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嵌入式Linux下的LCD驅動程序設計與實現
電子科技
陳 濤 余學才 朱良銷 王世陽 蘇 柯
摘要: 嵌入式Linux下的LCD驅動程序設計與實現,從設備驅動程序的作用、分類及文件操作,對設備驅動開發的相關知識作了簡單介紹。通過對LCD和Framebuffer原理的說明,以ARM處理器S3C2410嵌入式芯片為平臺,設計了嵌入式Linux下的基于幀緩沖的LCD設備驅動程序。通過測試程序的編譯運行,在LCD上顯示了彩色條紋,完成了驅動設計的要求。
Abstract:
Key words :

隨著嵌入式Linux" title="嵌入式Linux">嵌入式Linux的迅速發展,由于其沒有昂貴的版權費,完全開放源代碼,可裁減性與可移植性,因此是開發嵌入式產品的優秀操作系統平臺。設備驅動程序是Linux內核的重要組成部分,運行在Linux內核底層,在內核源代碼中占較大比例,驅動程序開發逐漸成為嵌入式軟件開發中一項重要工作。應項目設計的需要完成了嵌入式Linux下的LCD驅動" title="LCD驅動">LCD驅動程序設計。

1 Linux下設備驅動程序
   
驅動程序從字面上可以理解為一類程序,這類程序的目的一般是驅動硬件正常工作,所以通常所說的驅動程序都是針對特定的硬件來編寫的。Linux設備驅動程序是為特定的硬件提供給用戶程序的一組標準化接口,它隱藏了設備工作的細節。Linux系統下驅動程序是運行在內核態的,是和內核連接在一起的程序。如果運行在用戶態的應用程序想控制硬件設備,必須通過驅動程序來控制。
    Linux系統的設備分為3種類型,分別是字符設備、塊設備和網絡設備。文中所涉及的LCD驅動屬于字符型設備驅動程序。在對字符設備發出讀、寫請求時,實際的硬件I/O一般就緊接著發生了。Linux系統訪問設備就像訪問文件一樣,例如打開關閉設備系統調用open()和close()函數。在Linux內核中,字符設備使用struct file_operations結構來定義設備的各種操作集合。編寫字符設備驅動程序,主要是實現str-uct file_operations結構中的各個函數。

2 基于FFamebuffer的LCD驅動程序設計
2.1 LCD簡介

    設計中采用的嵌入式微處理器是Samsung公司的S3C2410" title="S3C2410">S3C2410,LCD控制器主要用于傳輸顯示數據和產生控制信號,用戶只需通過讀寫一系列寄存器即可完成配置和顯示控制,圖1是S3C2410平臺LCD控制器的結構圖。


    其各個信號描述及功能如表1所示。


2.2 Framebutfvr概述
    Framebuffer即幀緩沖,是圖形設備的一個提取或抽象,他把一些視頻設備描繪成一個緩沖區,允許應用程序通過Framebuffer所定義的良好接口訪問圖形設備。Framebuffer是出現在Linux2.2.xx內核當中的一種驅動程序接口。Linux工作在保護模式下,所以用戶態進程無法像DOS那樣使用顯卡BIOS里提供的中斷調用來實現直接寫屏,Linux抽象出Framebuffer這個設備供用戶態進程實現直接寫屏。Framebuffer機制模仿顯卡的功能,將顯卡硬件結構抽象化,可以通過Framebuffer的讀寫直接對顯存進行操作。用戶可以將Framebuffer看成是顯示內存的一個映像,將其映射到進程地址空間之后,就可以直接進行讀寫操作,而寫操作可以立即反應在屏幕上。這種操作是抽象、統一的,用戶不必關心物理顯存的位置、換頁機制等具體細節,這些由Framebuffer設備驅動完成。
2.3 驅動程序設計與實現
2.3.1 LCD驅動的模塊加載與卸載

    LCD作為一個相對獨立的硬件單元,被認定為平臺設備,在驅動模塊加載和卸載函數中,就分別注冊和注銷對應的platform_driver。
2.3.2 LCD驅動的探測與移除函數
   
探測函數probe主要完成LCD控制器初始化的工作,包括對fb_info結構成員的初始化、內存分配、寄存器的配置、Framebuffer的注冊等。模塊卸載函數中對平臺驅動的注銷會導致其中移除函數的執行,這個函數釋放顯示緩沖區并注銷幀緩沖設備。
2.3.3 LCD驅動的fb_ops成員函數
   
在程序設計里,定義LCD驅動的fb_ops結構體和相關函數功能如下所示

    可以看出,fb_ops()結構體類似于file_opera tions()結構體,提供了一個幀緩沖設備的統一接口。s3c2410_ops()函數給出了標準接口到針對具體硬件操作函數的跳轉指針。
2.3.4 Framebuffer設備驅動程序的設計
   
驅動程序主要完成的工作有以下5部分:
    (1)編寫初始化函數
    Framebuffer驅動首先要初始化LCD控制器,通過相關寄存器來設置LCD相對應的顯示模式和顏色數,然后分配顯示緩沖區。通常用vmall-oc()函數分配一段連續空間,緩沖區的大小可以用“點陣行數×點陣列數×一個像素的位數/8”計算得到。
    如果使用模塊化加載方式,加載LCD驅動模塊時,系統調用fb_init()函數。卸載LCD驅動模塊時,系統首先調用unregister_framebuffer()取消注冊,然后釋放顯示緩沖區的內存。
    (2)編寫成員函數
    主要負責編寫fb_ops()對應的底層操作函數。
    (3)讀/寫(read/write)
    完成對幀緩沖區的讀寫操作。
    (4)映射(map)
    Linux有內核空間和用戶空間,平時工作在保護模式,每個應用程序進程都有自己的虛擬地址空間,應用程序不能直接訪問物理緩沖地址。但是,Linux在文件操作接口(file_operations)中提供了地址映射(mmap)操作,它可以將文件的內容映射到用戶空間,這樣用戶就可以通過讀寫這段地址來訪問緩沖區,并在屏幕上繪圖。
    (5)輸入/輸出控制
    設備文件的ioctl()調用可以讀取和設置顯示設備的參數,如分辨率、支持顏色數、屏幕大小等。

3 結束語
   
在編寫完驅動程序后,將該驅動程序以加載模塊的方式進行編譯,并將編譯好的LCD設備驅動下載到目標板上,通過編寫一個簡單的測試Framebuffer設備驅動的應用程序,實現了設備的打開、關閉、內存映射和iotcl等具體操作,完成了在LCD液晶屏不同行上繪制不同顏色,通過編譯此程序,在目標板上運行,即可在LCD上顯示彩色條紋,這就完成了驅動程序的設計要求。

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