嵌入式系统中LCD驱动的实现原理

内容摘要：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。

　LCD（液晶显示）模块满足了嵌入式系统日益提高的要求，它可以显示汉字、字符和图形，同时还具有低压、低功耗、体积小、重量轻和超薄等很多优点。随着嵌入式系统的应用越来越广泛，功能也越来越强大，对系统中的人机界面的要求也越来越高，在应用需求的驱使下，许多工作在Linux下的图形界面软件包的开发和移植工作中都涉及到底层LCD驱动的开发问题。因此在嵌入式系统中开发LCD驱动得以广泛运用。

　　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。