LCD驱动分析（一）----framebuffer架构和LCD设备结构体

一、背景知识

1.1  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。

1.2  CPU内部LCD控制器结构图

        LCD 控制器启动之前，软件需要先填充 LCD_CTRL、LCD_HTIM、LCD_VTIM、LCD_HVLEN、LCD_VBAR、LCD_CXY、LCD_CBAR 寄存器，最后填充 LCD_CEN 寄存器。一旦 LCD_CEN 寄存器的 VEN 位被置为 1，LCD 控制器就开始从显存取数据，并且开始水平垂直视频的同步脉冲生成。对于 8bpp 模式，在 LCDCEN 寄存器的 VEN 置 1 之前,软件还需要填充颜色查找表。LCDCDMA是一个专用的DMA，它能自动地把在桢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干预的情况下显示在LCD屏上。

1.3  常见TFT屏工作时序分析

1.3.1 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[15:0]：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。

1.3.2  显示原理 

        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，显示指针从第一行的右边回到第二行的左边是需要一定时间的，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；

1.4  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：

1.5、显示设备Framebuffer颜色显示类

    1. 单色：每个像素的颜色只有两种，非亮即暗，分别用宏FB_VISUAL_MONO01和FB_VISUAL_MONO10表示；

    2. 伪彩色：用FB_VISUAL_PSEUDOCOLOR和FB_VISUAL_STATIC_PSEUDOCOLOR表示；

    3. 真彩色：用FB_VISUAL_TRUECOLOR表示；

    4. 直接彩色：用FB_VISUAL_DIRECTCOLOR表示；

    5. 灰度：用FB_VISUAL_PSEUDOCOLOR和FB_VISUAL_STATIC_PSEUDOCOLOR表示。

二、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。

2.1  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)。

2.2  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。

        fb_var_screeninfo结构体主要记录用户可以修改的控制器参数，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);
};

2.3  帧缓冲设备作为平台设备

        在博主使用的芯片中，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，故在内核代码中定义有LCD相关的平台设备及资源，代码如下：

//LCD控制器的资源信息
struct resource xxxx_lcdc_resources[] = {
    {
        .name = "xxxx_fbmem",
        .start = xxxx_LCDC_BASEADDR & 0x1fffffff, //控制器IO端口开始地址
        .end = (xxxx_LCDC_BASEADDR & 0x1fffffff) + 0x20 - 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
    },

};
//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
static struct fb_videomode xxxx_video_modes[1] = {
    {
        .name = "800x480",
        .xres = 800, //水平可见的有效像素
        .yres = 480, //垂直可见的有效像素
        .refresh = 60,
        .left_margin = 46, //行切换，从同步到绘图之间的延迟
        .right_margin = 40, //行切换，从绘图到同步之间的延迟
        .upper_margin = 30, //帧切换，从同步到绘图之间的延迟
        .lower_margin = 15, //帧切换，从绘图到同步之间的延迟
        .hsync_len = 42, //水平同步的长度
        .vsync_len = 1, //垂直同步的长度
        .sync = 0,
        .vmode = FB_VMODE_NONINTERLACED,
    },
};
//LCD硬件的配置信息，这些参数要根据具体的LCD屏进行设置
static struct xxxx_fb_platform_data xxxx_fb_pdata = {
    .width = 800, //屏幕宽度
    .height = 480, //屏幕高度
    .num_modes = ARRAY_SIZE(xxxx_video_modes),
    .modes = xxxx_video_modes,
    .bpp = 16,
    .lcd_type = 0,
    //.pixclk_falling_edge = 1,
};
static struct platform_device xxxx_lcdc_device = {
    .name = "xxxx_lcdfb", //作为平台设备的LCD设备名
    .id = -1,
    .resource = xxxx_lcdc_resources, //引用上面定义的资源
    .num_resources = ARRAY_SIZE(xxxx_lcdc_resources), //资源数量
    .dev = {
        .dma_mask = &xxxx_lcdc_device.dev.coherent_dma_mask,
        .coherent_dma_mask = ((1ULL<<(32))-1) ,
        .platform_data = &xxxx_fb_pdata,
    },

};

         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。