Android平臺(tái)Bootloader的刷屏功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)

摘要：Android系統(tǒng)在正常啟動(dòng)中，刷屏功能一般在內(nèi)核中執(zhí)行，而B(niǎo)ootloader的任務(wù)應(yīng)該是執(zhí)行硬件初始化，并盡快跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核。在Bootloader啟動(dòng)過(guò)程中使能一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刷屏功能，并不違背這一目標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)Bootloader的原理分析和嵌入式芯片C6310中LCD控制器的研究，設(shè)計(jì)了Bootloader中LCD硬件初始化和軟件驅(qū)動(dòng)程序。該設(shè)計(jì)完善了Bootloader的擴(kuò)展功能，加快了手機(jī)動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)，改善了客戶(hù)的使用體驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：Bootloader；LCD控制器；驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

引言
    Android自2011年以來(lái)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)最快速度的用戶(hù)群體增長(zhǎng)，目前Android以每天85萬(wàn)新激活數(shù)的速度快速征服世界，在世界范圍內(nèi)成為占有率最高的智能手機(jī)操作系統(tǒng)。根據(jù)賽諾的調(diào)研報(bào)告，Android系統(tǒng)在中國(guó)的市場(chǎng)份額高達(dá)74．7％。然而很多硬件制造商在舊設(shè)備的升級(jí)問(wèn)題上動(dòng)作緩慢。Android 4．0的配置要求比起之前的Android系統(tǒng)有較大的提高，導(dǎo)致很多廠商在中低端市場(chǎng)的新機(jī)型和主推機(jī)型都無(wú)法達(dá)到最低配置要求。根據(jù)市場(chǎng)的需求，低端Android手機(jī)存在著巨大商機(jī)。在低價(jià)格的情況下，如何實(shí)現(xiàn)高配置的要求，成為手機(jī)開(kāi)發(fā)商研究的重點(diǎn)。
    對(duì)于Android系統(tǒng)，Bootloader是基于特定平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Booloader是否解鎖關(guān)系到各方的利益，解鎖Bootloader將會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)很大的好處，Android用戶(hù)將能夠自行根據(jù)需要刷寫(xiě)固件，去掉可能導(dǎo)致扣費(fèi)的運(yùn)營(yíng)商服務(wù)，得到更加多樣的Android體驗(yàn)。因此，本文根據(jù)定制的實(shí)際平臺(tái)，提出了一種面向客戶(hù)需求的實(shí)現(xiàn)Bootloader擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)方案。

1 Bootloador的基本原理及功能介紹
    Bootloader(系統(tǒng)啟動(dòng)加載器)，其實(shí)就是在系統(tǒng)啟動(dòng)之前運(yùn)行的一段程序。Bootloader的作用是對(duì)硬件設(shè)備初始化，建立內(nèi)存空間映像圖，從而把系統(tǒng)的軟件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)。這樣，系統(tǒng)在調(diào)用內(nèi)核時(shí)就準(zhǔn)備好真正的環(huán)境，最終引導(dǎo)系統(tǒng)正常啟動(dòng)。對(duì)于Android系統(tǒng)，通常并沒(méi)有PC機(jī)那樣的周件程序BIOS，因此Bootloader必須完成整個(gè)系統(tǒng)的加載任務(wù)。而且對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，其硬件的差別也是很大的，在操作系統(tǒng)啟動(dòng)之前，必須完成這些硬件的初始化工作，這就導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)Bootloader的功能和具體實(shí)現(xiàn)都比PC系統(tǒng)復(fù)雜得多。
    LK(Linux Kernel)是小內(nèi)核小操作系統(tǒng)，是AndroidBootloader的核心。在高通代碼中，Android Bootloader位于bootable＼bootloader＼1k目錄下，Bootloader的功能性設(shè)計(jì)主要在app＼aboot．c下，aboot_init函數(shù)是LK的功能入口點(diǎn)。aboot_init的執(zhí)行過(guò)程如下：
    ①設(shè)置NAND／EMMC讀取信息頁(yè)面大??；
    ②讀取按健信息。判斷是正常開(kāi)機(jī)、進(jìn)入fastboot，還是進(jìn)入recovery模式；
    ③從NAND中加載內(nèi)核；
    ④啟動(dòng)內(nèi)核。實(shí)現(xiàn)刷屏功能可以在讀取按鍵之前，所以Bootloader擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 LCD控制器及外圍設(shè)備連接
2．1 LCD控制器介紹
    LCD控制器是Android手機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中C6310芯片的必備模塊，它負(fù)責(zé)將需要顯示的數(shù)據(jù)，如操作界面、圖像等送給LCD顯示設(shè)備。在手機(jī)的應(yīng)用中，LCD顯示設(shè)備主要有以下幾類(lèi)：被動(dòng)顯示模式STN屏、主動(dòng)顯示模式TFT屏，以及主動(dòng)模式OLED屏。根據(jù)顯示顏色不同，又可以分為單色屏和彩色屏。LCD控制器不直接和LCD顯示屏相連，而是和LCD驅(qū)動(dòng)器相連，這樣簡(jiǎn)化了接口信號(hào)數(shù)量和顯示控制過(guò)程。LCD控制器時(shí)序由控制信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)兩部分組成，其中控制信號(hào)包括VCLK、HSYNC、VSYNC，分別為像素時(shí)鐘信號(hào)、行同步信號(hào)、幀同步信號(hào)。作為幀同步信號(hào)的VSYNC，每發(fā)出一個(gè)脈沖，都意味著新的一屏圖像數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送。而作為行同步信號(hào)的HSYNC，每發(fā)出一個(gè)脈沖，都意味著新的一行圖像資料開(kāi)始發(fā)送。在幀同步以及行同步的頭尾都必須保留回掃時(shí)間。這樣的時(shí)序安排起源于CRT顯示器電子槍偏轉(zhuǎn)所需的時(shí)間，但后來(lái)成為實(shí)際上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此TFT屏也包含了回掃時(shí)間。
    C6310芯片內(nèi)部集成了一個(gè)LCD控制器，通常配置寄存器來(lái)控制其工作，命令和圖像數(shù)據(jù)的傳輸由LCD主控制器自動(dòng)完成。C6310的LCD控制器采用并行或串行接口工作時(shí)，最多支持3層圖像合并(L1、L2、L3)，L4層用作命令存儲(chǔ)空間。命令存儲(chǔ)空間中一個(gè)命令有20位，占用32位空間。第一個(gè)0～17位對(duì)應(yīng)LCD_CMD寄存器中0～17位；第19位用作命令、數(shù)據(jù)切換位。
2．2 LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)囂的硬件連接
    ILI9481是一個(gè)單芯片TFT液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，通常LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間有并口、串口、RGB三種接口。采用RGB接口時(shí)，控制信息(行同步、場(chǎng)同步等)由主控制器發(fā)送；采用并口、串口時(shí)，控制信息包含在發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)中，該項(xiàng)目采用的是C6310 LCD控制器和ILI9481驅(qū)動(dòng)器，它們采用并口連接，圖2描述了LCD主控制器和ILI9481的連接。

    驅(qū)動(dòng)中針對(duì)硬件的操作主要為主控制器寄存器的配置，命令和圖像的傳輸由LCD主控制器完成。

3 LCD控制器操作流程設(shè)計(jì)
    C6310采用L3層作為背景層、L4為命令層。當(dāng)緩沖區(qū)的圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，通過(guò)B_LCD_BmpOntoScreen16Bpp_ILI9481()函數(shù)啟動(dòng)LCD控制器，并將圖像數(shù)據(jù)搬移到LCD驅(qū)動(dòng)器。B_LCD_BmlpOntoScreen16Bpp_ILI9481()啟動(dòng)控制器后，啟動(dòng)一個(gè)等待隊(duì)列，等待圖像數(shù)據(jù)傳輸完畢。
    圖像搬移過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生中斷，這里用到L4_EOF、L3_EOF、和L1_EOF中斷，其中L4_EOF為命令傳輸完成中斷，L3_EOF和L1_EOF分別為L(zhǎng)3層和L1層數(shù)據(jù)傳輸完成中斷。首先，C6310_LCDC向LCD驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一組數(shù)據(jù)，命令發(fā)送完畢后產(chǎn)生L4_EOF中斷。然后，C6310_LCDC向LCD驅(qū)動(dòng)器發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后產(chǎn)生L3_EOF和L1_EOF中斷。
    在LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示前，首先要對(duì)LCD控制器的相關(guān)寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置。表1是C6310中的主要寄存器及其說(shuō)明。

    連接16位RGB并行接口屏，其寄存器的操作流程如下；
    ①將命令index和命令數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器，如果命令是16位，則每一個(gè)字對(duì)應(yīng)15：0是命令。如果命令為8位，則每一個(gè)字對(duì)應(yīng)7：0是命令，通過(guò)每一個(gè)字中的第17位、WR_RD和第16位A0控制命令屬性，如果該命令是最后一個(gè)命令，命令的第19位設(shè)置為1。
    ②配置LCD寄存器。配置第4層的起始地址為命令存儲(chǔ)地址，配置LCD_PCONF控制讀寫(xiě)時(shí)序，配置LCD_L1_SIZE的屏幕大小，配置LCD_PCONF控制讀寫(xiě)時(shí)序，配置LCD_LCONF控制每層的開(kāi)關(guān)和透明覆蓋使能等。
    ③使能LCD控制位LCD_SEL，LCD控制器自動(dòng)讀取存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇涌凇?br />     ④等待L1_SOF中斷產(chǎn)生后，可以寫(xiě)下一幀所需要的命令和修改其他層起始地址等。
    ⑤等待BOF中斷可以配置下一幀的LCD_CTRL寄存器或者每一層起始地址。
    ⑥如果連接的是并口或者串口LCD屏，在圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器的同時(shí)將命令寫(xiě)到第4層圖像對(duì)應(yīng)地址，LCD控制器會(huì)自動(dòng)讀取這些命令輸出。LCD控制器操作流程如圖3所示。

    從流程圖可以看出，當(dāng)EOF中斷產(chǎn)生之后，就可以配置LCD控制器下一幀數(shù)據(jù)的起始地址。此時(shí)，這些配置不會(huì)在當(dāng)前幀起效，而是在下一幀起效，如果需要當(dāng)前命令發(fā)送完畢之后發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，L4_WINTH需配置為大于實(shí)際命令發(fā)送個(gè)數(shù)。本驅(qū)動(dòng)為了讓LCD控制器傳送一幀圖像后停止工作，當(dāng)L4_EOF中斷到來(lái)后，配置下一幀發(fā)送的命令為0x30003。

4 LCD驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    LCD驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要需要實(shí)現(xiàn)的是底層驅(qū)動(dòng)程序，底層驅(qū)動(dòng)大體分為兩個(gè)部分：硬件初始化部分和實(shí)現(xiàn)splash_screen函數(shù)。
4．1 硬件初始化實(shí)現(xiàn)
    硬件初始化部分主要由display_init函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括初始化LCD控制器、初始化LCD處理器、Frame-buffer設(shè)備的配置等工作，主要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)如下：
    
    fb_config首先使能I2S寫(xiě)函數(shù)，對(duì)ILI9481進(jìn)行復(fù)位操作，fbcon_setup函數(shù)記錄了LCD屏幕參數(shù)，包括屏幕分辨率、時(shí)序參數(shù)、像素比特?cái)?shù)(bpp)等參數(shù)，B_LCD_Init_ILI9481函數(shù)肩負(fù)著向framebuffer驅(qū)動(dòng)程序傳遞數(shù)據(jù)的任務(wù)。初始化LCD控制器的寄存器主要是對(duì)LCD的PCD、ARM_INYEN、PBUS_WIDTH、OUT_BPP、LCD_TYPE等寄存器進(jìn)行配置。LCD控制寄存器主要是對(duì)屏幕參數(shù)、ARM中斷使能、并口LCD中片選信號(hào)極性、LCD屏類(lèi)型、時(shí)序特性進(jìn)行配置。主要寄存器如下：
    PCD，配置像素時(shí)鐘分屏。
    ARM_INTEN，配置ARM中斷使能信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，達(dá)到中斷產(chǎn)生條件后，不產(chǎn)生送到ARM的中斷信號(hào)；當(dāng)信號(hào)為1時(shí)，達(dá)到中斷產(chǎn)生條件后，產(chǎn)生送到ARM的中斷。
    PBUS_WIDTH，輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)位寬，當(dāng)配置為并口顯示屏?xí)r有效。
    OUT_BPP，配置BPP位寬。
    LCD_TYPE，配置LCD屏類(lèi)型選擇。00為普通RGB接口TFT顯示屏，01為Sharp接口TFT顯示屏，10為并口LCD顯示屏，11為串口LCD顯示屏。
4．2 讀取圖像信息
    splash_screen函數(shù)主要是定義圖像的地址，通過(guò)framebuffer對(duì)圖像進(jìn)行顯示。這里將顯示的圖像放在了U盤(pán)文件中，當(dāng)LK啟動(dòng)時(shí)，直接從SDRAM中讀取圖像信息，并定義bmp圖像的地址為0x14000000。圖像顯示函數(shù)如下：
    
    
    LCD顯示數(shù)據(jù)大小是由顯示模式和顯示屏尺寸大小共同決定的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，使用的是320X480個(gè)像素、16bpp的256色LCD，顯示一屏圖像所需的顯示緩沖為320×480×16位。在顯示緩沖器中，每一個(gè)像素都占一個(gè)字節(jié)，且每個(gè)字節(jié)又要區(qū)分RGB格式。在顯示圖像時(shí)，需要配置相應(yīng)的寄存器，這些工作在初始化LCD控制器已經(jīng)完成。其次，確定圖像緩沖區(qū)的首地址，這個(gè)地址在4字節(jié)對(duì)齊的邊界上，而且要在SDRAM的4 MB空間之間，顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)會(huì)直接顯示到顯示屏上。LCD上顯示的不同圖像信息就是顯示緩沖區(qū)內(nèi)不同數(shù)據(jù)的輸出。

5 LK的測(cè)試與調(diào)試
    在該模塊下編寫(xiě)了一個(gè)Makefile文件，在調(diào)試LK模塊時(shí)，可以單獨(dú)編譯LK模塊，這樣就節(jié)約了開(kāi)發(fā)的時(shí)間。編譯LK模塊，得到1k．bin文件。開(kāi)發(fā)板上電后，進(jìn)入U(xiǎn)盤(pán)模式，用最新生成的1k. bin文件替換掉U盤(pán)中原始的文件，通過(guò)超級(jí)終端連接串口，啟動(dòng)LK。LK啟動(dòng)打印信息如圖4所示，LK能正常工作，并能執(zhí)行LCD顯示驅(qū)動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)
    本文通過(guò)對(duì)Bootloader的研究，提出了一種Android詳細(xì)給出了LCD控制器操作流程和LCD的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)啟動(dòng)正常，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。盡管LCD手機(jī)在LK啟動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)LCD顯示的設(shè)計(jì)方案，并且的種類(lèi)很多，但驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)都可以遵循一定的模式，可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需求選擇合適的方法。該方法對(duì)Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義和參考價(jià)值。