嵌入式系统中LCD驱动的实现原理

结合三星公司ARM9系列嵌入式处理器S3C2410，讲解如何进行LCD驱动程序模块化编程及如何将驱动程序静态加载进系统内核。LCD（液晶显示）模块满足了嵌入式系统日益提高的要求，它可以显示汉字、字符和图形，同时还具有低压、低功耗、体积小、重量轻和超薄等很多优点。随着嵌入式系统的应用越来越广泛，功能也越来越强大，对系统中的人机界面的要求也越来越高，在应用需求的驱使下，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。因此在嵌入式系统中开发LCD驱动得以广泛运用。本文以三星公司ARM9内核芯片S3C2410的LCD接口为基础，介绍了在Linux平台上开发嵌入式LCD驱动程序的一般方法。本文硬件采用三星公司的S3C2410芯片的开发板，软件采用Linux2.4.19平台，编译器为arm-linux-gcc的交叉编译器，使用640×480分辨率的TFT彩色LCD，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。嵌入式驱动的概念设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它主要完成的功能有：对设备进行初始化和释放；把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；读取应用程序传送给设备文件的数据、回送应用程序请求的数据以及检测和处理设备出现的错误。Linux将设备分为最基本的两大类：一类是字符设备，另一类是块设备。字符设备和块设备的主要区别是：在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了。字符设备以单个字节为单位进行顺序读写操作，通常不使用缓冲技术；块设备则是以固定大小的数据块进行存储和读写的，如硬盘、软盘等，并利用一块系统内存作为缓冲区。为提高效率，系统对于块设备的读写提供了缓存机制，由于涉及缓冲区管理、调度和同步等问题，实现起来比字符设备复杂得多。LCD是以字符设备方式加以访问和管理的，Linux把显示驱动看做字符设备，把要显示的数据一字节一字节地送往LCD驱动器。Linux的设备管理是和文件系统紧密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件，完成对设备的操作，就像操作普通的数据文件一样。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备，而次设备号用来区分同一类型的多个设备。对于常用设备，Linux有约定俗成的编号，如硬盘的主设备号是3。Linux为所有的设备文件都提供了统一的操作函数接口，方法是使用数据结构structfile_operations。这个数据结构中包括许多操作函数的指针，如open()、close()、read()和write()等，但由于外设的种类较多，操作方式各不相同。Structfile_operations结构体中的成员为一系列的接口函数，如用于读/写的read/write函数和用于控制的ioctl等。打开一个文件就是调用这个文件file_operations中的open操作。不同类型的文件有不同的file_operations成员函数，如普通的磁盘数据文件，接口函数完成磁盘数据块读写操作；而对于各种设备文件，则最终调用各自驱动程序中的I/O函数进行具体设备的操作。这样，应用程序根本不必考虑操作的是设备还是普通文件，可一律当作文件处理，具有非常清晰统一的I/O接口。所以file_operations是文件层次的I/O接口。LCD控制器LCD控制器的功能是显示驱动信号，进而驱动LCD。用户只需要通过读写一系列的寄存器，完成配置和显示驱动。在驱动LCD设计的过程中首要的是配置LCD控制器，而在配置LCD控制器中最重要的一步则是帧缓冲区（FrameBuffer）的指定。用户所要显示的内容皆是从缓冲区中读出，从而显示到屏幕上的。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。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT两种液晶。对于STN液晶平板，该LCD控制器可支持4位双扫描、4位单扫描和8位单扫描三种显示类型，支持4级和16级灰度级单色显示模式，支持256色和4096色显示，可接多种分辨率的LCD，例如640×480、320×240和160×160等，在256色显示模式时，最大可支持4096×1024、2048×2048和1024×4096显示。TFT液晶平板可支持1-2-4-8bpp（bitsperpixel）调色板显示模式和16bpp非调色板真彩显示。帧缓冲区是出现在Linux2.2.xx及以后版本内核当中的一种驱动程序接口，这种接口将显示设备抽象为帧缓冲区设备区。帧缓冲区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。这样软件无须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*。用户可以将它看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间之后，就可以进行读写操作，而读写操作可以反映到LCD。帧缓冲设备对应的设备文件是/dev/fb*。如果系统有多个显卡，Linux还支持多个帧缓冲设备，最多可达32个，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb则指向当前的帧缓冲设备，通常情况下，默认的帧缓冲设备为/dev/fb0。帧缓冲设备也属于字符设备，采用“文件层-驱动层”的接口方式。在文件层为之定义了以下数据结构。Staticstructfile_operationsfb_fops={ower:THIS_MODULE,read:fb_read,/*读操作*/write:fb_write,/*写操作*/ioct1:fb_ioct1,/*I/O操作*/mmap:fb_mmap,/*映射操作*/op