嵌入式Linux下的LCD驱动程序设计与实现

随着嵌入式Linux的迅速发展，由于其没有昂贵的版权费，完全开放源代码，可裁减性与可移植性，因此是开发嵌入式产品的优秀操作系统平台。设备驱动程序是Linux内核的重要组成部分，运行在Linux内核底层，在内核源代码中占较大比例，驱动程序开发逐渐成为嵌入式软件开发中一项重要工作。应项目设计的需要完成了嵌入式Linux下的LCD驱动程序设计。

1 Linux下设备驱动程序
    驱动程序从字面上可以理解为一类程序，这类程序的目的一般是驱动硬件正常工作，所以通常所说的驱动程序都是针对特定的硬件来编写的。Linux设备驱动程序是为特定的硬件提供给用户程序的一组标准化接口，它隐藏了设备工作的细节。Linux系统下驱动程序是运行在内核态的，是和内核连接在一起的程序。如果运行在用户态的应用程序想控制硬件设备，必须通过驱动程序来控制。
    Linux系统的设备分为3种类型，分别是字符设备、块设备和网络设备。文中所涉及的LCD驱动属于字符型设备驱动程序。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。Linux系统访问设备就像访问文件一样，例如打开关闭设备系统调用open()和close()函数。在Linux内核中，字符设备使用struct file_operations结构来定义设备的各种操作集合。编写字符设备驱动程序，主要是实现str-uct file_operations结构中的各个函数。

2 基于FFamebuffer的LCD驱动程序设计
2．1 LCD简介
    设计中采用的嵌入式微处理器是Samsung公司的S3C2410，LCD控制器主要用于传输显示数据和产生控制信号，用户只需通过读写一系列寄存器即可完成配置和显示控制，图1是S3C2410平台LCD控制器的结构图。

    其各个信号描述及功能如表1所示。

2．2 Framebutfvr概述
    Framebuffer即帧缓冲，是图形设备的一个提取或抽象，他把一些视频设备描绘成一个缓冲区，允许应用程序通过Framebuffer所定义的良好接口访问图形设备。Framebuffer是出现在Linux2．2．xx内核当中的一种驱动程序接口。Linux工作在保护模式下，所以用户态进程无法像DOS那样使用显卡BIOS里提供的中断调用来实现直接写屏，Linux抽象出Framebuffer这个设备供用户态进程实现直接写屏。Framebuffer机制模仿显卡的功能，将显卡硬件结构抽象化，可以通过Framebuffer的读写直接对显存进行操作。用户可以将Framebuffer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，就可以直接进行读写操作，而写操作可以立即反应在屏幕上。这种操作是抽象、统一的，用户不必关心物理显存的位置、换页机制等具体细节，这些由Framebuffer设备驱动完成。
2．3 驱动程序设计与实现
2．3．1 LCD驱动的模块加载与卸载
    LCD作为一个相对独立的硬件单元，被认定为平台设备，在驱动模块加载和卸载函数中，就分别注册和注销对应的platform_driver。
2．3．2 LCD驱动的探测与移除函数
    探测函数probe主要完成LCD控制器初始化的工作，包括对fb_info结构成员的初始化、内存分配、寄存器的配置、Framebuffer的注册等。模块卸载函数中对平台驱动的注销会导致其中移除函数的执行，这个函数释放显示缓冲区并注销帧缓冲设备。
2．3．3 LCD驱动的fb_ops成员函数
    在程序设计里，定义LCD驱动的fb_ops结构体和相关函数功能如下所示

    可以看出，fb_ops()结构体类似于file_opera tions()结构体，提供了一个帧缓冲设备的统一接口。s3c2410_ops()函数给出了标准接口到针对具体硬件操作函数的跳转指针。
2．3．4 Framebuffer设备驱动程序的设计
    驱动程序主要完成的工作有以下5部分：
    (1)编写初始化函数
    Framebuffer驱动首先要初始化LCD控制器，通过相关寄存器来设置LCD相对应的显示模式和颜色数，然后分配显示缓冲区。通常用vmall-oc()函数分配一段连续空间，缓冲区的大小可以用“点阵行数×点阵列数×一个像素的位数／8”计算得到。
    如果使用模块化加载方式，加载LCD驱动模块时，系统调用fb_init()函数。卸载LCD驱动模块时，系统首先调用unregister_framebuffer()取消注册，然后释放显示缓冲区的内存。
    (2)编写成员函数
    主要负责编写fb_ops()对应的底层操作函数。
    (3)读／写(read／write)
    完成对帧缓冲区的读写操作。
    (4)映射(map)
    Linux有内核空间和用户空间，平时工作在保护模式，每个应用程序进程都有自己的虚拟地址空间，应用程序不能直接访问物理缓冲地址。但是，Linux在文件操作接口(file_operations)中提供了地址映射(mmap)操作，它可以将文件的内容映射到用户空间，这样用户就可以通过读写这段地址来访问缓冲区，并在屏幕上绘图。
    (5)输入／输出控制
    设备文件的ioctl()调用可以读取和设置显示设备的参数，如分辨率、支持颜色数、屏幕大小等。

3 结束语
    在编写完驱动程序后，将该驱动程序以加载模块的方式进行编译，并将编译好的LCD设备驱动下载到目标板上，通过编写一个简单的测试Framebuffer设备驱动的应用程序，实现了设备的打开、关闭、内存映射和iotcl等具体操作，完成了在LCD液晶屏不同行上绘制不同颜色，通过编译此程序，在目标板上运行，即可在LCD上显示彩色条纹，这就完成了驱动程序的设计要求。