基于SEP4O2O的Linux frame buffer驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，液晶顯示屏廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA、金融終端等電子產(chǎn)品上，而在嵌入式電子領(lǐng)域，Linux操作系統(tǒng)占有越來(lái)越大的市場(chǎng)份額。因而本文提出在嵌入式Linux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的功能，詳細(xì)敘述了液晶顯示屏在SEP4020微處理器為基礎(chǔ)的平臺(tái)上的Framebuffer驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

1 液晶顯示器原理
1．1 液晶顯示器種類
    液晶顯示器(LCD)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、簡(jiǎn)單矩陣驅(qū)動(dòng)以及主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)三種。其中，簡(jiǎn)單矩陣型又可以再分為扭轉(zhuǎn)向列(TN)和超扭轉(zhuǎn)式向列型(STN)兩種，而主動(dòng)矩陣則以薄膜式晶體管(TFT)為主流。
    TN型技術(shù)是LCD中最基本的，其他種類的LCD都以TN型為基礎(chǔ)改進(jìn)而得。TN型LCD顯示質(zhì)量很差，色彩單一、對(duì)比度低，反應(yīng)速度很慢，故主要應(yīng)用于簡(jiǎn)單的數(shù)字符與文字的顯示，如電子表以及電子計(jì)算器等。STN LCD的顯示原理與TN類似，區(qū)別在于TN型的液晶分子將入射光旋轉(zhuǎn)90°，而STN可將入射光旋轉(zhuǎn)180°到270°。STN改善了TN視角狹小的缺點(diǎn)，并提高了對(duì)比度，顯示品質(zhì)較TN高。
    TFT型LCD中，晶體管矩陣依顯示信號(hào)開啟或者關(guān)閉液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉(zhuǎn)向而成"亮"或者"暗"的對(duì)比，避免了顯示器對(duì)電場(chǎng)效應(yīng)的依靠。因此，TFTLCD顯示質(zhì)量較TN／STN更佳，畫面顯示對(duì)比度可達(dá)150：1以上，反應(yīng)速度逼近30ms甚至更快，適用于PDA、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP4等。
1．2 液晶顯示器時(shí)序
    圖1為L(zhǎng)CD的典型時(shí)序圖。時(shí)序圖中VFRAME為幀同步信號(hào)，VLINE為行同步信號(hào)，VCLK為像素時(shí)鐘信號(hào)(用于鎖存圖像數(shù)據(jù)的像素時(shí)鐘)，VM為數(shù)據(jù)有效標(biāo)志信號(hào)，VD為圖像的數(shù)據(jù)信號(hào)。

    作為幀同步信號(hào)的VFRAME，每發(fā)出一個(gè)脈沖，都意味著新的一屏圖像數(shù)據(jù)開始發(fā)送。而作為行同步信號(hào)的VLINE，每發(fā)出一個(gè)脈沖都表明新的一行圖像資料開始發(fā)送。在幀同步以及行同步的頭尾都必須留有回掃時(shí)間。

2 硬件平臺(tái)
    本設(shè)計(jì)采用的硬件平臺(tái)是基于東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程中心研發(fā)的SEP4020微處理器的開發(fā)板。該處理器是使用0．18μ m標(biāo)準(zhǔn)CMOS的工藝設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌ASIX CORE(32位RISC內(nèi)核兼容ARM720T，帶8 kB指令數(shù)據(jù)cache和全功能MMU)，采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的一款微處理器。該處理器集成了液晶控制模塊(LCDC)，此模塊兼容AMBA規(guī)范，有AHB MASTER和AHB SLAVE接口，分別用于讀取需要顯示的數(shù)據(jù)和軟件配置。經(jīng)過(guò)軟件配置后，LCDC能自己獨(dú)立工作，而不再需要內(nèi)核的再次參與，從而節(jié)省內(nèi)核的處理時(shí)間。工作過(guò)程是LCDC使能后申請(qǐng)系統(tǒng)總線，獲得總線使用權(quán)后讀取需要顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)算法的處理就得到滿足時(shí)序要求的信號(hào)，送到LCDC顯示驅(qū)動(dòng)器。
    LCDC使用內(nèi)嵌的DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，配備一個(gè)深度為16的32位FIFO用于緩存顯示數(shù)據(jù)，支持1、2、4位的STN灰度顯示和16位TFT彩色顯示，分辨率軟件可配置。相關(guān)的需要配置的寄存器有：
    SSA為屏幕起始寄存器；SIZE為屏幕尺寸寄存器；PCR為面板配置寄存器；HCR為水平配置寄存器；VCR為垂直配置寄存器：PWMR為對(duì)比度控制器；LECR為使能控制寄存器；DMACR為DMA控制寄存器。

3 L i nux驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3．1 驅(qū)動(dòng)核心結(jié)構(gòu)體的介紹
3．1．1．fb_jnfo結(jié)構(gòu)體
    幀緩沖設(shè)備最關(guān)鍵的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體是fb info結(jié)構(gòu)體，其中包含了關(guān)于幀緩沖設(shè)備屬性和操作的完整描述，定義如下：

   
    限于篇幅，只列出了部分成員，其中fb_var_screeninfo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)像素的比特?cái)?shù)等；fb_fix_screeninfo記錄用戶不能修改的顯示控制器參數(shù)；cmap為目前的顏色表；fb_ops為幀緩沖操作函數(shù)集；screen_base為幀緩沖的虛擬基地址；i oremapped的虛擬內(nèi)存大??；pseudo_palette為偽16色的顏色表。
3．1．2．fb_ops結(jié)構(gòu)體
    本結(jié)構(gòu)體為指向底層操作的函數(shù)的指針，這些函數(shù)是需要驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員編寫填充的，部分成員定義如下

    fb_check_var ()用于調(diào)整可變參數(shù)，并修整為硬件支持的值；fb_set_par()則根據(jù)屏幕參數(shù)設(shè)置具體讀寫LCD控制器的寄存器以使得LCD控制器進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，使用戶設(shè)置的屏幕參數(shù)在硬件上有效；f bsetcolreg ()成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)偽顏色表和顏色表的填充。
3．1．3．fb_var_screeni nfo
    本結(jié)構(gòu)體定義了用戶可以修改的顯示控制器參數(shù)，部分成員如下：

    本結(jié)構(gòu)體中，xres為屏幕的水平像素?cái)?shù)；yres為屏幕垂直寬度：bits_per_pixel定義每個(gè)像素由多少個(gè)位表示；pixclock定義了像素時(shí)鐘；left_margin是表示行切換中從同步到繪圖之間的延遲；right_margin表示行切換中從繪圖到同步之間的延遲；upper_margin表示幀切換中從同步到繪圖之間的延遲；lower_margin表示幀切換中從繪圖到同步之間的延遲；hsyn_len表示水平同步的長(zhǎng)度；vsync_len表示垂直同步的長(zhǎng)度。
3．2 Linux幀緩沖設(shè)備的模塊加載和卸載函數(shù)
    由于LCD控制器被集成在SOC芯片上作為一個(gè)獨(dú)立的硬件模塊，也就是platform_device而存在，因此本驅(qū)動(dòng)中包含平臺(tái)驅(qū)動(dòng)。首先我們要定義platform_driver結(jié)構(gòu)體：

    定義了此結(jié)構(gòu)體之后，在幀緩沖設(shè)備的模塊加載函數(shù)sep4020fb_init(void)中，我們只需要使用函數(shù)platform_driver_register(&sep4020fb_driver)注冊(cè)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)，而其余大部分的初始化工作移交到平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的探測(cè)函數(shù)sep4020fb_probe中完成。
    在函數(shù)sep4020fb_probe(struct platform_device*pdev)中，首先要申請(qǐng)SEP4020的幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體：structsep4020fb_info*info，在此結(jié)構(gòu)體中，成員sep4020fb_ma c h_i n f o記錄了seP4020幀緩存的機(jī)器信息，sep4020fb_hw包含了sep4020微處理器LCD控制器所涉及到的所有寄存器的信息，screen_dma表示幀緩存的物理地址，而screen_cpu代表了幀緩存的虛擬地址。之后要為sep4020fb_mach_info申請(qǐng)內(nèi)存空間，申請(qǐng)完畢之后就要初始化fb_info結(jié)構(gòu)體中的固定和可變參數(shù)，即填充fb_var_screeninfo var和fb_fix_screeninfo fix成員。首先通過(guò)fb_info一>fbops=＆sep4020fb_ops將為sep4020微處理器定義的函數(shù)操作結(jié)構(gòu)體賦予幀緩存信息結(jié)構(gòu)體中對(duì)應(yīng)的成員，sep4020fb_ops定義了指向底層操作的一系列函數(shù)，本文將在后面詳細(xì)介紹；由于本課題選用的液晶屏為320×240TFT彩屏，所以fb_info->var．xres賦值為320，fb_info一>var．yres賦值為240，fb_info一>var．bits_per_pixel賦值為16，這樣就可以算出幀緩存的長(zhǎng)度為320×240×16／8個(gè)字節(jié)，將此值賦給fbinfo->fix．smem_len成員。
    完成可變參數(shù)和固定參數(shù)的填充之后，要為本驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)中斷資源，具體函數(shù)為requestirq(irq，sep4020fb_irq，SA INTERRUPT，pdev一>name，info)，irq為請(qǐng)求的中斷號(hào)，sep4020fb_irq為中斷處理服務(wù)子程序，SA_INTERRUPT表示為一個(gè)快速中斷處理，在執(zhí)行中斷的過(guò)程中禁止所有在當(dāng)前處理器上的其他中斷。申請(qǐng)中斷完畢之后，就要完成本驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵步驟，調(diào)用sep4020fb_map_video_memory()函數(shù)申請(qǐng)顯示緩沖區(qū)。在該函數(shù)中，首先調(diào)用PAGE_ALIGN()函數(shù)對(duì)齊申請(qǐng)的緩沖區(qū)的大小，使即將申請(qǐng)的顯示緩沖區(qū)大小為頁(yè)的整數(shù)倍；然后調(diào)用函數(shù)dma_all oc_writecombine(fbi->dev，fbi一>map_size，＆fbi一>map_dma，GFP_KERNEL)， 分配一塊寫合并的內(nèi)存區(qū)域作為幀緩存，函數(shù)返回值為申請(qǐng)的幀緩存的起始位置的虛擬地址，fbi一>map_dma代表的是該位置的物理地址，fbi一>map_si ze為此內(nèi)存區(qū)的大小。
    完成上面的工作之后，驅(qū)動(dòng)程序在就有了一塊內(nèi)存區(qū)域作為幀緩沖，向此區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)就能顯示在液晶屏上。后面還要調(diào)用sep4020fb_init_registers(info)函數(shù)初始化L C D控制器的寄存器；然后調(diào)用sep4020fb_check_var(＆fbinfo一>var，fbinfo)檢查可變參數(shù)，最后調(diào)用register_framebuffer(fbinfo)注冊(cè)幀緩沖設(shè)備。
3．3 提供給應(yīng)用程序的接口
    本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)定義了如下幾個(gè)接口供應(yīng)用程序調(diào)用：fb_ioctl，fb_blank，fb_fillrect．
    部分代碼如下：

    
    sep4020_blank函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)了將液晶屏清屏的功能。
    sep4020fb_fillrect函數(shù)實(shí)現(xiàn)了填充液晶屏一塊矩形區(qū)域的功能。
    sep4020fb_ioctl函數(shù)則為上層應(yīng)用提供了更多的功能，部分可供上層調(diào)用的命令如下：
    FBIOGET_VSCREENINFO表示用戶獲取屏幕的可變參數(shù)；
    FBIOPUT_VSCREENINFO表示用戶設(shè)置可變的屏幕參數(shù)；
    FBIOGET_FSCREENINFO表示用戶獲得屏幕的固定參數(shù)；
    FBIOBLANK表示調(diào)用sep4020fb_blank函數(shù)清空液晶屏；
    FBIOPUTCMAP表示設(shè)置屏幕的顏色表；
    FBIOGETCMAP表示獲得顏色表。
3．4 用戶空間對(duì)幀緩沖設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)
    驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)過(guò)編譯并加載為模塊后，成為／dev／fb0設(shè)備，在應(yīng)用程序中，操作／dev／fb0一般遵循如下步驟：1)打開／dev／fb0設(shè)備文件；2)調(diào)用ioctl()操作取得屏幕的參數(shù)，如屏幕分辨率和每個(gè)像素所占的比特?cái)?shù)，進(jìn)而計(jì)算出顯示緩沖區(qū)的大小；3)將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間；4)映射之后就可以向緩沖區(qū)寫入或者讀出數(shù)據(jù)，進(jìn)行繪圖了。

4 測(cè)試與結(jié)論
    根據(jù)前面論述的步驟向屏幕緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，將每個(gè)像素的值設(shè)為0xF0F0，在屏幕上顯示如下圖像：

    測(cè)試結(jié)果顯示，在本課題驅(qū)動(dòng)模塊的支持下，可以向屏幕緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)并正確地在屏幕上顯示出來(lái)，工作完全正常。本文所提出的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)應(yīng)用在本單位某產(chǎn)品上。