嵌入式系統(tǒng)中LCD驅(qū)動的實現(xiàn)原理

結(jié)合三星公司ARM9系列嵌入式處理器S3C2410，講解如何進行LCD驅(qū)動程序模塊化編程及如何將驅(qū)動程序靜態(tài)加載進系統(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，同時還具有低壓、低功耗、體積小、重量輕和超薄等很多優(yōu)點。隨著嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛，功能也越來越強大，對系統(tǒng)中的人機界面的要求也越來越高，在應用需求的驅(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)動的開發(fā)問題。因此在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)LCD驅(qū)動得以廣泛運用。

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

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，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，通過對其Linux驅(qū)動程序進行改寫和調(diào)試，成功地實現(xiàn)了對該種屏的驅(qū)動和顯示。

嵌入式驅(qū)動的概念

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

Linux將設備分為最基本的兩大類：一類是字符設備，另一類是塊設備。字符設備和塊設備的主要區(qū)別是：在對字符設備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了。字符設備以單個字節(jié)為單位進行順序讀寫操作，通常不使用緩沖技術；塊設備則是以固定大小的數(shù)據(jù)塊進行存儲和讀寫的，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)對于塊設備的讀寫提供了緩存機制，由于涉及緩沖區(qū)管理、調(diào)度和同步等問題，實現(xiàn)起來比字符設備復雜得多。LCD是以字符設備方式加以訪問和管理的，Linux把顯示驅(qū)動看做字符設備，把要顯示的數(shù)據(jù)一字節(jié)一字節(jié)地送往LCD驅(qū)動器。

Linux的設備管理是和文件系統(tǒng)緊密結(jié)合的，各種設備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為設備文件。應用程序可以打開、關閉和讀寫這些設備文件，完成對設備的操作，就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。為了管理這些設備，系統(tǒng)為設備編了號，每個設備號又分為主設備號和次設備號。主設備號用來區(qū)分不同種類的設備，而次設備號用來區(qū)分同一類型的多個設備。對于常用設備，Linux有約定俗成的編號，如硬盤的主設備號是3。Linux為所有的設備文件都提供了統(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。打開一個文件就是調(diào)用這個文件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；而對于各種設備文件，則最終調(diào)用各自驅(qū)動程序中的I/O函數(shù)進行具體設備的操作。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(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)動信號，進而驅(qū)動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。在驅(qū)動LCD設計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)動幀緩沖的實現(xiàn)是整個驅(qū)動開發(fā)過程的重點。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，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)核當中的一種驅(qū)動程序接口，這種接口將顯示設備抽象為幀緩沖區(qū)設備區(qū)。幀緩沖區(qū)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,允許應用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設備。這樣軟件無須了解任何涉及硬件底層驅(qū)動的東西（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(qū)進行讀寫和I/O控制等操作。通過專門的設備節(jié)點可對該設備進行訪問，如/dev/fb*。用戶可以將它看成是顯示內(nèi)存的一個映像，將其映射到進程地址空間之后，就可以進行讀寫操作，而讀寫操作可以反映到LCD。

幀緩沖設備對應的設備文件是/dev/fb*。如果系統(tǒng)有多個顯卡，Linux還支持多個幀緩沖設備，最多可達32個，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(qū)動層”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)對具體的硬件進行操作，對寄存器進行設置，對顯示緩沖進行映射。主要結(jié)構(gòu)體還有以下幾個。

● 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(qū)的物理地址和長度。

● 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、每個像素的比特數(shù)和一些時序變量。其中變量xres定義了屏幕一行所占的像素數(shù)，yres定義了屏幕一列所占的像素數(shù)，bits_per_pixel定義了每個像素用多少個位來表示。

● Struct fb_info：Linux為幀緩沖設備定義的驅(qū)動層接口。它不僅包含了底層函數(shù)，而且還有記錄設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)。每個幀緩沖設備都與一個fb_info結(jié)構(gòu)相對應。其中成員變量modename為設備名稱，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：點陣行數(shù)×點陣列數(shù)×用于表示一個像素的比特數(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對應的成員函數(shù)，對于嵌入式系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)，只需要下列三個函數(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)都是用來設置/獲取fb_info結(jié)構(gòu)中的成員變量的。當應用程序?qū)υO備文件進行ioctl操作時候會調(diào)用它們。對于fb_get_fix()，應用程序傳入的是fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)，在函數(shù)中對其成員變量賦值，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（read/write）/dev/fb：相當于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。

● 映射（map）操作：由于Linux工作在保護模式，每個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。對于幀緩沖設備，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(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)動程序來完成的。在應用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下：打開/dev/fb設備文件；用ioctrl操作取得當前顯示屏幕的參數(shù)，如屏幕分辨率和每個像素的比特數(shù)，根據(jù)屏幕參數(shù)可計算屏幕緩沖區(qū)的大??；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)，進行繪圖和圖片顯示了。

LCD模塊化驅(qū)動

在對S3C2410的LCD編寫模塊化驅(qū)動程序時，首先要從內(nèi)核中去除LCD驅(qū)動。這里需要做一些改動，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)動程序，有以下幾個關鍵的函數(shù)。

● lcd_kernel_init(void)//當模塊被載入時執(zhí)行

● lcd_kernel_exit(void)//當模塊被移出內(nèi)核空間時被執(zhí)行

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

每當裝配設備驅(qū)動程序時，系統(tǒng)自動調(diào)用初始化模塊lcd_kernel_init(void)。

另一個必須提供的函數(shù)是lcd_kernel_exit(void)，它在模塊被卸載時調(diào)用，負責進行設備驅(qū)動程序的工作。

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

靜態(tài)加載LCD驅(qū)動

將寫好的lcd驅(qū)動程序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：Bool'LCD driver support'CONFIG_LCD；修改arm/linux/drivers/char/Makefile文件，加上一行：obj-$(CONFIG_LCD)+=lcd.o。

這樣，當再進行make xconfig時，就會選擇是否將LCD驅(qū)動編譯進內(nèi)核。同樣的辦法也可用在其他設備上。