嵌入式Linux下的LCD驅(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)

隨著嵌入式Linux的迅速發(fā)展，由于其沒有昂貴的版權(quán)費，完全開放源代碼，可裁減性與可移植性，因此是開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的優(yōu)秀操作系統(tǒng)平臺。設(shè)備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的重要組成部分，運行在Linux內(nèi)核底層，在內(nèi)核源代碼中占較大比例，驅(qū)動程序開發(fā)逐漸成為嵌入式軟件開發(fā)中一項重要工作。應(yīng)項目設(shè)計的需要完成了嵌入式Linux下的LCD驅(qū)動程序設(shè)計。

1 Linux下設(shè)備驅(qū)動程序
    驅(qū)動程序從字面上可以理解為一類程序，這類程序的目的一般是驅(qū)動硬件正常工作，所以通常所說的驅(qū)動程序都是針對特定的硬件來編寫的。Linux設(shè)備驅(qū)動程序是為特定的硬件提供給用戶程序的一組標(biāo)準(zhǔn)化接口，它隱藏了設(shè)備工作的細(xì)節(jié)。Linux系統(tǒng)下驅(qū)動程序是運行在內(nèi)核態(tài)的，是和內(nèi)核連接在一起的程序。如果運行在用戶態(tài)的應(yīng)用程序想控制硬件設(shè)備，必須通過驅(qū)動程序來控制。
    Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為3種類型，分別是字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。文中所涉及的LCD驅(qū)動屬于字符型設(shè)備驅(qū)動程序。在對字符設(shè)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。Linux系統(tǒng)訪問設(shè)備就像訪問文件一樣，例如打開關(guān)閉設(shè)備系統(tǒng)調(diào)用open()和close()函數(shù)。在Linux內(nèi)核中，字符設(shè)備使用struct file_operations結(jié)構(gòu)來定義設(shè)備的各種操作集合。編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序，主要是實現(xiàn)str-uct file_operations結(jié)構(gòu)中的各個函數(shù)。

2 基于FFamebuffer的LCD驅(qū)動程序設(shè)計
2．1 LCD簡介
    設(shè)計中采用的嵌入式微處理器是Samsung公司的S3C2410，LCD控制器主要用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號，用戶只需通過讀寫一系列寄存器即可完成配置和顯示控制，圖1是S3C2410平臺LCD控制器的結(jié)構(gòu)圖。

    其各個信號描述及功能如表1所示。

2．2 Framebutfvr概述
    Framebuffer即幀緩沖，是圖形設(shè)備的一個提取或抽象，他把一些視頻設(shè)備描繪成一個緩沖區(qū)，允許應(yīng)用程序通過Framebuffer所定義的良好接口訪問圖形設(shè)備。Framebuffer是出現(xiàn)在Linux2．2．xx內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動程序接口。Linux工作在保護(hù)模式下，所以用戶態(tài)進(jìn)程無法像DOS那樣使用顯卡BIOS里提供的中斷調(diào)用來實現(xiàn)直接寫屏，Linux抽象出Framebuffer這個設(shè)備供用戶態(tài)進(jìn)程實現(xiàn)直接寫屏。Framebuffer機(jī)制模仿顯卡的功能，將顯卡硬件結(jié)構(gòu)抽象化，可以通過Framebuffer的讀寫直接對顯存進(jìn)行操作。用戶可以將Framebuffer看成是顯示內(nèi)存的一個映像，將其映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以直接進(jìn)行讀寫操作，而寫操作可以立即反應(yīng)在屏幕上。這種操作是抽象、統(tǒng)一的，用戶不必關(guān)心物理顯存的位置、換頁機(jī)制等具體細(xì)節(jié)，這些由Framebuffer設(shè)備驅(qū)動完成。[!--empirenews.page--]
2．3 驅(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)
2．3．1 LCD驅(qū)動的模塊加載與卸載
    LCD作為一個相對獨立的硬件單元，被認(rèn)定為平臺設(shè)備，在驅(qū)動模塊加載和卸載函數(shù)中，就分別注冊和注銷對應(yīng)的platform_driver。
2．3．2 LCD驅(qū)動的探測與移除函數(shù)
    探測函數(shù)probe主要完成LCD控制器初始化的工作，包括對fb_info結(jié)構(gòu)成員的初始化、內(nèi)存分配、寄存器的配置、Framebuffer的注冊等。模塊卸載函數(shù)中對平臺驅(qū)動的注銷會導(dǎo)致其中移除函數(shù)的執(zhí)行，這個函數(shù)釋放顯示緩沖區(qū)并注銷幀緩沖設(shè)備。
2．3．3 LCD驅(qū)動的fb_ops成員函數(shù)
    在程序設(shè)計里，定義LCD驅(qū)動的fb_ops結(jié)構(gòu)體和相關(guān)函數(shù)功能如下所示

    可以看出，fb_ops()結(jié)構(gòu)體類似于file_opera tions()結(jié)構(gòu)體，提供了一個幀緩沖設(shè)備的統(tǒng)一接口。s3c2410_ops()函數(shù)給出了標(biāo)準(zhǔn)接口到針對具體硬件操作函數(shù)的跳轉(zhuǎn)指針。
2．3．4 Framebuffer設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計
    驅(qū)動程序主要完成的工作有以下5部分：
    (1)編寫初始化函數(shù)
    Framebuffer驅(qū)動首先要初始化LCD控制器，通過相關(guān)寄存器來設(shè)置LCD相對應(yīng)的顯示模式和顏色數(shù)，然后分配顯示緩沖區(qū)。通常用vmall-oc()函數(shù)分配一段連續(xù)空間，緩沖區(qū)的大小可以用“點陣行數(shù)×點陣列數(shù)×一個像素的位數(shù)／8”計算得到。
    如果使用模塊化加載方式，加載LCD驅(qū)動模塊時，系統(tǒng)調(diào)用fb_init()函數(shù)。卸載LCD驅(qū)動模塊時，系統(tǒng)首先調(diào)用unregister_framebuffer()取消注冊，然后釋放顯示緩沖區(qū)的內(nèi)存。
    (2)編寫成員函數(shù)
    主要負(fù)責(zé)編寫fb_ops()對應(yīng)的底層操作函數(shù)。
    (3)讀／寫(read／write)
    完成對幀緩沖區(qū)的讀寫操作。
    (4)映射(map)
    Linux有內(nèi)核空間和用戶空間，平時工作在保護(hù)模式，每個應(yīng)用程序進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間，應(yīng)用程序不能直接訪問物理緩沖地址。但是，Linux在文件操作接口(file_operations)中提供了地址映射(mmap)操作，它可以將文件的內(nèi)容映射到用戶空間，這樣用戶就可以通過讀寫這段地址來訪問緩沖區(qū)，并在屏幕上繪圖。
    (5)輸入／輸出控制
    設(shè)備文件的ioctl()調(diào)用可以讀取和設(shè)置顯示設(shè)備的參數(shù)，如分辨率、支持顏色數(shù)、屏幕大小等。

3 結(jié)束語
    在編寫完驅(qū)動程序后，將該驅(qū)動程序以加載模塊的方式進(jìn)行編譯，并將編譯好的LCD設(shè)備驅(qū)動下載到目標(biāo)板上，通過編寫一個簡單的測試Framebuffer設(shè)備驅(qū)動的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了設(shè)備的打開、關(guān)閉、內(nèi)存映射和iotcl等具體操作，完成了在LCD液晶屏不同行上繪制不同顏色，通過編譯此程序，在目標(biāo)板上運行，即可在LCD上顯示彩色條紋，這就完成了驅(qū)動程序的設(shè)計要求。