嵌入式系統(tǒng)中LCD驅(qū)動的實現(xiàn)原理

結合三星公司ARM9系列嵌入式處理器S3C2410，講解如何進行LCD驅(qū)動程序模塊化編程及如何將驅(qū)動程序靜態(tài)加載進系統(tǒng)內(nèi)核。LCD（液晶顯示）模塊滿足了嵌入式系統(tǒng)日益提高的要求，它可以顯示漢字、字符和圖形，同時還具有低壓、低功耗、體積小、重量輕和超薄等很多優(yōu)點。隨著嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛，功能也越來越強大，對系統(tǒng)中的人機界面的要求也越來越高，在應用需求的驅(qū)使下，許多工作在Linux下的圖形界面軟件包的開發(fā)和移植工作中都涉及到底層LCD驅(qū)動的開發(fā)問題。因此在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)LCD驅(qū)動得以廣泛運用。本文以三星公司ARM9內(nèi)核芯片S3C2410的LCD接口為基礎，介紹了在Linux平臺上開發(fā)嵌入式LCD驅(qū)動程序的一般方法。本文硬件采用三星公司的S3C2410芯片的開發(fā)板，軟件采用Linux2.4.19平臺，編譯器為arm-linux-gcc的交叉編譯器，使用640×480分辨率的TFT彩色LCD，通過對其Linux驅(qū)動程序進行改寫和調(diào)試，成功地實現(xiàn)了對該種屏的驅(qū)動和顯示。嵌入式驅(qū)動的概念設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口，設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它主要完成的功能有：對設備進行初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)、回送應用程序請求的數(shù)據(jù)以及檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。Linux將設備分為最基本的兩大類：一類是字符設備，另一類是塊設備。字符設備和塊設備的主要區(qū)別是：在對字符設備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了。字符設備以單個字節(jié)為單位進行順序讀寫操作，通常不使用緩沖技術；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，并利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)。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)度和同步等問題，實現(xiàn)起來比字符設備復雜得多。LCD是以字符設備方式加以訪問和管理的，Linux把顯示驅(qū)動看做字符設備，把要顯示的數(shù)據(jù)一字節(jié)一字節(jié)地送往LCD驅(qū)動器。Linux的設備管理是和文件系統(tǒng)緊密結合的，各種設備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、關閉和讀寫這些設備文件，完成對設備的操作，就像操作普通的數(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，如硬盤的主設備號是3。Linux為所有的設備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，方法是使用數(shù)據(jù)結構structfile_operations。這個數(shù)據(jù)結構中包括許多操作函數(shù)的指針，如open()、close()、read()和write()等，但由于外設的種類較多，操作方式各不相同。Structfile_operations結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)和用于控制的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)進行具體設備的操作。這樣，應用程序根本不必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。LCD控制器LCD控制器的功能是顯示驅(qū)動信號，進而驅(qū)動LCD。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，完成配置和顯示驅(qū)動。在驅(qū)動LCD設計的過程中首要的是配置LCD控制器，而在配置LCD控制器中最重要的一步則是幀緩沖區(qū)（FrameBuffer）的指定。用戶所要顯示的內(nèi)容皆是從緩沖區(qū)中讀出，從而顯示到屏幕上的。幀緩沖區(qū)的大小由屏幕的分辨率和顯示色彩數(shù)決定。驅(qū)動幀緩沖的實現(xiàn)是整個驅(qū)動開發(fā)過程的重點。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT兩種液晶。對于STN液晶平板，該LCD控制器可支持4位雙掃描、4位單掃描和8位單掃描三種顯示類型，支持4級和16級灰度級單色顯示模式，支持256色和4096色顯示，可接多種分辨率的LCD，例如640×480、320×240和160×160等，在256色顯示模式時，最大可支持4096×1024、2048×2048和1024×4096顯示。TFT液晶平板可支持1-2-4-8bpp（bitsperpixel）調(diào)色板顯示模式和16bpp非調(diào)色板真彩顯示。幀緩沖區(qū)是出現(xiàn)在Linux2.2.xx及以后版本內(nèi)核當中的一種驅(qū)動程序接口，這種接口將顯示設備抽象為幀緩沖區(qū)設備區(qū)。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設備,允許應用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設備。這樣軟件無須了解任何涉及硬件底層驅(qū)動的東西（如硬件寄存器）。它允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區(qū)進行讀寫和I/O控制等操作。通過專門的設備節(jié)點可對該設備進行訪問，如/dev/fb*。用戶可以將它看成是顯示內(nèi)存的一個映像，將其映射到進程地址空間之后，就可以進行讀寫操作，而讀寫操作可以反映到LCD。幀緩沖設備對應的設備文件是/dev/fb*。如果系統(tǒng)有多個顯卡，Linux還支持多個幀緩沖設備，最多可達32個，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb則指向當前的幀緩沖設備，通常情況下，默認的幀緩沖設備為/dev/fb0。幀緩沖設備也屬于字符設備，采用“文件層-驅(qū)動層”的接口方式。在文件層為之定義了以下數(shù)據(jù)結構。Staticstructfile_operationsfb_fops={ower:THIS_MODULE,read:fb_read,/*讀操作*/write:fb_write,/*寫操作*/ioct1:fb_ioct1,/*I/O操作*/mmap:fb_mmap,/*映射操作*/op