基于framebuffer技術(shù)的DVI顯示驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

引言

DVI是Digital VisualInterface(數(shù)字視頻接口)的縮寫。在嵌入式電子領(lǐng)域，像DVI這樣的高清接口應(yīng)用越來越多，很多嵌入式產(chǎn)品采用H．264視頻編碼技術(shù)，支持播放H．264格式的720P分辨率的視頻文件，這就需要至少1024×768分辨率的顯示輸出設(shè)備。

MX51是飛思卡爾半導(dǎo)體的基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的高端ARM嵌入式多媒體處理器，支持720P視頻多種格式的硬解碼，可以用來開發(fā)高清機(jī)頂盒、上網(wǎng)本等產(chǎn)品，很多情況下需要集成DVI這樣的高清視頻端子。

在嵌入式電子產(chǎn)品中，Linux操作系統(tǒng)占有越來越多的市場(chǎng)份額。本文采用Linux2．6．28內(nèi)核和MX51作為系統(tǒng)的軟、硬件平臺(tái)，詳細(xì)論述了基于framebtffer技術(shù)開發(fā)DVI顯示驅(qū)動(dòng)程序的方法。

1 DVI概述

DVI接口只在一些高端顯示器上可以看到，一般常見的液晶顯示器只有VGA接口。VGA接口顯示的是模擬信號(hào)，而DVI接口顯示的是數(shù)字信號(hào)，它傳輸沒有經(jīng)過壓縮的數(shù)字信號(hào)，最高速率可達(dá)4．9 Gbps，對(duì)高清視頻顯示可以達(dá)到較好的保真度，減少模擬信號(hào)傳輸時(shí)的信號(hào)損失。

DVI基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，轉(zhuǎn)換最小差分信號(hào))技術(shù)來傳輸數(shù)字信號(hào)，TMDS運(yùn)用先進(jìn)的編碼算法把8位數(shù)據(jù)(R、G、B中的每路基色信號(hào))通過最小轉(zhuǎn)換編碼為10位數(shù)據(jù)(包含行場(chǎng)同步信息、時(shí)鐘信息、數(shù)據(jù)DE、糾錯(cuò)等)，經(jīng)過DC平衡后，采用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。DVI和LVDS、TTL相比有較好的電磁兼容性能，可以用低成本的專用電纜實(shí)現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號(hào)傳輸。

2 硬件接口

本設(shè)計(jì)采用的硬件平臺(tái)是基于飛思卡爾半導(dǎo)體的MX51多媒體應(yīng)用處理器開發(fā)板。該處理器集成了多種外設(shè)接口，其中包括兩個(gè)液晶顯示控制器(LCDC)及其接口，可以連接各類LCD，分辨率最大支持1280×800像素。通過MX51的LCD1接口，外擴(kuò)德州儀器公司的TFP410芯片實(shí)現(xiàn)DVI視頻輸出，MX51的高清720P視頻解碼能力需要較大分辨率的顯示輸出設(shè)備。圖1為MX51的LCD1接口與TFP410的連接圖。

圖1中的TX2±、TX1±、TX0±、TXC±信號(hào)是DVI視頻輸出信號(hào)4對(duì)，8個(gè)信號(hào)。DATA[23：0]是視頻數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，對(duì)應(yīng)MX51 LCD1的DATA[23：0]；DE、VSYNC、HSYNC、IDCK±等時(shí)鐘信號(hào)分別對(duì)應(yīng)LCD1的相應(yīng)的引腳。SCL、SDA是I2C總線時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，接MX51 I2C接口的2個(gè)引腳。以上硬件電路連接，可實(shí)現(xiàn)MX51輸出高清視頻到DVI芯片，再通過外接LCD顯示。MX51處理器內(nèi)部集成的LCD控制器包括如下主要寄存器：

①LSSAR寄存器。設(shè)置顯示緩沖區(qū)的首地址。
②LSR寄存器。設(shè)置顯示緩沖區(qū)的大小。
③LPCR寄存器。設(shè)置像素時(shí)鐘頻率PCD、同步時(shí)鐘極性FB_SYNC_CLK_INVERT、OE信號(hào)極性FB_SYNC_OE_ACT_HIGH、垂直信號(hào)時(shí)鐘極性FB_SY NC_VERT_HIGH_ACT、水平信號(hào)時(shí)鐘極性FB_SYNC_HOR_HIGH_ACT。
④LHCR寄存器。設(shè)置行同步信號(hào)的hsync_len、left_margin和right_margin。
⑤LVCR寄存器。設(shè)置幀同步信號(hào)的vsync_len、upper_margin和lower_margin。
⑥LPCCR寄存器。設(shè)置屏幕的顯示亮度，LPCCR的低8位控制PWM的脈沖高電平占空比，調(diào)節(jié)范圍為0x00～0xFF。

3 Linux的幀緩沖設(shè)備

3．1 framebuffer機(jī)制

framebuffer(幀緩沖)是出現(xiàn)在Linux2．2．xx之后版本內(nèi)核的一種驅(qū)動(dòng)程序接口，在Linux體系中它居于上層應(yīng)用程序和底層顯示設(shè)備之間。framebuffer屏蔽了不同顯示設(shè)備間的差異，將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)，它是一種供用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)直接寫屏的抽象設(shè)備。
framebuffer可以看成是顯存的一個(gè)映像，用戶通過內(nèi)存映射將其映射到進(jìn)程的地址空間后，通過對(duì)顯示緩沖區(qū)的讀寫操作可直接控制LCD的屏幕輸出。

frameBuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要基于linux／include／linux／fb．h和linux／drivers／video／fbmem．c這兩個(gè)文件。fb．h中包含了與幀緩沖設(shè)備相關(guān)的重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。fbmem．c是framebuffer機(jī)制的核心程序，它為上層應(yīng)用程序提供了通用接口，同時(shí)也為下層特定硬件提供了接口。其內(nèi)的函數(shù)可對(duì)具體硬件進(jìn)行操作，比如對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)顯示緩沖進(jìn)行映射等。

3．2 幾個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)struct fb_info

這個(gè)結(jié)構(gòu)是Linux為幀緩沖區(qū)設(shè)備定義的驅(qū)動(dòng)層接口，它包含了關(guān)于幀緩沖設(shè)備屬性和操作的完整描述，部分成員定義如下：

其中，var記錄用戶可以修改的顯示控制器參數(shù)，包括屏幕分辨率和每個(gè)像素的位寬等；fix記錄用戶不能修改的顯示控制器參數(shù)；cmap為當(dāng)前的顏色表；fbops指向?qū)Φ讓佑布僮鞯暮瘮?shù)集；dev表示幀緩沖設(shè)備；screen_base為I／O映射的虛擬基地址。

(2)struct fb_ops

該結(jié)構(gòu)提供了指向底層操作的函數(shù)指針，其成員函數(shù)最終與LCD控制器硬件打交道，這些函數(shù)需要驅(qū)動(dòng)開發(fā)者根據(jù)LCD控制器的硬件設(shè)置及LCD顯示屏的硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)部分成員定義如下：

其中，fb_check_var用于檢查可變的屏幕參數(shù)，并調(diào)整其為硬件支持的值；fb_set_par根據(jù)屏幕參數(shù)設(shè)置具體讀寫LCD控制器的寄存器以使其進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，fb_setcolreg設(shè)置color寄存器來實(shí)現(xiàn)偽顏色表和顏色表的填充。

(3)struct fb_var_screeninfo

這是fb_info的成員結(jié)構(gòu)體。它記錄了幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息，包括屏幕分辨率、每個(gè)像素的位寬、幀延時(shí)、行延時(shí)等。

(4)struct fb_fix_screeninfo

這是fb_info的成員結(jié)構(gòu)體，它描述顯示卡的屬性，并且在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不能被修改，例如緩沖區(qū)的首地址、長度等。當(dāng)一種模式被設(shè)定后，內(nèi)存信息由顯示卡硬件給出，內(nèi)存的位置等信息就不可修改。

MX51將LCD控制器直接嵌入到處理器芯片內(nèi)部，這為嵌入式系統(tǒng)關(guān)于顯示功能的擴(kuò)展提供了直接接口。LCD控制器驅(qū)動(dòng)是DVI設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的framebuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，首要的是配置LCD控制器，設(shè)置幀緩沖區(qū)，這在很大程度上要依賴于上述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需填寫相關(guān)結(jié)構(gòu)體并完成系統(tǒng)指定的接口函數(shù)。

4 DVI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4．1 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)

從Linux2．6起引入了一套新的驅(qū)動(dòng)管理和注冊(cè)機(jī)制：platform_device和platform_driver。
設(shè)備用platform_device表示，驅(qū)動(dòng)用platform_driver注冊(cè)。平臺(tái)設(shè)備包括基于端口的設(shè)備、外圍總線和集成在片上系統(tǒng)中的大多數(shù)控制器，作為MX51片上的獨(dú)立硬件模塊。LCD控制器是一個(gè)平臺(tái)設(shè)備，因此驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中需包含平臺(tái)驅(qū)動(dòng)。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的任務(wù)是向系統(tǒng)注冊(cè)用到的設(shè)備，此處包括MX51的LCD控制器和TFP410 DVI視頻輸出芯片，使得設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載時(shí)可以從系統(tǒng)中查詢到相應(yīng)的設(shè)備是已注冊(cè)的狀態(tài)，然后執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的probe函數(shù)。
在arch／arm／mach-mx51／rex51_3stack．C中，沒置platform_device結(jié)構(gòu)變量mxc_fb_device和i2c_board_info。結(jié)構(gòu)變量mxc_i2cl_ board_info定義LCD控制器和TFP410設(shè)備。

調(diào)用函數(shù)platform_device_register(＆mxc_fb_device)和i2c_register_board_info(1，mxc_i2cl_board_info，ARRAY_SIZE(mxc_i2cl_ board_info))向系統(tǒng)注冊(cè)以上設(shè)備。

4．2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

4．2．1 LCD控制器驅(qū)動(dòng)

LCD控制器驅(qū)動(dòng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)。首先在drivers／video／mxc／mxc_ipuv3_fb．c中定義全局結(jié)構(gòu)變量mxcfb_driver：

然后，在驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)mxcfb_init(void)中調(diào)用platform_driver_register(＆mxcfb_driver)注冊(cè)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)加載成功后，會(huì)自動(dòng)調(diào)用探測(cè)函數(shù)mxcfb_probe。
mxcfb_probe是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的重要函數(shù)。主要負(fù)責(zé)初始化硬件。申請(qǐng)中斷、分配framebuffer所需的內(nèi)存、注冊(cè)幀緩沖設(shè)備等，以下是與framebuffer相關(guān)的操作。

①調(diào)用mxcfb_init_fbinfo(＆pdev->dev，＆mxcfb_ops)函數(shù)，在其內(nèi)通過framebuffer_alloc函數(shù)，為mx51幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體struct mxcfb_info分配所需空間。參數(shù)mxcfb_ops的定義如下：

mxcfb_ops定義了指向底層操作的一系列函數(shù)，這些函數(shù)針對(duì)MX51幀緩沖操作，是framebuffer核心驅(qū)動(dòng)操作的具體實(shí)現(xiàn)。

②初始化幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體fb_info的固定和可變參數(shù)，填充fb_var_screeninfo var和fb_fix_screeninfo fix成員。

定義fbi為struct fb_info類型的指針，通過fbi->fbops=＆mxcfb_ops語句，將已定義的文件操作接口mxcfb_ops賦予fb-info結(jié)構(gòu)的fbops成員。

調(diào)用mxcfb_check_var(＆fbi->var，fbi)函數(shù)，檢查和調(diào)整fb_info結(jié)構(gòu)中變量var的值。var是一個(gè)struct fb_var_screeninfo類型的變量，表示顯示控制器參數(shù)，其中與顯示輸出狀態(tài)有關(guān)的信息，如屏幕分辨率等將在后面的DVI驅(qū)動(dòng)中設(shè)置。

調(diào)用mxcfb_set_fix(fbi)函數(shù)，用于填充一個(gè)struct fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)變量fbi->fix，它描述了顯示輸出設(shè)備自身的屬性。

③調(diào)用register_framebuffer(fbi)函數(shù)，注冊(cè)幀緩沖驅(qū)動(dòng)程序，該函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，即前面已定義的、指向struct fb_info結(jié)構(gòu)的指針fbi。

4．2．2 DVI設(shè)備驅(qū)動(dòng)

LCD控制器將DVI芯片作為它所連接的顯示外設(shè)，在完成LCD控制器驅(qū)動(dòng)后還需編寫DVI設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在文件drivers／video／mxc／mxcfb_ dvi．c中定義驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體：

然后，在外設(shè)驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)dvi_init(void)中調(diào)用platform_driver_regtster(＆dvi_driver)注冊(cè)DVI驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)加載后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用探測(cè)函數(shù)dvi_probe，該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)以下操作：一是指定framebuffer設(shè)備，由于MX51IPU(圖像處理單元)支持多個(gè)framebuffer設(shè)備，此處要確定DVI究竟使用Mx51 IPU framebuffer的哪一個(gè)設(shè)備；二是填充fb_var_screeninfo結(jié)構(gòu)變量var中有關(guān)顯示輸出狀態(tài)的信息，如屏幕的顯示分辨率、畫面位置等，為此在程序中定義結(jié)構(gòu)數(shù)組video_modes：

結(jié)構(gòu)struct fb_videomode用于描述顯示輸出狀態(tài)，調(diào)用函數(shù)“fb_videomode_to_var(＆var，＆video_modes[0])”將屏幕顯示參數(shù)轉(zhuǎn)換為var結(jié)構(gòu)變量的相關(guān)成員，由于var的部分成員值已在前面LCD控制器驅(qū)動(dòng)中確定，此處完成了對(duì)var全部成員的設(shè)置。

一個(gè)frambuffer設(shè)備由一個(gè)struct fb_info結(jié)構(gòu)表示，本設(shè)計(jì)用fb_info結(jié)構(gòu)的全局變量regtstered_fb表示系統(tǒng)注冊(cè)的frambuffer設(shè)備，驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)之一是填充這個(gè)結(jié)構(gòu)變量。LCD控制器驅(qū)動(dòng)與DVI外設(shè)驅(qū)動(dòng)之間的信息傳遞，通過該全局變量實(shí)現(xiàn)。

5 DVI驅(qū)動(dòng)測(cè)試

首先，通過顯示一幅圖片測(cè)試DVI輸出是否正常。通過轉(zhuǎn)換工具(如Image21cd)把一幅1024×768大小的jpg圖片轉(zhuǎn)換為RGB 888分辨率、1024x 768的RGB格式的二進(jìn)制圖片。然后鍵入命令：cp pic．bin／dev／fb0，此時(shí)圖片顯示于屏幕上。接下來，再使用MX51的視頻解碼測(cè)試程序播放一個(gè)720P的視頻H．264文件，可以看到視頻播放清晰流暢，效果很好。

結(jié)語

經(jīng)測(cè)試，DVI驅(qū)動(dòng)程序在MX51平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)。framebuffer是Linux提供給用戶的一個(gè)直接面向顯示緩沖區(qū)的接口，本設(shè)計(jì)是一個(gè)面向應(yīng)用的framebuffer驅(qū)動(dòng)，文中給出了DVI驅(qū)動(dòng)的整體架構(gòu)，對(duì)主要模塊的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。