嵌入式系统中LCD驱动的实现原理

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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%26;#215;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%26;#215;480、320%26;#215;240和160%26;#215;160等,在256色显示模式时,最大可支持4096%26;#215;1024、2048%26;#215;2048和1024%26;#215;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%26;#215;点阵列数%26;#215;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%26;#215;480,16位彩色,则需要分配的显示缓冲区为640%26;#215;480%26;#215;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(%26;amp;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。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/ledanddisplay/200703/9137.html
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