嵌入式Linux下彩色LCD驅(qū)動的設計與實現(xiàn)

嵌入式 Linux 下彩色 LCD 驅(qū)動的設計與實現(xiàn)
嵌入式Linux下彩色LCD驅(qū)動的設計與實現(xiàn) PMT 許慶豐 2002年12月 摘 要：本文介紹了如何在嵌入在開發(fā)彩色LCD顯示驅(qū)動的方法，并對Linux中的顯示驅(qū)動程序結(jié)構和框架作一介紹。 關鍵字：ARM，幀緩沖（Framebuffer），MC928MX1。 長期以來，在常見的掌上電腦（PDA）等小型手持式設備上，由于硬件條件等的限制，我們看到的顯示器件通常是單色LCD，用戶界面也非常簡單，幾乎看不到PC機上美觀整齊的圖形界面（GUI）支持。由于早期嵌入式處理器的速度有限，在處理圖形和多媒體數(shù)據(jù)方面也顯得力不從心。 隨著高性能嵌入式處理器的普及和硬件成本的不斷降低，尤其是Arm系列處理器的推出，嵌入式系統(tǒng)的功能也越來越強。在多媒體應用的推動下，彩色LCD也越來越多地應用到了嵌入式系統(tǒng)中，如新一代掌上電腦（PDA）多采用TFT顯示器件，支持彩色圖形界面，圖片顯示和視頻媒體播放。掌上電腦（PDA）的操作系統(tǒng)有微軟Window CE，PalmOS等。而Linux做為開放源代碼的操作系統(tǒng)也在市場中占據(jù)了一席之地。由于Linux成本低廉，任何人都可以得到其源代碼并在其基礎上進行開發(fā)，成為各家廠商極力發(fā)展的操作系統(tǒng)，加上其核心小，潛力可觀。 在應用需求的推動下，Linux下也出現(xiàn)了許多圖形界面軟件包，如MiniGUI、Trolletech公司的Embedded QT等，其圖形界面及開發(fā)工具與Windows CE不相上下。在圖形軟件包的開發(fā)和移植工作中都牽扯到底層LCD的驅(qū)動問題。筆者參與了一個基于ARM9的PDA系統(tǒng)的開發(fā)，用的是摩托羅拉公司龍珠系列的MC928MX1。軟件采用Linux 2.4.18平臺，編譯器為gcc的ARM交叉編譯器。 一． 硬件平臺 MC928MX1（以下簡稱MX1）是摩托羅拉公司基于ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式應用。內(nèi)部采用ARM920T內(nèi)核，并集成了SDRAM/Flash，LCD，USB，藍牙（bluetooth），多媒體閃存卡（MMC），CMOS攝像頭等控制器。 LCD控制器的功能是產(chǎn)生顯示驅(qū)動信號，驅(qū)動LCD顯示器。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，完成配制和顯示控制。MX1中的LCD控制器可支持單色/彩色LCD顯示器。支持彩色TFT時，可提供4/8/12/16位顏色模式，其中16位顏色模式下可以顯示65536種顏色。配置LCD控制器重要的一步是指定顯示緩沖區(qū)，顯示的內(nèi)容就是從緩沖區(qū)中讀出的，其大小由屏幕分辨率和顯示顏色數(shù)決定。在本例中，筆者采用的是夏普LQ035Q2DD54 TFT 顯示模塊，在240x320分辨率下可提供16位彩色顯示。 PMT 版權所有 2002 http://www.pmtsolution.net
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二． Linux下的設備驅(qū)動 Linux將設備分為最基本的兩大類，字符設備和塊設備。字符設備是以單個字節(jié)為單位進行順序讀寫操作，通常不使用緩沖技術，如鼠標等，驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)比較簡單；而塊設備則是以固定大小的數(shù)據(jù)塊進行存儲和讀寫的，如硬盤，軟盤等。為提高效率，系統(tǒng)對于塊設備的讀寫提供了緩存機制，由于涉及緩沖區(qū)管理，調(diào)度，同步等問題，實現(xiàn)起來比字符設備復雜的多。 Linux的設備管理是和文件系統(tǒng)解密結(jié)合的，各種設備名稱都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為設備文件。應用程序可以打開，關閉，讀寫這些設備文件，完成對設備的操作，就象操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。為了管理這些設備，系統(tǒng)為設備編了號，每個設備號又分為主設備號和次設備號。主設備號用來區(qū)分不同種類的設備，而次設備號用來區(qū)分同一類型的多個設備。對于常用設備，Linux有約定俗成的編號，如硬盤主設備號是3。在Linux的/dev/目錄下使用ls -l命令可察看個設備文件的設備號。例如，/dev/hda為塊設備，主設備號3，次設備號0，是系統(tǒng)的第一塊硬盤。/dev/hd1主設備號3，次設備號1，為系統(tǒng)的第二塊硬盤。我們將要介紹的顯示設備也是一個設備文件/dev/fb，主設備號29。在編寫設備驅(qū)動程序的時候，也要指明所操作設備的主設備號和次設備號。 Linux的特點之一，是為所有的文件，包括設備文件，提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，定義如下： struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); }; 結(jié)構體中的成員為一系列的接口函數(shù)，如用于讀/寫的read/ write函數(shù)，用于控制的ioctl等。打開一個文件就是調(diào)用這個文件file_operations中的open操作。不同類型的文件有不同的file_operations成員函數(shù)。如普通的磁盤數(shù)據(jù)文件，接口函數(shù)完成磁盤數(shù)據(jù)塊讀寫操作；而對于各種設備文件，則最終調(diào)用各自驅(qū)動程序中的I/O函數(shù)進行具體設備的操
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作。這樣，應用程序根本不用考慮操作的是設備還是普通文件，可一律當作文件處理，具有非常清晰統(tǒng)一的I/O接口。所以file_operations是文件層次的I/O接口。 但是，由于外設的種類繁多，操作方式也各不相同。如聲音設備驅(qū)動要使用DMA通道，顯示設備驅(qū)動要提供對顯存的操作，硬盤驅(qū)動要處理復雜的緩沖區(qū)結(jié)構，網(wǎng)絡設備驅(qū)動和socket聯(lián)系緊密。如果file_operations中的函數(shù)都讓驅(qū)動程序的開發(fā)人員來寫，則就要處理大量的細節(jié)，幾乎是不可能的。為了解決設備多樣性的問題，Linux采用了特殊情況特殊處理的辦法，為不同設備定義好了文件層次file_operations結(jié)構中的接口函數(shù)，其中處理了大多數(shù)設備相關的操作，如各種緩沖區(qū)的申請和釋放等等，而具體操作底層硬件的一小部分則留給開發(fā)人員。所以Linux另外提供一個文件層到底層驅(qū)動程序的接口，通常為一個結(jié)構體，其中包含成員變量和函數(shù)指針。不同的設備驅(qū)動有不同的結(jié)構體。這樣，一方面保證了文件層I/O接口file_operations的一致性，另一方面驅(qū)動程序的開發(fā)人員也不用了解太多細節(jié)，只專著于硬件相關的I/O操作就可以了。例如，一個有代表性的特殊設備是聲音設備，其文件層的file_operations定義如下： struct file_operations oss_sound_fops = { owner: THIS_MODULE, llseek: sound_lseek, read: sound_read, write: sound_write, poll: sound_poll, ioctl: sound_ioctl, mmap: sound_mmap, open: sound_open, release: sound_release, }; 其中的sound_read，sound_write等函數(shù)Linux都已提供，處理了與聲音設備相關的許多細節(jié)，如DMA的申請，釋放和操作等。而文件層到驅(qū)動程序的接口為audio_driver結(jié)構，其中包含底層操作函數(shù)。文件層的sound_read，sound_write會在需要時調(diào)用audio_driver中的函數(shù)。開發(fā)人員只要編寫audio_driver中的函數(shù)就可以了，最大程度地減小了工作量。下面我們將看到，Linux為顯示設備提供的幀緩沖驅(qū)動也是這種“文件層-驅(qū)動層”的接口方式。 三． Linux的幀緩沖設備 幀緩沖（framebuffer）是Linux為顯示設備提供的一個接口，把顯存抽象后的一種設備，他允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區(qū)進行讀寫操作。這種操作是抽象的，統(tǒng)一的。用戶不必關心物理顯存的位置、換頁機制等等具體細節(jié)。這些都是由Framebuffer設備驅(qū)動來完成的。幀緩沖驅(qū)動的應用廣泛，在linux的桌面系統(tǒng)中，Xwindow服務器就是利用幀緩沖進行窗口的繪制。尤其是通過幀緩沖可顯示漢字點陣，成為Linux漢化的唯一可行方案。 幀緩沖設備對應的設備文件為/dev/fb*，如果系統(tǒng)有多個顯示卡，Linux下還可支持多個幀緩沖設備，最多可達32個，分別為/dev/fb0到/dev/fb31，而/dev/fb則為當前缺省的幀緩沖設備，通常指向/dev/fb0。當然在嵌入式系統(tǒng)中支持一個顯示設備就夠了。幀緩沖設備為標準字符設備，主設備號為29，次設備號則從0到31。分別對應/dev/fb0-/dev/fb31。 PMT 版權所有 2002 http://www.pmtsolution.net
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通過/dev/fb，應用程序的操作主要有這幾種： 1． 讀/寫（read/write）/dev/fb：相當于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。例如用 cp /dev/fb0 tmp命令可將當前屏幕的內(nèi)容拷貝到一個文件中，而命令cp tmp > /dev/fb0 則將圖形文件tmp顯示在屏幕上。 2． 映射（map）操作：由于Linux工作在保護模式，每個應用程序都有自己的虛擬地址空間，在應用程序中是不能直接訪問物理緩沖區(qū)地址的。為此，Linux在文件操作 file_operations結(jié)構中提供了mmap函數(shù)，可將文件的內(nèi)容映射到用戶空間。對于幀緩沖設備，則可通過映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上繪圖了。實際上，使用幀緩沖設備的應用程序都是通過映射操作來顯示圖形的。由于映射操作都是由內(nèi)核來完成，下面我們將看到，幀緩沖驅(qū)動留給開發(fā)人員的工作并不多。 3． I/O控制：對于幀緩沖設備，對設備文件的ioctl操作可讀取/設置顯示設備及屏幕的參數(shù)，如分辨率，顯示顏色數(shù)，屏幕大小等等。ioctl的操作是由底層的驅(qū)動程序來完成的。 在應用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下： 1． 打開/dev/fb設備文件。 2． 用ioctrl操作取得當前顯示屏幕的參數(shù)，如屏幕分辨率，每個像素點的比特數(shù)。根據(jù)屏幕參數(shù)可計算屏幕緩沖區(qū)的大小。 3． 將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間。 4． 映射后就可以直接讀寫屏幕緩沖區(qū)，進行繪圖和圖片顯示了。 典型程序段如下： #include linux/fb.h> int main() { int fbfd = 0; struct fb_var_screeninfo vinfo; struct fb_fix_screeninfo finfo; long int screensize = 0; /*打開設備文件*/ fbfd = open(/dev/fb0, O_RDWR); /*取得屏幕相關參數(shù)*/ ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, finfo); ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, vinfo); /*計算屏幕緩沖區(qū)大小*/ screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8; /*映射屏幕緩沖區(qū)到用戶地址空間*/ fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0); /*下面可通過fbp指針讀寫緩沖區(qū)*/ ……
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四． 幀緩沖驅(qū)動的編寫 幀緩沖設備屬于字符設備，與聲音設備一樣，也采用“文件層-驅(qū)動層”的接口方式。在文件層次上，Linux為其定義了 static struct file_operations fb_fops = { owner: THIS_MODULE, read: fb_read, /* 讀操作 */ write: fb_write, /* 寫操作 */ ioctl: fb_ioctl, /* 控制操作 */ mmap: fb_mmap, /* 映射操作 */ open: fb_open, /* 打開操作 */ release: fb_release, /* 關閉操作 */ }; 其中的成員函數(shù)都在文件linux/driver/video/fbmem.c中定義。 由于顯示設備的特殊性，在驅(qū)動層的接口中不但要包含底層函數(shù)，還要有一些紀錄設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)。Linux為幀緩沖設備定義的驅(qū)動層接口為struct fb_info結(jié)構，在include/linux/fb.h中定義。這個結(jié)構比較長，限于篇幅，文章中就不全部列出了。幸運的是，嵌入式系統(tǒng)要求的顯示操作比較簡單，只涉及到結(jié)構中少數(shù)幾個成員，下面只對編寫驅(qū)動中要用到的幾個關鍵成員作一說明。 fb_info中紀錄了幀緩沖設備的全部信息，包括設備的設置參數(shù)，狀態(tài)以及操作函數(shù)指針。每一個幀緩沖設備都必須對應一個fb_info結(jié)構。其中成員變量Modename為設備名稱，fontname為顯示字體，fbops為指向底層操作的函數(shù)的指針，這些函數(shù)是需要驅(qū)動程序開發(fā)人員編寫的。成員fb_var_screeninfo和 fb_fix_screeninfo也是結(jié)構體。其中fb_var_screeninfo記錄用戶可修改的顯示控制器參數(shù)，包括屏幕分辨率和每個像素點的比特數(shù)。fb_var_screeninfo中的xres定義屏幕一行有多少個點, yres定義屏幕一列有多少個點, bits_per_pixel定義每個點用多少個字節(jié)表示。而fb_fix_screeninfo中記錄用戶不能修改的顯示控制器的參數(shù)，如屏幕緩沖區(qū)的物理地址，長度。當對幀緩沖設備進行映射操作的時候，就是從fb_fix_screeninfo中取得緩沖區(qū)物理地址的。上面所說的數(shù)據(jù)成員都是需要在驅(qū)動程序中設置的。 在了解了上面所述的概念后，編寫幀緩沖驅(qū)動的實際工作并不復雜，需要做的工作是： 1． 編寫初始化函數(shù)：初始化函數(shù)首先初始化LCD控制器，設置顯示模式和顯示顏色數(shù)，然后分配LCD顯示緩沖區(qū)。在Linux可通過kmalloc函數(shù)分配一片連續(xù)的空間。筆者采用的LCD顯示方式為240x320，16位彩色。需要分配的顯示緩沖區(qū)為240x320x2 = 150k字節(jié)，緩沖區(qū)通常分配在片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制器寄存器中。 最后是初始化一個fb_info結(jié)構，填充其中的成員變量，并調(diào)用register_framebuffer(fb_info)將fb_info登記入內(nèi)核。 2． 編寫結(jié)構fb_info中函數(shù)指針fb_ops對應的成員函數(shù)：對于嵌入式系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)，只需要下列三個函數(shù)就可以了： struct fb_ops {
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…….. 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中定義。這些函數(shù)都是用來設置/獲取fb_info結(jié)構中的成員變量的。當應用程序?qū)υO備文件進行Ioctl操作時候會調(diào)用它們，讀者可參考前文中的應用程序例子。例如，對于fb_get_fix（），應用程序傳入的是fb_fix_screeninfo結(jié)構，在函數(shù)中對其成員變量賦值，主要是smem_start（緩沖區(qū)起始地址）和smem_len（緩沖區(qū)長度），最終返回給應用程序。而fb_set_var（）函數(shù)的傳入?yún)?shù)是fb_var_screeninfo，函數(shù)中需要對xres，yres,和bits_per_pixel賦值。 驅(qū)動程序編寫完成后，開發(fā)者可選擇將其編譯為動態(tài)加載模塊，或靜態(tài)地編譯入內(nèi)核中。由于篇幅所限，有關這方面的內(nèi)容請讀者參考相關驅(qū)動程序文檔。 五． 結(jié)束語 由于篇幅所限，本文中僅對幀緩沖設備驅(qū)動的基本原理和框架做了簡單介紹。幸運的是，在Linux的發(fā)布版本中，包含了大量的設備驅(qū)動程序源代碼，其中drvers/video下提供了多種顯示卡的幀緩沖設備驅(qū)動程序程序，用戶自己的驅(qū)動程序可參考成熟的代碼編寫或直接修改得到。 參考資料 《MC928MX1 User Manual》 《Linux frame buffer driver howto》 作者簡介 許慶豐 Libo小組發(fā)起人?，F(xiàn)任職于摩托羅拉半導體部，主要研究方向是嵌入式操作系統(tǒng)和應用。 Libo小組面向所有對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)感興趣的人士，旨在促進和推廣嵌入式系統(tǒng)的應用、相關的開源技術及行業(yè)內(nèi)的交流。Libo在線討論組： http://www.smiling.com.cn/group/homepage.ecgi?group_id=36725 PMT 版權所有 2002 http://www.pmtsolution.net