函數(shù)，而且還有記錄設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)。每個(gè)幀緩沖設(shè)備都與一個(gè)fb_info結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。其中成員變量modename為設(shè)備名稱，fontname為顯示字體，fbops為指向底層操作的函數(shù)的指針。

LCD驅(qū)動(dòng)開發(fā)的主要工作

1 編寫初始化函數(shù)

初始化函數(shù)首先初始化LCD控制器，通過寫寄存器設(shè)置顯示模式和顏色數(shù)，然后分配LCD顯示緩沖區(qū)。在Linux中可以用kmalloc()函數(shù)分配一段連續(xù)的空間。緩沖區(qū)大小為：點(diǎn)陣行數(shù)×點(diǎn)陣列數(shù)×用于表示一個(gè)像素的比特?cái)?shù)/8。緩沖區(qū)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(qū)為640×480×2=600kb。最后是初始化一個(gè)fb_info結(jié)構(gòu)，填充其中的成員變量，并調(diào)用register_framebuffer(&fb_info)，將fb_info登記入內(nèi)核。

2 編寫成員函數(shù)

編寫結(jié)構(gòu)fb_info中函數(shù)指針fb_ops對(duì)應(yīng)的成員函數(shù)，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的簡單實(shí)現(xiàn)，只需要下列三個(gè)函數(shù)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(shù)都是用來設(shè)置/獲取fb_info結(jié)構(gòu)中的成員變量的。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行ioctl操作時(shí)候會(huì)調(diào)用它們。對(duì)于fb_get_fix()，應(yīng)用程序傳入的是fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)，在函數(shù)中對(duì)其成員變量賦值，主要是smem_start（緩沖區(qū)起始地址）和smem_len（緩沖區(qū)長度），最終返回給應(yīng)用程序。而fb_set_var()函數(shù)的傳入?yún)?shù)是fb_var_screeninfo，函數(shù)中需要對(duì)xres、yres和bits_per_pixel賦值。

對(duì)于/dev/fb，對(duì)顯示設(shè)備的操作主要有以下幾種。

讀/寫（read/write）/dev/fb：相當(dāng)于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。

映射（map）操作：由于Linux工作在保護(hù)模式，每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的虛擬地址空間，在應(yīng)用程序中是不能直接訪問物理緩沖區(qū)地址的。為此，Linux在文件操作 file_operations結(jié)構(gòu)中提供了mmap函數(shù)，可將文件的內(nèi)容映射到用戶空間。對(duì)于幀緩沖設(shè)備，則可通過映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上繪圖了。

I/O控制：對(duì)于幀緩沖設(shè)備，對(duì)設(shè)備文件的ioctl操作可讀取/設(shè)置顯示設(shè)備及屏幕的參數(shù)，如分辨率、顯示顏色數(shù)和屏幕大小等。ioctl的操作是由底層的驅(qū)動(dòng)程序來完成的。在應(yīng)用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下：打開/dev/fb設(shè)備文件；用ioctrl操作取得當(dāng)前顯示屏幕的參數(shù)，如屏幕分辨率和每個(gè)像素的比特?cái)?shù)，根據(jù)屏幕參數(shù)可計(jì)算屏幕緩沖區(qū)的大小；將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間；映射后即可直接讀寫屏幕緩沖區(qū)，進(jìn)行繪圖和圖片顯示了。

LCD模塊化驅(qū)動(dòng)

在對(duì)S3C2410的LCD編寫模塊化驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，首先要從內(nèi)核中去除LCD驅(qū)動(dòng)。這里需要做一些改動(dòng)，系統(tǒng)調(diào)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。

編寫模塊化驅(qū)動(dòng)程序，有以下幾個(gè)關(guān)鍵的函數(shù)。

lcd_kernel_init(void)//當(dāng)模塊被載入時(shí)執(zhí)行

lcd_kernel_exit(void)//當(dāng)模塊被移出內(nèi)核空間時(shí)被執(zhí)行

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

每當(dāng)裝配設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用初始化模塊lcd_kernel_init(void)。

另一個(gè)必須提供的函數(shù)是lcd_kernel_exit(void)，它在模塊被卸載時(shí)調(diào)用，負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作。

執(zhí)行insmod lcd.o命令即可將LCD驅(qū)動(dòng)添加到內(nèi)核中，執(zhí)行rmmod lcd命令即可從內(nèi)核中刪除LCD驅(qū)動(dòng)。

靜態(tài)加載LCD驅(qū)動(dòng)

將寫好的lcd驅(qū)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(dāng)再進(jìn)行make xconfig時(shí)，就會(huì)選擇是否將LCD驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)內(nèi)核。同樣的辦法也可用在其他設(shè)備上。