LCD 移植过程

 嵌入式系统中LCD驱动的实现原理
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来源:今日电子
作者:四川大学 杨显强 田远富
详细内容:
 

结合三星公司ARM9系列嵌入式处理器S3C2410,讲解如何进行LCD驱动程序模块化编程及如何将驱动程序静态加载进系统内核。

 
 

 

本文以三星公司ARM9内核芯片S3C2410的LCD接口为基础,介绍了在Linux平台上开发嵌入式LCD驱动程序的一般方法。

 

本文硬件采用三星公司的S3C2410芯片的开发板,软件采用Linux 2.4.19平台,编译器为arm-linux-gcc的交叉编译器,使用640×480分辨率的TFT彩色LCD,通过对其Linux驱动程序进行改写和调试,成功地实现了对该种屏的驱动和显示。

 

嵌入式驱动的概念

 

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蔽了硬件的细节,这样在应用程序看来,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备进行操作。设备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;把数据从内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、回送应用程序请求的数据以及检测和处理设备出现的错误。

 

Linux 将设备分为最基本的两大类：一类是字符设备,另一类是块设备。字符设备和块设备的主要区别是：在对字符设备发出读/写请求时,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,通常不使用缓冲技术;块设备则是以固定大小的数据块进行存储和读写的,如硬盘、软盘等,并利用一块系统内存作为缓冲区。为提高效率,系统对于块设备的读写提供了缓存机制,由于涉及缓冲区管理、调度和同步等问题,实现起来比字符设备复杂得多。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,把要显示的数据一字节一字节地送往LCD驱动器。

 

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/dev目录下,称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件,完成对设备的操作,就像操作普通的数据文件一样。为了管理这些设备,系统为设备编了号,每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备,而次设备号用来区分同一类型的多个设备。对于常用设备,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数接口,方法是使用数据结构struct file_operations。这个数据结构中包括许多操作函数的指针,如open()、close()、read()和write()等,但由于外设的种类较多,操作方式各不相同。Struct file_operations结构体中的成员为一系列的接口函数,如用于读/写的read/write函数和用于控制的ioctl等。打开一个文件就是调用这个文件file_operations中的open操作。不同类型的文件有不同的file_operations成员函数,如普通的磁盘数据文件, 接口函数完成磁盘数据块读写操作;而对于各种设备文件,则最终调用各自驱动程序中的I/O函数进行具体设备的操作。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,具有非常清晰统一的I/O接口。所以file_operations是文件层次的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。用户只需要通过读写一系列的寄存器,完成配置和显示驱动。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读出,从而显示到屏幕上的。帧缓冲区的大小由屏幕的分辨率和显示色彩数决定。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两种液晶。对于STN 液晶平板,该LCD控制器可支持4位双扫描、4位单扫描和8位单扫描三种显示类型,支持4级和16级灰度级单色显示模式,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显示。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。

 

帧缓冲区是出现在Linux 2.2.xx及以后版本内核当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。帧缓冲区为图像硬件设备提供了一种抽象化处理,它代表了一些视频硬件设备,允许应用软件通过定义明确的界面来访问图像硬件设备。这样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）。它允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写和I/O控制等操作。通过专门的设备节点可对该设备进行访问,如/dev/fb*。用户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,就可以进行读写操作,而读写操作可以反映到LCD。

 

帧缓冲设备对应的设备文件是/dev/fb*。如果系统有多个显卡,Linux还支持多个帧缓冲设备,最多可达32个,即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb则指向当前的帧缓冲设备,通常情况下,默认的帧缓冲设备为/dev/fb0。

 

帧缓冲设备也属于字符设备,采用“文件层-驱动层”的接口方式。在文件层为之定义了以下数据结构。

 

Static struct file_operations fb_fops={

ower: THIS_MODULE,

read: fb_read, /*读操作*/

write: fb_write, /*写操作*/

ioct1: fb_ioct1, /*I/O操作*/

mmap: fb_mmap, /*映射操作*/

open: fb_open, /*打开操作*/

release: fb_release,  /*关闭操作*/

}

 

其成员函数都在linux/driver/video/fbmem.c中定义,其中的函数对具体的硬件进行操作,对寄存器进行设置,对显示缓冲进行映射。主要结构体还有以下几个。

 

● Struct fb_fix_screeninfo：记录了帧缓冲设备和指定显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长度。

● Struct fb_var_screeninfo：记录了帧缓冲设备和指定显示模式的可修改信息。它包括显示屏幕的分辨率、每个像素的比特数和一些时序变量。其中变量 xres定义了屏幕一行所占的像素数,yres定义了屏幕一列所占的像素数,bits_per_pixel定义了每个像素用多少个位来表示。

● Struct fb_info：Linux为帧缓冲设备定义的驱动层接口。它不仅包含了底层函数,而且还有记录设备状态的数据。每个帧缓冲设备都与一个fb_info结构相对应。其中成员变量modename为设备名称,fontname为显示字体,fbops为指向底层操作的函数的指针。

 

LCD驱动开发的主要工作

 

1 编写初始化函数

 

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,然后分配LCD显示缓冲区。在Linux中可以用kmalloc()函数分配一段连续的空间。缓冲区大小为：点阵行数×点阵列数×用于表示一个像素的比特数/8。缓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显示方式为640×480,16位彩色,则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,填充其中的成员变量,并调用register_framebuffer(&fb_info),将fb_info登记入内核。

 

2 编写成员函数

 

编写结构fb_info中函数指针fb_ops对应的成员函数,对于嵌入式系统的简单实现,只需要下列三个函数就可以了。

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。这些函数都是用来设置/获取fb_info结构中的成员变量的。当应用程序对设备文件进行 ioctl操作时候会调用它们。对于fb_get_fix(),应用程序传入的是fb_fix_screeninfo结构,在函数中对其成员变量赋值,主要是smem_start（缓冲区起始地址）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赋值。

对于/dev/fb,对显示设备的操作主要有以下几种。

 

● 读/写（read/write）/dev/fb：相当于读/写屏幕缓冲区。

● 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的虚拟地址空间,在应用程序中是不能直接访问物理缓冲区地址的。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,则可通过映射操作,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写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区,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、显示颜色数和屏幕大小等。ioctl的操作是由底层的驱动程序来完成的。在应用程序中,操作/dev/fb的一般步骤如下：打开/dev/fb设备文件;用ioctrl操作取得当前显示屏幕的参数,如屏幕分辨率和每个像素的比特数,根据屏幕参数可计算屏幕缓冲区的大小;将屏幕缓冲区映射到用户空间;映射后即可直接读写屏幕缓冲区,进行绘图和图片显示了。

 

LCD模块化驱动

 

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。这里需要做一些改动,系统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。

编写模块化驱动程序,有以下几个关键的函数。

● lcd_kernel_init(void)//当模块被载入时执行

● lcd_kernel_exit(void)//当模块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

每当装配设备驱动程序时,系统自动调用初始化模块lcd_kernel_init(void)。

另一个必须提供的函数是lcd_kernel_exit(void),它在模块被卸载时调用,负责进行设备驱动程序的工作。

执行insmod lcd.o命令即可将LCD驱动添加到内核中,执行rmmod lcd命令即可从内核中删除LCD驱动。

 

静态加载LCD驱动

 

将写好的lcd 驱动程序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。同样的办法也可用在其他设备上。

















先说一下，我的板子使用CH7005将LCD信号转为VGA的， 2.4内核提供驱动，显示效果小可。网上高人说只要把LCD驱动起来了，就可以显示了，并且有人跟我一样的，显示成功了。
现在我的移植过程如下：arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c
static struct s3c2410fb_mach_info smdk2410_lcd_platdata = {
.fixed_syncs=0,
.width= 640,
.height= 480,
.xres = {
.defval= 640,
.min= 640,
.max= 640,
},
.yres = {
.defval= 480,
.min= 480,
.max= 480,
},
.bpp = {
.defval= 16,
.min= 16,
.max= 16,
},
.regs = {
.lcdcon1= S3C2410_LCDCON1_TFT16BPP | S3C2410_LCDCON1_TFT | S3C2410_LCDCON1_CLKVAL(1),
.lcdcon2=  S3C2410_LCDCON2_VBPD(25) | S3C2410_LCDCON2_VFPD(5) | S3C2410_LCDCON2_VSPW(1),

.lcdcon3=  S3C2410_LCDCON3_HBPD(67) | S3C2410_LCDCON3_HFPD(40),
.lcdcon4= S3C2410_LCDCON4_HSPW(31) | S3C2410_LCDCON4_MVAL(13),

.lcdcon5= S3C2410_LCDCON5_FRM565 | S3C2410_LCDCON5_HWSWP | S3C2410_LCDCON5_PWREN|S3C2410_LCDCON5_INVVLINE|S3C2410_LCDCON5_INVVFRAME ,
},
.gpcup= 0xFFFFFFFF,
.gpcup_mask= 0xFFFFFFFF,

.gpccon= 0xaaaaaaaa,
.gpccon_mask= 0xFFFFFFFF,

.gpdup= 0xFFFFFFFF,
.gpdup_mask= 0xFFFFFFFF,

.gpdcon= 0xaaaaaaaa,
//.gpdcon_mask= 0xFFFFFFFF,
.gpdcon_mask= 0,

.lpcsel= 0x00,
};

在smdk2410_map_io函数中加入了
set_s3c2410fb_info(&smdk2410_lcd_platdata);

启动之后，第一次
参数：
setenv bootargs  console=ttySAC0 root=/dev/nfs nfsroot=59.69.74.87:/public/myroot_nfs ip=59.69.74.199:59.69.74.87:59.69.74.1:255.0.0.0:todaygood.cublog.cn:eth0:off
启动后到
Console: switching to colour frame buffer device 80x30
fb0: s3c2410fb frame buffer device
fb1: Virtual frame buffer device, using 1024K of video memory   不动了。 重启之后
第二次：VGA有闪烁的彩色线条显示，但效果很不好，没有小企鹅。
Initializing Cryptographic API
Console: switching to colour frame buffer device 80x30
fb0: s3c2410fb frame buffer device
fb1: Virtual frame buffer device, using 1024K of video memory
S3C2410 RTC, (c) 2004 Simtec Electronics

RAMDISK driver initialized: 16 RAM disks of 8192K size 1024 blocksize
loop: loaded (max 8 devices)
nbd: registered device at major 43
usbcore: registered new driver ub
Cirrus Logic CS8900A driver for Linux (Modified for SMDK2410)
eth0: CS8900A rev E at 0xe0000300 irq=52, no eeprom , addr: 08: 0:3E:26:0A:5B
NFTL driver: nftlcore.c $Revision: 1.97 $, nftlmount.c $Revision: 1.40 $
usbmon: debugfs is not available
。。。。
[root@hjembed /]# ll /dev/fb/
crw-rw-rw-    1 root     root      29,   0 Jan  1 00:00 0
crw-rw-rw-    1 root     root      29,   1 Jan  1 00:00 1

[root@hjembed /]# cat /proc/interrupts
          CPU0
30:      68164   S3C2410 Timer Tick
32:          0   s3c2410-lcd
42:          0   ohci_hcd:usb1
52:      15333   eth0
70:         49   s3c2410-uart
71:        116   s3c2410-uart
Err:          0
[root@hjembed /]#

移植过程中，寄存器的设置完全按2.4里面套下来的，现在有些怀疑

.gpcup= 0xFFFFFFFF,
.gpcup_mask= 0xFFFFFFFF,

.gpccon= 0xaaaaaaaa,
.gpccon_mask= 0xFFFFFFFF,

.gpdup= 0xFFFFFFFF,
.gpdup_mask= 0xFFFFFFFF,

.gpdcon= 0xaaaaaaaa,
//.gpdcon_mask= 0xFFFFFFFF,
.gpdcon_mask= 0,

.lpcsel= 0x00,

这几个参数的设定， 找了很久，没有介绍，看代码不知从何看起。

还有，我看见论坛中的kmust兄
在arch/arm/mach-s3c2410/common-smdk.c文件的void __init smdk_machine_init(void)函数中加入GPIOC和GPIOD的初始化如下：
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPC0, S3C2410_GPC0_LEND);
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPC1, S3C2410_GPC1_VCLK);
....

我看了一下硬件原理图， 没看见GPIOC, GPIOD  与LCD相关， 也有可能是我看漏了， 也有可能板子提供商没有画出来。

前两天准备搞个qt上面去试一下， 没搞成，今天偶尔试了一下， 有两次出现了小企鹅， 太兴奋了，怀疑是我的错觉， 然后我关掉电源，重启，结果又没有显示了，再试了一下原来2.4的内核，
也没有小企鹅了， 还是彩色的条纹一闪一闪的。 多作了几次试验，发现一个规律;
先用uboot下载vivi,切换至vivi,下载2.4内核， 启动，可以显示小企鹅，
然后在vivi下载uboot,下载2.6内核， 启动，可以显示小企鹅，

现在，如果按下reset键，再次下载2.6内核， 启动，也可以显示小企鹅。
但是， 如果，你按下电源键，再打开，不管你下载2.6内核还是2.4内核， 启动，都不能显示小企鹅，只显示闪动的彩色条纹。

由此得出,vivi中一定对某些东西作了初始化动作。 大家帮我分析分析！

幸好提供的vivi源码中有vga.c这个文件，打开看了一下，有对 24C08的读写操作，google一下，
原来是一个串行EEPROM,但是查板子原理图， 又没有这个器件，现在怎么办呢？

2.6下的小企鹅，显示效果挺好的，闪烁得没有2.4下强烈。
 

 
 

 

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  我的分析应该是正确的， 现在用vivi引导2.6的内核， 正常显示小企鹅！
看来的确是作了初试化工作。 好在现在有一个界面可以显示了，如何修改uboot，从长计议了。





参考资料:

LCD驱动移植笔记

作者：tag    文章来源：csdn    点击数：52    更新时间：2006-12-9    

LCD驱动程序往2.6.11内核
的移植总结
硬件环境：SBC-2410X开发板（CPU：S3C2410X）
内核版本：2.6.11.1
运行环境：Debian2.6.8
交叉编译环境：gcc-3.3.4-glibc-2.3.3
注：本驱动移植是基于s3c2400 framebuffer 的驱动。

一、从网上将Linux内核源代码下载到本机上，并将其解压：
#tar jxf linux-2.6.11.1.tar.bz2
二、打开内核顶层目录中的Makefile文件，这个文件中需要修改的内容包括以下两个方面。
（1）指定目标平台。
 移植前：
  ARCH      ?= $(SUBARCH)
 移植后：
 ARCH            :=arm
（2）指定交叉编译器。
  移植前：
 CROSS_COMPILE  ?=
 移植后：
 CROSS_COMPILE   :=/opt/crosstool/arm-s3c2410-linux-gnu/gcc-3.3.4-glibc-2.3.3/bin/arm-s3c2410-linux-gnu-
注：这里假设编译器就放在本机的那个目录下。
三、添加并修改驱动程序源代码，这涉及到以下几个方面。
（1）、将开发板配带的LCD驱动程序s3c2400fb.c、s3c2400fb.h源程序放到drivers/video/目录下，并修改名字为s3c2410fb.c\s3c2400fb.h。
#cp s3c2400fb.c . drivers/video/s3c2410fb.c
（2）、 在s3c2410fb.c驱动程序里面添加：sbc_gpio_con_set()、sbc_gpio_pullup_set()、 sbc_gpio_function_set()的声明以及实现代码用以替代2.4.18代码中的write_gpio_bit()、 set_gpio_ctrl()函数，因为在2.4.18中这两个函数都是用指针的方式对CPU寄存器进行设置，而在2.6.11的驱动程序里面用了 __raw_writel()的方式对寄存器设置进行了封装。
在驱动程序移植过程中由于是基于S3C2400的驱动，所以主要的修改工作就是根据所用开发板的硬件修改相应的寄存器的设置。
主 要的修改有：s3c2410fb_mach_info结构，这个结果主要定义了所用显示屏的一些信息，如时钟、大小等；修改 c2400fb_activate_var函数中关于寄存器的设置，这个函数涉及到了S3C2410 LCD控制器的有关设置，这些寄存器的设置要根据所用的屏幕（TFT/CSTN）来进行设置；修改 s3c2400fb_set_controller_regs和s3c2400fb_lcd_init函数，这个函数涉及到了CPU与LCD的物理连接， 要根据LCD与CPU的具体连接来设置各个CPIO寄存器。
注：具体修改详见驱动程序。
（3）、修改arch/arm/mach-s3c2410/s3c2410.c，在s3c2410_iodesc结构中添加：IODESC_ENT(LCD)
注：以上添加的语句就是为了将CPU的LCD寄存器的物理地址映射到所指向的虚拟地址上去，上面的结构还定义了虚拟地址所占用的区间，并指定了该区间所指向的域（的属性）。
（4）、修改drivers/video目录下的Kconfig文件，在最后添加如下内容：
config FB_S3C2410
 tristate "S3C2410 LCD support"
 depends on FB && ARM && ARCH_S3C2410
 help
   This is a framebuffer device for the S3C2410 LCD Controller.   If you plan to use the LCD display with your S3C2410 system, say   Y here.
（5）、修改drivers/video目录下的Makefile文件，在最后添加如下内容:
obj-$(CONFIG_FB_S3C2410)        += s3c2410fb.o cfbfillrect.o cfbcopyarea.o cfbimgblt.o
四、配置、编译内核。在内核顶层目录当中键入：
  #make smdk2410_defconfig
由于2.6的内核默认就支持了S3C2410，所以就有一个默认的内核配置文件。里面只是包括了一个简单的配置，要使LCD驱动编译进内核，还要进行手工配置。
#make menuconfig

  Graphics support  --->    
       [*] Support for frame buffer devices
     [*] S3C2410 LCD support(BASED ON S3C2400)
将刚才添加的LCD驱动程序静态添加到内核当中。
最后进行内核编译。
#make
然后将镜像下载到开发板中去.
而且在LCD显示屏上的左上角会显示一个小企鹅的图标。查看设备文件。
[root@fa /]# ls -al /dev/fb/0
由此可见，LCD已经成功驱动，要测试驱动程序可以用 自己写（见附件test.c）在显示屏上显示任意颜色的线条。
问题解析
在LCD驱动程序移植的过程中，出现的问题主要就是由于寄存器设置不正确而造成的问题。
在 对驱动程序进行了函数替代以及改写了一些函数之后，将驱动程序编译进内核里，内核可以正确的编译连接并生成镜像文件，把镜像文件下载到开发板上，可以看到 drivers/video目录下看到系统注册的一个设备文件，但是在系统启动之后就是无法看见小企鹅的图标并且用测试程序去测试，LCD屏幕上也无法显 示任何有色的线条。通过多次查阅源代码，才发现原来就是CPU有关LCD的8个寄存器的设置以及对GPC和GPD寄存器的设置不正确。后来对这几个寄存器 进行了正确的设置就可以在系统启动之后看到小企鹅的图标。由于屏幕的背景是蓝色的，所以该图标的颜色显示不正确，但是用自己写的测试程序去画设置好的颜色 的线条，在屏幕上总能正确的显示出来，所以至于这个屏幕的颜色问题至今尚未解决。