在Linux下驅動STN彩色LCD

2019-11-18 12:28:03

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供稿：網友

　　伴隨著高性能嵌入式處理器的飛速發展與普及，非凡是ARM處理器系列的出現，嵌入式系統的功能也變得越來越強大。以前的單色LCD已不能滿足現今的各種多媒體應用，彩色LCD被越來越多地應用到嵌入式系統中。同時，在應用需求的促使下，許多工作在linux下的圖形界面軟件包的開發和移植工作中都涉及到底層LCD驅動的開發問題。
　　
　　在硬件采用Intel ASSABET開發板，軟件采用Linux 2.4.19平臺，編譯器為arm-linux-gcc的交叉編譯器作為開發的前提下，因為ASSABET開發板上使用的是Sharp 3.9英寸320×240 TFT彩色LCD，現改用Kyocera 7.7英寸640×480 STN型彩色LCD，所以通過對其Linux驅動程序進行改寫和調試，成功地實現了對該種屏的驅動和顯示。
　　
　　LCD
　　
　　控制器
　　LCD控制器的功能是顯示驅動信號，進而驅動LCD顯示器。在驅動LCD設計的過程中首要的是配置LCD控制器。在配置LCD控制器中最重要的一步則是幀緩沖區的指定。用戶所要顯示的內容皆是從緩沖區中讀出，從而顯示到屏幕上。幀緩沖區的大小由屏幕的分辨率和顯示色彩數決定。驅動幀緩沖的實現是整個驅動開發過程的重點。
　　
　　ASSABET開發板采用SA1110作為處理器。SA1110微處理器是Intel公司生產的一種基于StrongARM環境的微處理器。該處理器內部有一LCD驅動控制器，可支持單、雙屏顯示和最大1024×1024dpi。每個像素數據以4、8、12或16位編碼后存儲于外部存儲器內，通過LCD的專用DAM控制器，被裝入至532位的FIFO中。在雙屏顯示時，兩個DMA通道分別負責上下屏幕的顯示，但只有第一個DMA通道有調色板緩沖器。幀緩沖器中的已編碼像素數據是作為指針指向256×12位的調色板。調色板的色調數據控制著抖動邏輯，以產生各種灰度和彩色信號并從LCD數據引腳輸出。
　　
　　顯示屏
　　LCD選擇Kyocera公司的7.7英寸STN型LCD。該LCD可在640×480分辨率的情況下提供12位彩色顯示。該屏為雙屏掃描模式，具有兩個8位的數據通道，每種基色都由4位的抖動邏輯來產生15級灰度，因此可以顯示最多153=3375種可能的顏色。
　　
　　驅動LCD的設計
　　
　　幀緩沖設備
　　幀緩沖設備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,答應應用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設備。這樣軟件無需了解任何涉及硬件底層驅動的東西(如硬件寄存器)。它答應上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區進行讀寫和I/O控制等操作。通過專門的設備節點可對該設備進行訪問，如/dev/fb*。
　　
　　Linux下可支持多個幀緩沖設備，最多可達32個，即從/dev/fb0到/dev/fb31。通常情況下，缺省的幀緩沖設備為/dev/fb0。
　　
　　在SA1110處理器的LCD控制器操作中，幀緩沖器用于存放全部屏幕的所有編碼像素數據。在它的最低位地址處是32或512字節的緩沖器，用來存放調色板數據表。32位緩沖器用于4、12或16位像素編碼的16項調色板；512字節緩沖器用于裝入8位像素編碼的256項調色板。在12或16位像素編碼時，不使用調色板，此時的幀緩沖器的起始32字節必須填入全零。
　　
　　主要結構體
　　
　　strUCt fb_fix_screeninfo中記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的不可修改信息。它包含了屏幕緩沖區的物理地址和長度。
　　
　　struct fb_var_screeninfo中記錄了幀緩沖設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，yres定義了屏幕一列所占的像素數，bits_per_pixel定義了每個像素用多少個位來表示。
　　
　　struct fb_info是Linux為幀緩沖設備定義的驅動層接口。它不僅包含了底層函數，而且還有記錄設備狀態的數據。每個幀緩沖設備都與一fb_info結構相對應。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的指針。
　　
　　Linux內核配置與編譯
　　
　　使用下面的命令啟動Linux內核配置工具：
　　#make menuconfig
　　
　　啟動如下內核選項，選擇對應的選項之后，執行下面的命令：
　　
　　Console drivers --->
　　Frame-buffer support--->
　　[*]　Support for frame buffer devices (EXPERIMENTAL)
　　[*]　SA-1100 LCD support (NEW)
　　[*]　Advanced low level driver options (NEW)
　　[*]　16 bpp packed pixels support (NEW)
　　[*]　Select compiled-in fonts (NEW)
　　[*]　VGA 88 font
　　#make dep
　　#make zImage
　　
　　驅動幀緩沖的設計
　　幀緩沖設備屬于字符設備，采用了“文件層－驅動層”的接口方式。Linux為幀緩沖設備定義的驅動層接口為struct fb_info結構。在文件層次上，Linux為其定義了下面的操作函數：
　　
　　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*/
　　};
　　
　　應用程序層對幀緩沖設備的訪問同對文件的訪問操作類似。在應用程序中，對幀緩沖設備（dev/fb）的操作只需調用文件層的操作函數。首先打開/dev/fb設備文件；隨后用ioctl操作取得屏幕的分辨率和bpp值，從而計算出屏幕緩沖區的大小，并將屏幕的緩沖區映射到用戶空間；最后就可直接對屏幕緩沖區進行圖片顯示。
　　
　　嵌入式Linux操作系統對幀緩沖的初始化入口在fbmem.c中的如下定義：
　　
　　static struct {
　　const char *name;
　　int (*init)(void);
　　int (*setup)(char*);
　　} fb_drivers[ ]__initdata = {
　　#ifdef CONFIG_FB_YOURCARD
　　{ "driver_name", xxxfb_init, xxxfb_setup },
　　#endif
　　
　　通過該入口可進入幀緩沖的初始化函數。下面是對整個幀緩沖的實現過程。
　　
　　首先，根據所選擇的STN型LCD先初始化顯示屏幕的分辨率（640×480）、每個像素的比特數（實際所選的LCD為12bpp，但在設計中可作為16bpp來設計。這是因SA1110的LCD控制器對兩者處理方式相同而只有色彩深度的比例不同的緣故）和各種時序值。隨后這些值將會被寫入LCD控制器的控制寄存器LCCR0到LCCR3內，即完成對LCD控制器內一部分寄存器的配置。非凡的一點,因為所選的LCD是12bpp顯示，所以rgBT色彩的深度比值應為4:4:4:0。
　　
　　其次對LCD進行顯示緩沖區的分配。該過程由kmalloc函數實現動態分配一片連續的空間，需要分配的緩沖區大小為600K字節。緩沖區是在SDRAM中分配大容量的地址，存儲器映射至SA1110內，其中上半屏起始地址保存到LCD控制器的寄存器DBAR1中，下半屏起始地址保存到DBAR2中。在此完全初始化一個fb_info結構，填充其中的各成員變量。之后進行中斷處理請求和各種變量和調色板等的設置。然后注冊驅動程序，通過調用register_framebuffer(&fb_info)實現將fb_info登記入內核。最后，啟動GPIO9~2和LCD控制器。
　　
　　效果
　　
　　因為該設計將驅動作為內核的一部分，而不是模塊加載的方式，所以需重新編譯內核，并將新編譯的Linux內核下載到開發板內。重新啟動系統后，通過應用程序檢測，可以使屏幕顯示任意所需圖片，表明了驅動LCD顯示的設計已成功實現。
　　
　　在對嵌入式Linux系統進行驅動LCD的開發時，不僅涉及到對開發板的了解（非凡是微處理器和外圍接口），還要求熟練配置Linux內核、把握Linux的整個系統啟動過程和Linux下開發設備驅動程序過程，同時開發人員還需把握所開發的LCD技術資料。本文具體的介紹驅動LCD過程中驅動幀緩沖的設計。該設計的實現使得此LCD可應用在嵌入式開發的多種領域，因此具有實用價值。

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