ARM9系列嵌入式處理器S3C2410系統(tǒng)中LCD驅(qū)動開發(fā)

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　　本文以三星公司ARM9內(nèi)核芯片S3C2410的LCD接口為基礎(chǔ)，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Linux 2.4.19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(jìn)行改寫和調(diào)試，成功地實(shí)現(xiàn)了對該種屏的驅(qū)動和顯示。

　　嵌入式驅(qū)動的概念

　　設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)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(shè)備進(jìn)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(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)、回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)以及檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。

　　Linux將設(shè)備分為最基本的兩大類：一類是字符設(shè)備，另一類是塊設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是：在對字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請求時，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了。字符設(shè)備以單個字節(jié)為單位進(jìn)行順序讀寫操作，通常不使用緩沖技術(shù);塊設(shè)備則是以固定大小的數(shù)據(jù)塊進(jìn)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(shè)備的讀寫提供了緩存機(jī)制，由于涉及緩沖區(qū)管理、調(diào)度和同步等問題，實(shí)現(xiàn)起來比字符設(shè)備復(fù)雜得多。LCD是以字符設(shè)備方式加以訪問和管理的，Linux把顯示驅(qū)動看做字符設(shè)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(shè)備管理是和文件系統(tǒng)緊密結(jié)合的，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為設(shè)備文件。應(yīng)用程序可以打開、關(guān)閉和讀寫這些設(shè)備文件，完成對設(shè)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(shè)備，系統(tǒng)為設(shè)備編了號，每個設(shè)備號又分為主設(shè)備號和次設(shè)備號。主設(shè)備號用來區(qū)分不同種類的設(shè)備，而次設(shè)備號用來區(qū)分同一類型的多個設(shè)備。對于常用設(shè)備，Linux有約定俗成的編號，如硬盤的主設(shè)備號是3。

　　Linux為所有的設(shè)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(jié)構(gòu)struct file_operations。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)的種類較多，操作方式各不相同。Struct file_operations結(jié)構(gòu)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(shè)備文件，則最終調(diào)用各自驅(qū)動程序中的I/O函數(shù)進(jìn)行具體設(shè)備的操作。這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是普通文件，可一律當(dāng)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(jìn)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(shè)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(shí)現(xiàn)是整個驅(qū)動開發(fā)過程的重點(diǎn)。

　　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(bits per pixel)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Linux 2.2.xx及以后版本內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動程序接口，這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)設(shè)備區(qū)。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設(shè)備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設(shè)備,允許應(yīng)用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設(shè)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(yīng)用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫和I/O控制等操作。通過專門的設(shè)備節(jié)點(diǎn)可對該設(shè)備進(jìn)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(jìn)程地址空間之后，就可以進(jìn)行讀寫操作，而讀寫操作可以反映到LCD。

　　幀緩沖設(shè)備對應(yīng)的設(shè)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(shè)備，最多可達(dá)32個，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb則指向當(dāng)前的幀緩沖設(shè)備，通常情況下，默認(rèn)的幀緩沖設(shè)備為/dev/fb0。

　　幀緩沖設(shè)備也屬于字符設(shè)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(jié)構(gòu)。

　　Static struct file_operations fb_fops={

　　ower: THIS_MODULE,

　　read: fb_read,

　　write: fb_write,

　　ioct1: fb_ioct1,

　　mmap: fb_mmap,

　　open: fb_open,

　　release: fb_release,

　　}

　　其成員函數(shù)都在linux/driver/video/fbmem.c中定義，其中的函數(shù)對具體的硬件進(jìn)行操作，對寄存器進(jìn)行設(shè)置，對顯示緩沖進(jìn)行映射。主要結(jié)構(gòu)體還有以下幾個。

　　● Struct fb_fix_screeninfo：記錄了幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的不可修改信息。它包含了屏幕緩沖區(qū)的物理地址和長度。

　　● Struct fb_var_screeninfo：記錄了幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息。它包括顯示屏幕的分辨率、每個像素的比特數(shù)和一些時序變量。其中變量xres定義了屏幕一行所占的像素數(shù)，yres定義了屏幕一列所占的像素數(shù)，bits_per_pixel定義了每個像素用多少個位來表示。

　　● Struct fb_info：Linux為幀緩沖設(shè)備定義的驅(qū)動層接口。它不僅包含了底層函數(shù)，而且還有記錄設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)。每個幀緩沖設(shè)備都與一個fb_info結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。其中成員變量modename為設(shè)備名稱，fontname為顯示字體，fbops為指向底層操作的函數(shù)的指針。