S3C2440上LCD驱动 (FrameBuffer)实例开发讲解 （一）

一、开发环境

• 主  机：VMWare--Fedora 9
• 开发板：Mini2440--64MB Nand, Kernel:2.6.30.4
• 编译器：arm-linux-gcc-4.3.2

二、背景知识

1. LCD工作的硬件需求：

   要使一块LCD正常的显示文字或图像，不仅需要LCD驱动器，而且还需要相应的LCD控制器。在通常情况下，生产厂商把LCD驱动器会以COF/COG的 形式与LCD玻璃基板制作在一起，而LCD控制器则是由外部的电路来实现，现在很多的MCU内部都集成了LCD控制器，如S3C2410/2440等。通 过LCD控制器就可以产生LCD驱动器所需要的控制信号来控制STN/TFT屏了。

 

2. S3C2440内部LCD控制器结构图：

我们根据数据手册来描述一下这个集成在S3C2440内部的LCD控制器：

a：LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS寄存器组成；

b：REGBANK由17个可编程的寄存器组和一块256*16的调色板内存组成，它们用来配置LCD控制器的；

c：LCDCDMA是一个专用的DMA，它能自动地把在侦内存中的视频数据传送到LCD驱动器，通过使用这个DMA通道，视频数据在不需要 CPU的干预的情况下显示在LCD屏上；

d：VIDPRCS接收来自LCDCDMA的数据，将数据转换为合适的数据格式，比如说4/8位单扫，4位双扫显示模式，然后通过数据端口 VD[23:0]传送视频数据到LCD驱动器；

e：TIMEGEN由可编程的逻辑组成，他生成LCD驱动器需要的控制信号，比如VSYNC、HSYNC、VCLK和LEND等等，而这些控制 信号又与REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5的配置密切相关，通过不同的配置，TIMEGEN就能产生这些信号的不同形态，从而支 持不同的LCD驱动器(即不同的STN/TFT屏)。

 

3. 常见TFT屏工作时序分析：

LCD提供的外部接口信号：

VSYNC/VFRAME /STV： 垂直同步信号(TFT)/帧同步信号(STN)/SEC TFT信号；
HSYNC/VLINE/CPV： 水平同步信号(TFT)/行同步脉 冲信号(STN)/SEC TFT信号；
VCLK/LCD_HCLK： 象 素时钟信号(TFT/STN)/SEC TFT信号；
VD[23:0]： LCD 像素数据输出端口(TFT/STN/SEC TFT)；
VDEN/VM/TP： 数 据使能信号(TFT)/LCD驱动交流偏置信号(STN)/SEC TFT 信号；
LEND/STH： 行 结束信号(TFT)/SEC TFT信号；
LCD_LPCOE： SEC TFT OE信号；
LCD_LPCREV： SEC TFT REV信号；
LCD_LPCREVB： SEC TFT REVB信号。

 

所有显示器显示图像的原理都是从上到下，从左到右的。这是什么意思呢？这么说吧，一副图像可以看做是一个矩形，由很多排列整齐的点一行一行组 成，这些点称之为像素。那么这幅图在LCD上的显示原理就是：

A： 显 示指针从矩形左上角的第一行第一个点开始，一个点一个点的在LCD上显示，在上面的时序图上用时间线表示就为VCLK，我们称之为像素时钟信号；
B： 当显示指针一直显示到矩形的右边就结束这一行，那么这一行的动 作在上面的时序图中就称之为1 Line；
C： 接 下来显示指针又回到矩形的左边从第二行开始显示，注意，显示指针在从第一行的右边回到第二行的左边是需要一定的时间的，我们称之为行切换；
D： 如此类推，显示指针就这样一行一行的显示至矩形的右下角才把一 副图显示完成。因此，这一行一行的显示在时间线上看，就是时序图上的HSYNC；
E： 然 而，LCD的显示并不是对一副图像快速的显示一下，为了持续和稳定的在LCD上显示，就需要切换到另一幅图上(另一幅图可以和上一副图一样或者不一样，目 的只是为了将图像持续的显示在LCD上)。那么这一副一副的图像就称之为帧，在时序图上就表示为1 Frame，因此从时序图上可以看出1 Line只是1 Frame中的一行；
F： 同样 的，在帧与帧切换之间也是需要一定的时间的，我们称之为帧切换，那么LCD整个显示的过程在时间线上看，就可表示为时序图上的VSYNC。

 

上面时序图上各时钟延时参数的含义如下：(这些参数的值，LCD产生厂商会提供相应的数据手册)

VBPD(vertical back porch)： 表示在一帧图像开始时，垂直同步信号以后的无效的行数，对应驱动中的 upper_margin；
VFBD(vertical front porch)： 表示在一帧图像结束后，垂直同步信号以前的无效的行数，对应驱动中的lower_margin；
VSPW(vertical sync pulse width)： 表示垂直同步脉 冲的宽度，用行数计算，对应驱动中的vsync_len；
HBPD(horizontal back porch)： 表示从水平同步信号开始到一行的有效数据开始之间的VCLK的个数，对应驱动中的 left_margin；
HFPD(horizontal front porth)： 表示一行的有效数据结束到下一个水平同步信号开始之间的VCLK的个数，对应驱动中的 right_margin；
HSPW(horizontal sync pulse width)： 表示水平同步信号的宽度，用VCLK计算，对应驱动中的hsync_len；

 

对于以上这些参数的值将分别保存到REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5寄存器中：(对寄存器的操作请查看S3c2440 数据手册LCD部分)

LCDCON1：17 - 8位CLKVAL
          6 - 5位扫描模式(对于STN屏:4位单/双扫、8位单扫)
          4 - 1位色位模式(1BPP、8BPP、16BPP等)

LCDCON2：31 - 24位VBPD
         23 - 14位LINEVAL
         13 - 6位VFPD
          5 - 0位VSPW

LCDCON3：25 - 19位HBPD
         18 - 8位HOZVAL
          7 - 0位HFPD

LCDCON4： 7 - 0位HSPW

LCDCON5：

 

4. 帧缓冲(FrameBuffer)：

   帧缓冲是Linux为显示设备提供的一个接口，它把一些显示设备描述成一个缓冲区，允许应用程序通过 FrameBuffer定义好的接口访问这些图形设备，从而不用去关心具体的硬件细节。对于帧缓冲设备而言，只要在显示缓冲区与显示点对应的区域写入颜色 值，对应的颜色就会自动的在屏幕上显示。下面来看一下在不同色位模式下缓冲区与显示点的对应关系：

三 、 帧缓冲(FrameBuffer)设备驱动结构 ：

 

     帧缓冲设备为标准的 字符型设备，在Linux中主设备号29，定义在/include/linux/major.h中的 FB_MAJOR，次设备号定义帧缓冲的个数，最大允许有32个FrameBuffer，定义在/include/linux/fb.h中的 FB_MAX，对应于文件系统下/dev/fb%d设备文件。

1. 帧缓冲设备驱动在Linux子系统中的结构如下：

我们从上面这幅图 看，帧缓冲设备在Linux中也可以看做是一个完整的子系统，大体由fbmem.c和 xxxfb.c组成。向上给应用程序提供完善的设备文件操作接口(即对FrameBuffer设备进行read、write、ioctl等操作)，接口在 Linux提供的fbmem.c文件中实现；向下提供了硬件操作的接口，只是这些接口Linux并没有提供实现，因为这要根据具体的LCD控制器硬件进行 设置，所以这就是我们要做的事情了(即xxxfb.c部分的实现)。

2. 帧缓冲相关的重要数据结构：
   从帧缓冲设备驱动程序结构 看，该驱动主要跟fb_info结构体有关，该结构体记录了帧缓冲设备的全部信息，包括设备的设置参数、状态以及对底层硬件操作的函数指针。在Linux 中，每一个帧缓冲设备都必须对应一个fb_info，fb_info在/linux/fb.h中的定义如下：(只列出重要的一些)

struct fb_info {
    int node;
    int flags;
    struct fb_var_screeninfo var; /*LCD可变参数结构体*/
    struct fb_fix_screeninfo fix; /*LCD固定参数结构体*/
    struct fb_monspecs monspecs;  /*LCD显示器标准*/
    struct work_struct queue ;     /*帧缓冲事件队列*/
    struct fb_pixmap pixmap;      /*图像硬件mapper* /
    struct fb_pixmap sprite;      /*光标硬件mapper*/
    struct fb_cmap cmap;          /*当前的颜色表*/
    struct fb_videomode * mode;    /*当前的显示模式*/

# ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT
     struct backlight_device * bl_dev;/*对应的背光设备 */
    struct mutex bl_curve_mutex;
    u8 bl_curve[ FB_BACKLIGHT_LEVELS] ;/*背光调整 */
# endif
# ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
    struct delayed_work deferred_work;
    struct fb_deferred_io * fbdefio;
# endif

    struct fb_ops * fbops; /* 对底层硬件操作的函数指针*/
    struct device * device;
    struct device * dev;    /*fb设备*/
    int class_flag;     
# ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
    struct fb_tile_ops * tileops; /*图块Blitting* /
# endif
    char __iomem * screen_base;    /*虚拟基地址*/
    unsigned long screen_size;    /*LCD IO映射的虚拟内存大小*/
    void * pseudo_palette;         /*伪16色颜色表*/
# define FBINFO_STATE_RUNNING    0
# define FBINFO_STATE_SUSPENDED  1
    u32 state;   /*LCD的挂起或恢复状态*/
    void * fbcon_par;
    void * par;     
} ;

其中，比较重要的成员有struct fb_var_screeninfo var、struct fb_fix_screeninfo fix和struct fb_ops * fbops， 他们也都是结构体。下面我们一个一个的来看。

fb_var_screeninfo 结构体主要记录用户可以修改的控制器的参 数，比如屏幕的分辨率和每个像素的比特数等，该结构体定义如下：

struct fb_var_screeninfo {
    __u32 xres;                 /*可见屏幕一行有多少个像素点*/
    __u32 yres;                 /*可见屏幕一列有多少个像素点*/
    __u32 xres_virtual;         /*虚拟屏幕一行有多少个像素点*/         
    __u32 yres_virtual;         /*虚拟屏幕一列有多少个像素点*/
    __u32 xoffset;              /*虚拟到可见屏幕之间的行偏移*/
    __u32 yoffset;              /*虚拟到可见屏幕之间的列偏移*/
    __u32 bits_per_pixel;       /*每个像素的位数即BPP*/
    __u32 grayscale;            /*非0时，指的是灰度*/

    struct fb_bitfield red;     /*fb缓存的R位域*/
    struct fb_bitfield green;   /*fb缓存的G位域*/
    struct fb_bitfield blue;    /*fb缓存的B位域*/
    struct fb_bitfield transp;  /*透明度*/     

    __u32 nonstd;               /* != 0 非标准像素格式*/
    __u32 activate;                 
    __u32 height;               /*高度*/
    __u32 width;                /*宽度*/
    __u32 accel_flags;     

    /*定时：除了pixclock本身外，其他的都以像素时钟为 单位*/
    __u32 pixclock;             /*像素时钟(皮秒)*/
    __u32 left_margin;          /*行切换，从同步到绘图之间的延迟*/
    __u32 right_margin;         /*行切换，从绘图到同步之间的延迟*/
    __u32 upper_margin;         /*帧切换，从同步到绘图之间的延迟*/
    __u32 lower_margin;         /*帧切换，从绘图到同步之间的延迟*/
    __u32 hsync_len;            /*水平同步的长度*/
    __u32 vsync_len;            /*垂直同步的长度*/
    __u32 sync;
    __u32 vmode;
    __u32 rotate ;
    __u32 reserved[ 5] ;          /*保留*/
} ;

而 fb_fix_screeninfo结构体又主要记录用户不可以修改的控制 器的参数，比如屏幕缓冲区的物理地址和长度等，该结构体的定义如下：

struct fb_fix_screeninfo {
    char id[ 16] ;                 /*字符串形式的标示符 */
    unsigned long smem_start;    /*fb缓存的开始位置 */
    __u32 smem_len;              /*fb缓存的长度 */
    __u32 type;                  /*看FB_TYPE_* */
    __u32 type_aux;              /*分界*/
    __u32 visual;                /*看FB_VISUAL_* */
    __u16 xpanstep;              /*如果没有硬件panning就赋值为0 */
    __u16 ypanstep;              /*如果没有硬件panning就赋值为0 */
    __u16 ywrapstep;             /*如果没有硬件ywrap就赋值为0 */
    __u32 line_length;           /*一行的字节数 */
    unsigned long mmio_start;    /*内存映射IO的开始位置*/
    __u32 mmio_len;              /*内存映射IO的长度*/
    __u32 accel;
    __u16 reserved[ 3] ;           /*保留*/
} ;

fb_ops结构体是对底层硬件操作的函数指针，该结构体中定义了对硬件的操作有:(这里只列出了常用的操作)

struct fb_ops {

    struct module * owner;

     //检查可变参数并进行设置
    int ( * fb_check_var) ( struct fb_var_screeninfo * var, struct fb_info * info) ;

     //根据设置的值进行更新，使之有效
    int ( * fb_set_par) ( struct fb_info * info) ;

     //设置颜色寄存器
    int ( * fb_setcolreg) ( unsigned regno, unsigned red, unsigned green,
             unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info * info) ;

     //显示空白
    int ( * fb_blank) ( int blank, struct fb_info * info) ;

     //矩形填充
    void ( * fb_fillrect) ( struct fb_info * info, const struct fb_fillrect * rect) ;

     //复制数据
    void ( * fb_copyarea) ( struct fb_info * info, const struct fb_copyarea * region) ;

     //图形填充
    void ( * fb_imageblit) ( struct fb_info * info, const struct fb_image * image) ;
} ;

3. 帧缓冲设备作为平台设备：
   在S3C2440中，LCD控 制器被集成在芯片的内部作为一个相对独立的单元，所以Linux把它看做是一个平台设备，故在内核代码/arch/arm/plat-s3c24xx /devs.c中定义有LCD相关的平台设备及资源，代码如下：

/* LCD Controller */

//LCD控制器的资源信息
static struct resource s3c_lcd_resource[ ] = {
    [ 0] = {
        . start = S3C24XX_PA_LCD , //控制器IO端口开始地址
        . end = S3C24XX_PA_LCD + S3C24XX_SZ_LCD - 1 , //控制器IO端口结束地址
        . flags = IORESOURCE_MEM , //标识为 LCD控制器IO端口，在驱动中引用这个就表示引用IO端口
    } ,
    [ 1] = {
        . start = IRQ_LCD , //LCD中 断
        . end = IRQ_LCD,
        . flags = IORESOURCE_IRQ , //标识为LCD中断
    }
} ;

static u64 s3c_device_lcd_dmamask = 0xffffffffUL;

struct platform_device s3c_device_lcd = {
    . name         = "s3c2410-lcd" , //作为平台 设备的LCD设备名
    . id         = - 1,
    . num_resources = ARRAY_SIZE( s3c_lcd_resource) , //资源数量
    . resource     = s3c_lcd_resource , //引用上面 定义的资源
    . dev = {
        . dma_mask = & s3c_device_lcd_dmamask,
        . coherent_dma_mask = 0xffffffffUL
    }
} ;

EXPORT_SYMBOL( s3c_device_lcd) ; //导出定义的LCD平台设备，好在mach-smdk2440.c的 smdk2440_devices[]中添加到平台设备列表中

   除此之外，Linux还在/arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/fb.h中为LCD平台设备定义了一个 s3c2410fb_mach_info结构体，该结构体主要是记录LCD的硬件参数信息(比如该结构体的s3c2410fb_display成员结构中 就用于记录LCD的屏幕尺寸、屏幕信息、可变的屏幕参数、LCD配置寄存器等)，这样在写驱动的时候就直接使用这个结构体。下面，我们来看一下内核是如果 使用这个结构体的。在/arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中定义有：

/* LCD driver info */

//LCD硬件的配置信息，注意这里我使用的LCD是NEC 3.5寸TFT屏，这些参数要根据具体的LCD屏进行设置
static struct s3c2410fb_display smdk2440_lcd_cfg __initdata = {

    //这个地方的设置是配置LCD寄存器5，这些宏定义在regs-lcd.h中， 计 算后二进制为：111111111111，然后对照数据手册上LCDCON5的各位来看，注意是从右边开始
    . lcdcon5 = S3C2410_LCDCON5_FRM565 |
               S3C2410_LCDCON5_INVVLINE |
               S3C2410_LCDCON5_INVVFRAME |
               S3C2410_LCDCON5_PWREN |
               S3C2410_LCDCON5_HWSWP,

    . type    = S3C2410_LCDCON1_TFT , //TFT 类型

    /* NEC 3.5'' */
    . width        = 240 , //屏幕宽度
    . height       = 320 , //屏幕高度


    //以下一些参数在上面的时序图分析中讲到过,各参数的值请跟据具 体的LCD屏数据手册结合上面时序分析来设定
    . pixclock     = 100000 , //像素时钟
    . xres         = 240 , //水平可见的有效像素
    . yres         = 320 , //垂直可见的有效像素
    . bpp          = 16 , //色位模式
    . left_margin  = 19 , //行 切换，从同步到绘图之间的延迟
    . right_margin = 36 , //行切换，从绘图到同步之间的延迟
    . hsync_len    = 5 , //水 平同步的长度
    . upper_margin = 1 , //帧切换，从同步到绘图之间的延迟
    . lower_margin = 5 , //帧 切换，从绘图到同步之间的延迟
    . vsync_len    = 1 , //垂直同步的长度
} ;

static struct s3c2410fb_mach_info smdk2440_fb_info __initdata = {
    . displays        = & smdk2440_lcd_cfg , //应用上面定义的配置信息
    . num_displays    = 1,
    . default_display = 0,

    . gpccon          = 0xaaaa555a,//将GPC0、GPC1配置成 LEND和VCLK，将GPC8-15配置成VD0-7,其他配置成普通输出IO口
    . gpccon_mask     = 0xffffffff,
    . gpcup           = 0x0000ffff,//禁止GPIOC的上拉功能
    . gpcup_mask      = 0xffffffff,
    . gpdcon          = 0xaaaaaaaa,//将GPD0-15配置成VD8-23
    . gpdcon_mask     = 0xffffffff,
    . gpdup           = 0x0000ffff,//禁止GPIOD的上拉功能
    . gpdup_mask      = 0xffffffff,

    . lpcsel          = 0x0,//这个是三星TFT屏的参数，这里不 用
} ;

注意：可能有很多朋友不知道上面红色部分的参数是做什么的，其值又是怎么设置的？其实它是跟你的开发板LCD控制器密切相关的，看了下面两幅图相信 就大概知道他们是干什么用的：

上面第一幅图是开发板原理图的LCD控制器部分，第二幅图是S3c2440数据手册中IO端口C和IO端口D控制器部分。原理图中使用了 GPC8-15和GPD0-15来用做LCD控制器VD0-VD23的数据端口，又分别使用GPC0、GPC1端口用做LCD控制器的LEND和VCLK 信号，对于GPC2-7则是用做STN屏或者三星专业TFT屏的相关信号。然而，S3C2440的各个IO口并不是单一的功能，都是复用端口，要使用他们 首先要对他们进行配置。所以上面红色部分的参数就是把GPC和GPD的部分端口配置成LCD控制功能模式。

   从以上讲述的内容来看，要使LCD控制器支持其他的LCD屏，重要的是根据LCD的数据手册修改以上这些参数的值。下面，我们再看一下在驱动中是如果引用 到s3c2410fb_mach_info结构体的(注意上面讲的是在内核中如何使用的)。在mach-smdk2440.c中有：

//S3C2440初始化函数
static void __init smdk2440_machine_init( void )
{

    //调用该函数将上面定义的LCD硬件信息保存到平台数据中
    s3c24xx_fb_set_platdata( & smdk2440_fb_info) ;
    
    s3c_i2c0_set_platdata( NULL ) ;

    platform_add_devices( smdk2440_devices, ARRAY_SIZE( smdk2440_devices) ) ;
    smdk_machine_init( ) ;
}

s3c24xx_fb_set_platdata定义在 plat- s3c24xx/devs.c中：

void __init s3c24xx_fb_set_platdata( struct s3c2410fb_mach_info * pd)
{
    struct s3c2410fb_mach_info * npd;

    npd = kmalloc( sizeof ( * npd) , GFP_KERNEL) ;
    if ( npd) {
        memcpy ( npd, pd, sizeof ( * npd) ) ;

        //这里就是将内核中定义的s3c2410fb_mach_info结构体数据保存到LCD平台数据中，所以在写驱 动的时候就可以直接在平台数据中获取 s3c2410fb_mach_info结构体的数据(即LCD各种参数信息)进行操作
        s3c_device_lcd. dev. platform_data = npd;
    } else {
        printk( KERN_ERR "no memory for LCD platform data\n" ) ;
    }
}

   这里再讲一个小知识：不知大家有没有留意，在平台设备驱动中，platform_data可以保存各自平台设备实例的数据，但这些数据的类型都是不同的， 为什么都可以保存？这就要看看platform_data的定义，定义在/linux/device.h中，void *platform_data是一个void类型的指针，在Linux中void可保存任何数据类型。