在Linux下驱动STN彩色LCD

    伴随着高性能嵌入式处理器的飞速发展与普及，特别是ARM处理器系列的出现，嵌入式系统的功能也变得越来越强大。以前的单色LCD已不能满足现今的各种多媒体应用，彩色LCD被越来越多地应用到嵌入式系统中。同时，在应用需求的促使下，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。
　　
　　在硬件采用Intel ASSABET开发板，软件采用Linux 2.4.19平台，编译器为arm-linux-gcc的交叉编译器作为开发的前提下，因为ASSABET开发板上使用的是Sharp 3.9英寸320×240 TFT彩色LCD，现改用Kyocera 7.7英寸640×480 STN型彩色LCD，所以通过对其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。
　　
　　LCD
　　
　　控制器
　　LCD控制器的功能是显示驱动信号，进而驱动LCD显示器。在驱动LCD设计的过程中首要的是配置LCD控制器。在配置LCD控制器中最重要的一步则是帧缓冲区的指定。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。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。
　　
　　ASSABET开发板采用SA1110作为处理器。SA1110微处理器是Intel公司生产的一种基于StrongARM环境的微处理器。该处理器内部有一LCD驱动控制器，可支持单、双屏显示和最大1024×1024dpi。每个像素数据以4、8、12或16位编码后存储于外部存储器内，通过LCD的专用DAM控制器，被装入至532位的FIFO中。在双屏显示时，两个DMA通道分别负责上下屏幕的显示，但只有第一个DMA通道有调色板缓冲器。帧缓冲器中的已编码像素数据是作为指针指向256×12位的调色板。调色板的色调数据控制着抖动逻辑，以产生各种灰度和彩色信号并从LCD数据引脚输出。
　　
　　显示屏
　　LCD选择Kyocera公司的7.7英寸STN型LCD。该LCD可在640×480分辨率的情况下提供12位彩色显示。该屏为双屏扫描模式，具有两个8位的数据通道，每种基色都由4位的抖动逻辑来产生15级灰度，因此可以显示最多153=3375种可能的颜色。
　　
　　驱动LCD的设计
　　
　　帧缓冲设备
　　帧缓冲设备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。这样软件无需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*。
　　
　　Linux下可支持多个帧缓冲设备，最多可达32个，即从/dev/fb0到/dev/fb31。通常情况下，缺省的帧缓冲设备为/dev/fb0。
　　
　　在SA1110处理器的LCD控制器操作中，帧缓冲器用于存放全部屏幕的所有编码像素数据。在它的最低位地址处是32或512字节的缓冲器，用来存放调色板数据表。32位缓冲器用于4、12或16位像素编码的16项调色板；512字节缓冲器用于装入8位像素编码的256项调色板。在12或16位像素编码时，不使用调色板，此时的帧缓冲器的起始32字节必须填入全零。
　　
　　主要结构体
　　
　　struct fb_fix_screeninfo中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中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是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。
　　
　　Linux内核配置与编译
　　
　　使用下面的命令启动Linux内核配置工具：
　　#make menuconfig
　　
　　启动如下内核选项，选择对应的选项之后，执行下面的命令：
　　
　　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
　　
　　驱动帧缓冲的设计
　　帧缓冲设备属于字符设备，采用了“文件层－驱动层”的接口方式。Linux为帧缓冲设备定义的驱动层接口为struct fb_info结构。在文件层次上，Linux为其定义了下面的操作函数：
　　
　　static struct file_operations fb_fops = {
　　owner: THIS_MODULE,
　　read: fb_read,　/* 读操作*/
　　write: fb_write,　/* 写操作*/
　　ioctl: fb_ioctl,　/* 控制操作*/
　　mmap: fb_mmap,　/* 映射操作*/
　　open: fb_open,　/* 打开操作*/
　　release: fb_release,　/*关闭操作*/
　　};
　　
　　应用程序层对帧缓冲设备的访问同对文件的访问操作类似。在应用程序中，对帧缓冲设备（dev/fb）的操作只需调用文件层的操作函数。首先打开/dev/fb设备文件；随后用ioctl操作取得屏幕的分辨率和bpp值，从而计算出屏幕缓冲区的大小，并将屏幕的缓冲区映射到用户空间；最后就可直接对屏幕缓冲区进行图片显示。
　　
　　嵌入式Linux操作系统对帧缓冲的初始化入口在fbmem.c中的如下定义：
　　
　　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
　　
　　通过该入口可进入帧缓冲的初始化函数。下面是对整个帧缓冲的实现过程。
　　
　　首先，根据所选择的STN型LCD先初始化显示屏幕的分辨率（640×480）、每个像素的比特数（实际所选的LCD为12bpp，但在设计中可作为16bpp来设计。这是因SA1110的LCD控制器对两者处理方式相同而只有色彩深度的比例不同的缘故）和各种时序值。随后这些值将会被写入LCD控制器的控制寄存器LCCR0到LCCR3内，即完成对LCD控制器内一部分寄存器的配置。特殊的一点,因为所选的LCD是12bpp显示，所以rgbt色彩的深度比值应为4:4:4:0。
　　
　　其次对LCD进行显示缓冲区的分配。该过程由kmalloc函数实现动态分配一片连续的空间，需要分配的缓冲区大小为600K字节。缓冲区是在SDRAM中分配大容量的地址，存储器映射至SA1110内，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。在此完全初始化一个fb_info结构，填充其中的各成员变量。之后进行中断处理请求和各种变量和调色板等的设置。然后注册驱动程序，通过调用register_framebuffer(&fb_info)实现将fb_info登记入内核。最后，启动GPIO9~2和LCD控制器。
　　
　　效果
　　
　　因为该设计将驱动作为内核的一部分，而不是模块加载的方式，所以需重新编译内核，并将新编译的Linux内核下载到开发板内。重新启动系统后，通过应用程序检测，可以使屏幕显示任意所需图片，表明了驱动LCD显示的设计已成功实现。
　　
　　在对嵌入式Linux系统进行驱动LCD的开发时，不仅涉及到对开发板的了解（特别是微处理器和外围接口），还要求熟练配置Linux内核、掌握Linux的整个系统启动过程和Linux下开发设备驱动程序过程，同时开发人员还需掌握所开发的LCD技术资料。本文具体的介绍驱动LCD过程中驱动帧缓冲的设计。该设计的实现使得此LCD可应用在嵌入式开发的多种领域，因此具有实用价值。

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