嵌入式系统中LCD驱動的实现原理

福福

    设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，设备驱动程序为应用程序屏Linux将设备分为最基本的两大类：一类是字符设备，另一类是块设备。字符Linux的设备管理是和文件系统紧密结合的，各种设备都以文件的形式存放在LCD控制器的功能是显示驱动信号，进而驱动LCD。用户只需要通过读写一系帧缓冲区是出现在Linux2.2.xx及以后版本内核当中的一种驱动程序接帧缓冲设备对应的设备文件是/dev/fb*。如果系统有多个显卡，Linu其成员函数都在linux/driver/video/fbmem.c中定义●Structfb_var_screeninfo：记录了帧缓冲设备和指定●Structfb_info：Linux为帧缓冲设备定义的驱动层接口。它初始化函数首先初始化LCD控制器，通过写寄存器设置显示模式和颜色数，然后int(*fb_get_fix)(structfb_fix_screenint(*fb_get_var)(structfb_var_screenint(*fb_set_var)(structfb_var_screenStructfb_ops在include/linux/fb.h中定义。这●映射（map）操作：由于Linux工作在保护模式，每个应用程序都有自己●I/O控制：对于帧缓冲设备，对设备文件的ioctl操作可读取/设置显示在对S3C2410的LCD编写模块化驱动程序时，首先要从内核中去除LCD●lcd_kernel1_ioctl(struct*inode,stru将写好的lcd驱动程序lcd.c放到arm/linux/drivers/




嵌入式驱动的概念
设备驅动程序是操作系統内核和机器硬件之間的接口，设備驅动程序为应用程序屏蔽了硬件的細节，這樣在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设備进行操作。設備驱动程序是内核的一部分，它主要完成的功能有：对设备进行初始化和释放；把数据从內核传送到硬件和从硬件读取数据；读取应用程序传送给设备文件的数据、回送应用程序請求的数據以及检測和处理设备出现的错误。

Linux 将设备分为最基本的两大类：一类是字符設备，另一类是塊设备。字符設备和块设备的主要区别是：在对字符設備发出读/寫请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了。字符设备以单个字节为单位进行顺序读写操作，通常不使用缓冲技術；块設备则是以固定大小的数据块進行存储和读写的，如硬盘、软盘等，并利用一块系统内存作为缓沖区。为提高效率，系统對于块设备的读写提供了缓存机制，由于涉及缓沖区管理、调度和同步等问题，实现起来比字符设備复杂得多。LCD是以字符设备方式加以访问和管理的，Linux把显示驱动看做字符设备，把要顯示的数據一字節一字节地送往LCD驱动器。

Linux 的设備管理是和文件系统紧密结合的，各種设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为設备文件。应用程序可以打开、关闭和讀写這些设备文件，完成对设备的操作，就像操作普通的数据文件一樣。为了管理这些設备，系统為设备编了号，每个設备号又分为主设备号和次设备号。主設备号用来区分不同種类的设备，而次设备號用来區分同一類型的多个设備。对于常用设備，Linux有约定俗成的编号，如硬盘的主设备号是3。Linux为所有的设备文件都提供了统一的操作函數接口，方法是使用數据结构struct file_operations。這个数據结構中包括许多操作函数的指針，如open()、close()、read()和write()等，但由于外设的种類較多，操作方式各不相同。Struct file_operations结構體中的成員为一系列的接口函数，如用于读/寫的read/write函数和用于控制的ioctl等。打开一个文件就是調用这个文件file_operations中的open操作。不同类型的文件有不同的file_operations成员函数，如普通的磁盘數据文件，接口函數完成磁盤数据块读写操作；而对于各种设备文件，則最終調用各自驱動程序中的I/O函數進行具体设备的操作。这样，应用程序根本不必考虑操作的是设备还是普通文件，可一律当作文件处理，具有非常清晰統一的I/O接口。所以file_operations是文件層次的I/O接口。

LCD控制器

LCD 控制器的功能是显示驱动信号，进而驱动LCD。用戶只需要通过读写一系列的寄存器，完成配置和顯示驱动。在驱动LCD设计的过程中首要的是配置LCD控制器，而在配置LCD控制器中最重要的一步则是帧缓冲区（FrameBuffer）的指定。用户所要显示的内容皆是从缓冲区中讀出，从而显示到屏幕上的。帧缓冲区的大小由屏幕的分辨率和顯示色彩数决定。驱动帧缓冲的实现是整个驱动开发过程的重点。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT兩种液晶。对于STN 液晶平板，该LCD控制器可支持4位雙扫描、4位单扫描和8位单掃描三种显示类型，支持4级和16级灰度级单色顯示模式，支持256色和4096色显示，可接多种分辨率的LCD，例如640×480、320×240和160×160等，在256色显示模式时，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）调色板显示模式和16bpp非调色板真彩显示。
帧缓冲區是出现在Linux 2.2.xx及以后版本内核當中的一种驱动程序接口，这种接口将显示设备抽象为帧缓冲区设备区。帧缓冲區为图像硬件设备提供了一種抽象化處理，它代表了一些视频硬件設备,允许應用软件通过定義明确的界面来访问圖像硬件設备。这樣软件无须了解任何涉及硬件底层驱动的东西（如硬件寄存器）。它允許上层应用程序在圖形模式下直接对顯示缓冲区进行读寫和I/O控制等操作。通过专门的设备节点可对该设备进行訪問，如/dev/fb*。用戶可以将它看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间之后，就可以進行讀寫操作，而读写操作可以反映到LCD。
幀缓冲設备对應的设备文件是/dev/fb*。如果系統有多个顯卡，Linux还支持多个帧緩沖设备，最多可达32个，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb则指向當前的帧缓沖设備，通常情况下，默认的帧缓冲設備為/dev/fb0。
帧缓冲设备也属于字符设备，采用“文件层-驅動层”的接口方式。在文件层为之定義了以下数据结構。



Static struct file_operations fb_fops={

ower: THIS_MODULE,

read: fb_read, /*讀操作*/

write: fb_write, /*写操作*/

ioct1: fb_ioct1, /*I/O操作*/

mmap: fb_mmap, /*映射操作*/

open: fb_open, /*打開操作*/

release: fb_release,  /*關闭操作*/

}


其成員函数都在linux/driver/video/fbmem.c中定义，其中的函数对具体的硬件进行操作，對寄存器进行设置，对显示缓沖进行映射。主要结构體还有以下几个。
● Struct fb_fix_screeninfo：記录了幀緩沖設备和指定顯示模式的不可修改信息。它包含了屏幕缓冲区的物理地址和長度。
● Struct fb_var_screeninfo：记录了帧緩冲設备和指定显示模式的可修改信息。它包括顯示屏幕的分辨率、每个像素的比特数和一些时序变量。其中变量 xres定義了屏幕一行所占的像素數，yres定义了屏幕一列所占的像素數，bits_per_pixel定義了每个像素用多少个位来表示。
● Struct fb_info：Linux为帧缓沖设备定义的驱动层接口。它不仅包含了底層函數，而且还有记录设備狀态的数据。每个帧缓沖设备都与一个fb_info结构相对应。其中成员变量modename为设备名稱，fontname为显示字体，fbops为指向底层操作的函数的指針。

LCD驅动开发的主要工作

1 编写初始化函數
初始化函数首先初始化LCD 控制器，通過写寄存器设置显示模式和颜色数，然后分配LCD显示缓冲區。在Linux中可以用kmalloc()函数分配一段连续的空间。缓沖區大小為：點阵行数×點阵列数×用于表示一个像素的比特數/8。緩冲区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显示方式為640×480，16位彩色，則需要分配的显示缓冲区为640×480×2=600kb。最后是初始化一个fb_info结构，填充其中的成員變量，并调用register_framebuffer(&fb_info)，将fb_info登记入内核。



2 编写成员函数

写結构fb_info中函数指针fb_ops对應的成员函数，对于嵌入式系统的简单实现，只需要下列三個函数就可以了。

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中定义。这些函数都是用來設置/获取fb_info结构中的成员变量的。当应用程序對设备文件进行 ioctl操作時候會调用它们。对于fb_get_fix()，应用程序传入的是fb_fix_screeninfo结構，在函数中对其成員变量赋值，主要是smem_start（缓沖区起始地址）和smem_len（缓冲区长度），最终返回给应用程序。而fb_set_var()函数的传入参数是 fb_var_screeninfo，函数中需要对xres、yres和bits_per_pixel賦值。
对于/dev/fb，对显示设备的操作主要有以下几種。
● 读/写（read/write）/dev/fb：相當于读/寫屏幕缓冲区。
● 映射（map）操作：由于Linux工作在保护模式，每个應用程序都有自己的虛擬地址空间，在应用程序中是不能直接访問物理缓沖区地址的。为此，Linux在文件操作 file_operations结构中提供了mmap函数，可将文件的内容映射到用户空间。对于帧缓冲设备，則可通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间的一段虚拟地址中，之后用户就可以通过读寫这段虚拟地址访问屏幕缓沖区，在屏幕上绘图了。
● I/O控制：对于帧缓冲设备，对设备文件的ioctl操作可读取/设置显示设备及屏幕的参数，如分辨率、显示顏色数和屏幕大小等。ioctl的操作是由底层的驱動程序来完成的。在應用程序中，操作/dev/fb的一般步骤如下：打开/dev/fb设备文件；用ioctrl操作取得當前显示屏幕的参數，如屏幕分辨率和每個像素的比特數，根据屏幕参数可計算屏幕缓冲区的大小；將屏幕缓冲区映射到用户空间；映射后即可直接读写屏幕緩沖区，進行繪图和图片显示了。

LCD模块化驱動
在对S3C2410 的LCD编写模块化驱动程序时，首先要从内核中去除LCD驱动。这里需要做一些改動，系統调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。
编寫模块化驱动程序，有以下几个关鍵的函数。
● lcd_kernel_init(void)//當模塊被载入时执行
● lcd_kernel_exit(void)//当模塊被移出内核空间时被执行
● lcd_kernel1_ioctl(struct*inode, struct*file, unsigned int cmd, unsigned longarg) //其他功能
每当装配设備驱动程序时，系統自动調用初始化模块lcd_kernel_init(void)。
另一个必须提供的函数是lcd_kernel_exit(void)，它在模块被卸载時调用，负責进行设备驱动程序的工作。
执行insmod lcd.o命令即可將LCD驱動添加到內核中，执行rmmod lcd命令即可从内核中删除LCD驱動。
静态加載LCD驱動
将写好的lcd 驱動程序lcd.c放到arm/linux/drivers/char目录下，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。
这样，当再进行make xconfig时，就会选择是否将LCD驱动编译进内核。同样的辦法也可用在其他設备上。


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