第六章--LCD驱动移植

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我是靠谱客的博主大胆月饼，最近开发中收集的这篇文章主要介绍第六章--LCD驱动移植，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

6.1 认识LCD相关硬件原理
   LCD显示屏相关参数，如何设置参数，如何根据型号编写驱动
   6.1.1 概述
       0)   显示汉字，字符，图形
           低压，低功耗，体积小，重量轻，超薄
       1) 根据物理结构：扭曲向列型(TN-LCD),超扭曲向列型(STN-LCD),双层超扭曲向列型(DSTN-LCD)
                       薄膜晶体管型(TFT-LCD)
                       前三种显示原理相同，只是液晶分子扭曲角度不同，
                       TFT-LCD采用完全不同的显示方式
       2) 常用参数
                   1]PPI(Pixel Per Inch)每平方英寸像素数目，PPI与显示密度，拟真度，显示效果正相关，目前市场TFT都是100PPI
                   2]分辨率 :VGA ,SVGA,UXGA SXGA+,SXVGA+为1400x1050
                           XGA：1280x1024
                           Quad-VGA:1280x960
               3]BPP(Bit Per Pixel) 每个像素使用多少位表示颜色，例如黑白色只用1bit
                                       4阶灰度2bit(2BPP)表示一个点，对于256色要用8bit(8BPP)表示一个点
       3) 显示原理
                   内存显示完整图像，采用CRT显示器概念，一幅画像称为一帧，一帧由多行排列组成，每行由多个像素组成，每个像素色彩由若干位数据表示，单色显示器每个像素用1位即1BPP
                           256色显示器每个像素使用8位表示即8BPP
                   显示器从屏幕左上方开始一行一行取得单个像素数据并显示，显示到最右时，跳下一行知道现实所有重新调到左上方即Z字形扫描
                   同时使用帧扫描和行扫描信号
   6.1.2 控制器：
               1.控制时序和信号，从而驱动LCD。
               2.用户只需通过读写LCD控制器的一些列寄存器完成配置。
               3.用户需要显示的内容都是LCD控制器从帧缓冲区读取，然后发送到LCD控制器进而显示在屏幕
               4.新的处理器都集成了LCD控制器，如S3C2440等
               5.S3C2440的LCD控制器由一个逻辑单元组成，它把LCD图像数据从系统内存的buffer传到外部LCD驱动器。LCD控制器使用基于时间的像素都懂算法和帧速率控制思想，支持单色，2-bit per pixel(4级灰度)或者
                   4-bit-pixel(16级灰度)屏，并可与256色(8BPP)和4096色(12BPP)彩色STN-LCD连接
               6.LCD控制器还支持1BPP，2BPP，4BPP，8BPP的调色板TFT彩色屏，并支持64K色(16BPP)和16M(24BPP)非调色板真彩色显示，根据编程满足不同需求例如单向像素数，数据线宽度，接口时序，刷新速率等
6.1.3 LCD控制器方块图
               ****************插入图像*******************

               1.根据工作原理LCD控制器接口时序分为STN和TFT两种，根据实际需要对控制器进行不同设置产生不同时序
               2.LCD控制器中控制信号有VFRAME，VLINE，VCLK和VM等
               3.S3C2440作为视频数据的数据端口，是VD[23:0].
               4.LCD控制器由REGBANK，LCDCDMA，VIDPRCS，TIMEGEN和LPC3600等组成
               5.REGBANK:17个可编程寄存器组和一块256x16调色板内存组成，配置LCD控制器
               6.LCDCDMA:专用DMA,自动把内存中视频数据传到LCD驱动器，在CPU不干预情况下显示在LCD屏。
               7.VIDPRCS:接收LCDCDMA的数据，并转换为合适的数据格式，例如4/8位扫描，4位双扫显示模式，然后通过数据端口VD[23:0]传送数据到LCD驱动器
               8.TIMEGEN:1]可编程逻辑组成，支持不同LCD驱动器接口时序和速率需求
                       2]可产生VFRAME，VLINE，VCLK和VM等时钟信号

               9.数据流描述
                       LCDCDMA中存在FIFO存储器。如FIFO空或部分空，LCDCDMA请求从存储器取得数据，(每个突发请求，连续读4个字(16bytes),在总线传输中，不匀速总线控制权交给另一个总线)用突发的存储传输模式取得数据
                       传输请求被存储控制器总线仲裁器接收后，产生连续4个字数据传输control系统内存到内部的FIFO(12个FIFOL和16个FIFOH组成的28个字),
                       S3C2440用2个FIFO支持双扫显示模式，如单扫模式，只有一个FIFO会用到

   6.1.4 控制器操作(STN和TFT两种)
                   视频数据在内存中存储方式:
                       RGB三色组成单个像素色彩。也就是三基色
                   1.24BPP显示使用24位表示一个像素点，每种颜色8比特，LCD控制器从内存获得某个像素的24位颜色值，然后通过VD[23:0]数据线发送LCD驱动器，像素值与VD[23:0]引脚的对应关系
                   ******************************插入图片像素值与VD映射关系***********************

   2.16BPP
                    3.8BPP
                   4.256色调色板
   6.1.5 LCD控制寄存器
                   17个控制寄存器，包括LCDCON1-LCDCOON5,LCDSADDR1-LCDSADDR3等
6.2 LCD参数设置
   根据LCD屏正确设置对应的LCD寄存器参数
       1]设置VFRAME，VLINE(根据液晶屏尺寸和显示木事设置)，他们对应LCDCON2寄存器的HOZVAL和LINEVAL值
           HOZVAL=(水平尺寸/VD数据位)-1
           彩色液晶屏，水平尺寸=3x水平像素点数
           VD数据位=BBP数(不分单双扫描)
           LINVAL=垂直尺寸-1(单扫描)
           LINVAL=垂直尺寸/2-1(双扫描)
       2]设置VCLK:直接由系统总线(AHB)工作频率HCLK直接分频得到
           VCLK=HCLK/((CLKVAL+1)*2)
       3]帧速率:即VSYNC信号频率。帧速率与VSYNC，VBPD，VFPD，LINEVAL，HSYNC，HBPD，HFPD，HOZVAL和CLKVAL的域有关
           他们是LCDCON1/2/3/4。大多数LCD驱动器需要他们合适的帧速率。
           帧速率公式:
           Frame Rate = 1/[{(VSPW+1)+(VPBD+1)+(LINEVAL+1)+(VFPD+1)}*{(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+HOZVAL+1}*{2*(CLKVAL+1)/HCLK}]
           VSPW,VBPD,VFPD,HSPW,HBPD,HFPD参考LCD屏幕手册

6.3 内核LCD驱动机制
       Linux提供的驱动:帧缓冲(FrameBufer)设备驱动程序。实际工作只需在显示缓存中填写要显示的数据，屏幕即可显示
                       驱动得到显示缓存的地址，即可操作它
   6.3.1 FrameBufer概述
           1. 从Linux2.2.x提供的驱动程序接口
           2. 把显示设备抽象为帧缓冲区设备，为图像设备提供抽象化处理，代表了一些视频设备。
           3.允许APP通过定义明确界面访问图像硬件设备。软件无序了解任何硬件底层驱动内容
           4.FB允许app在图形模式下直接对显示缓冲区读写和IO控制等
           5.通过专门的设备结点对相应的设备进行访问，如/dev/fb0,app可将其视为显示内存的引用，将其映射到进程地址空间后，就可读写，读写可反映到具体的LCD设备
           6.FB驱动支持控制台的字符显示。linux2.4种与FB控制台相关的在fbcon和其他相关目录。linux2.6放在drivers/video/console中，涵盖各种格式显示缓冲的字符输出，字体定义文件，简化FB控制台驱动程序移植
   6.3.2 FB设备驱动结构
       FB设备驱动基于两个文件 linux/include/linux/fb.h和 linux/drivers/video/fbdev/core/fbmem.c 其中fb.h定义FB驱动所需的几乎所有结构体，
       包括struct fb_info,struct fb_var_screeninfo 和struct fb_fix_screeninfo。
       1.struct fb_info
               1]记录帧缓冲全部信息，包括设置参数、状态、操作函数指针等
               2]每个帧缓冲设备都由一个struct fb_info描述，所有参数都是面向特定设备，工程师就是填写这些数值。
               3]fb_info也是FB相关结构唯一在内核空间可见的，用户可通过ioctl()操作设备，这个结构体就是用于支持ioctl()的这些操作的
           2.fb_var_screeninfo:
           1]记录帧缓冲设备和指定显示模式的可修改信息。
               2]包括显示屏分辨率，像素比特数，一些时序变量。
               3]变量xres定义一行所占像素数目，yres定义一列所占像素数目，bits_per_pixel定义每个像素所需位数
               4]参数都可通过应用程序设置
               5]通过fb_opt实现
           3. fb_fix_screeninfo:
               1]定义硬件不可变属性，显示缓冲区映射地址的定义
               2]缓冲区不应该被APP改变

       4. fbmem.c linux/drivers/video/fbdev/core/fbmem.c
               1]是FB设备驱动关键，为上层应用提供系统调用，为下层特定硬件驱动提供编程接口
               2]底层硬件驱动乣用到这里的接口来向系统内核注册它们自己。
               3]fbmem.c为所有支持FB的设备驱动提供通用接口，避免重复的工作
               4]用户只需针对fbmem.c提供的底层驱动接口函数分别实现即可，也就是fb.h中的structfb_ops函数指针组
               5]fbmem.c实现register_framebuffer和unregister_framebuffer,提供给下层FB驱动的接口。底层设备驱动所要做的事情就是填充fb_info结构并想系统注册或注销


6.4 内核现有LCD驱动源码分析
   内核现有LCD驱动再针对具体型号和硬件资源修改
       6.4.1 主要工作:初始化函数的编写和填充fb_info结构体的主要成员函数
           1.编写初始化函数
               1]编写初始化函数，初始化LCD控制器寄存器，通过写寄存器设置显示模式和颜色数，然后在内存中分配LCD显示缓冲区。linux中可用kmalloc()分配连续空间
               2]缓冲区大小:点阵行数*点阵列数*用于表示一个像素的比特数/8.
               3]缓冲区通常分配在片外SDRAM(容量大),起始地址保存在LCD控制器
               4]本节LCD显示方式:320*240 ,16位彩色，需要分配显示缓冲区：320*240*2 = 150kb
               5]初始化fb_info结构体，填充成员变量，调用register_framebuffer(&fb_info)将fb_info注册入内核
           2.编写成员函数
               1]嵌入式系统只需要实现fb_ops中的 fb_get_fix fb_get_var ,fb_set_var三个函数
               2]应用程序对设备ioctl系统调用时会调用他们
               3]fb_get_fix通过fb_fix_screeninfo获取系统当前状态对成员变量赋值，主要是smem_start,smem_len,最终返给应用程序。
               4]fb_set_var函数传入参数是fb_var_screeninfo，需要对xres，yres和bit_per_pixel赋值
           3.对于/dev/fb 主要操作
               1]读写/dev/fb 等于读写屏幕缓冲区
               2]映射操作(map)：因linux工作在保护模式，每个应用都有自己的虚拟地址空间，应用不能直接访问物理缓冲区地址，故通过mmap()
               操作file_operations结构，可将文件内容映射到用户空间。帧缓冲设备则可通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间一段虚拟地址之内，之后用户就能通过读写此段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图
               3]IO控制:帧缓冲设备对设备文件的ioctl操作可读取/设置显示设备及屏幕参数(分辨率，显示颜色数和屏幕大小等)。ioctl由底层硬件驱动完成。
                   一般步骤:1.打开 /dev/fb设备文件；
                           2.用ioctl()取得当前屏幕参数(分辨率，像素比特数)
                           3.根据屏幕参数计算屏幕缓冲区大小
                           4.将屏幕缓冲区映射到用户空间
                           5.映射后可直接读取屏幕缓冲区，进行绘图和显示
       6.4.2 s3c2410fb_init()函数分析
               1.只包含了platform_driver_register()调用，参数&s3c410fb_driver,即向内核注册一个platform设备驱动，该设备是LCD设备
               2.platform两个重要数据结构:platform_device和platform_driver(include/linux/platform_device.h)
               3.LCD驱动(drivers/video/s3c2410fb.c)有platform_driver结构体
                   static struct platform_driver s3c2410fb_driver = {
                       .probe = s3c2410fb_probe, //初始化函数,
                       .remove = s3c2410fb_remove,
                       .suspend = s3c241fb_suspend,
                       .resume = s3c2410fb_resume,
                       .driver = {
                           .name = "s3c2410-lcd", //设备名字，名字一定要和struct platform_device中的name域一致才能把平台驱动和前面定义平台数据联系起来
                           .owner = THIS_MODULE,
                       },
                   };
       6.4.3 s3c2410fb_probe()函数分析
               1.关键函数
                   s3c2410fb_info：描述整个LCD驱动的结构体，驱动自己定义的设备数据结构，记录s3c2410fb驱动所有信息
                   s3c2410fb_display:定义了LCD规格和时序
                   fb_info:framebuffer的设备数据结构,表示一个显示设备，probe最终填充并向内核注册
                   s3c2410fb_mach_info:描述LCD初始化时所用的值，包含LCD控制器的GPIO，用来设置引脚的功能，和平台有关
                       所在目录:arch/arm/plat-samsung/include/plat/fb-s3c2410.h;
                   Resource:指向设备用到的IO资源，是平台驱动的结构
                   irq:保存中断号。

               2.函数执行步骤
                   1.获得平台数据
                   2.如果mach_info为NULL，则整个驱动程序退出
                   3.查找当前显示屏规格，此规格定义在mach-smdk2440.c文件
                   4.获取设备中断号，中断号也在mach-smdk2440.c文件中定义的硬件所使用到的中断资源
                   5.向内核申请一段sizeof(struct s3c2410fb_info)+size的空间，size:设备私有数据空间，
                   6.fb_info的par指向该私有空间
                   7.设置驱动数据并填充驱动数据
                   8.映射内核资源(IO口，中断号，平台数据不定期传递来的硬件资源地址都是物理地址，内核访问硬件都是虚拟地址，故用相关函数映射物理地址为虚拟地址)，映射失败退出程序
                   9.关闭显示器，对fbinfo赋值
                   10.申请中断并打开LCD时钟，使得各个LCD相关引脚输出信号。
                   11.显示内存容量并映射DMA资源，上层应用存储要显示的图像到此内存区，LCD控制器通过DMA从映射内容取出图像
                   12.初始化各个LCD控制寄存器，注册fbinfo，并为该设备创建一个sysfs中的属性
                   13.pdev->dev.platform_data的初始化，内核启动init进程前，会执行smdk2410_map_io函数，次函数中加入s3c24xx_fb_set_platdata(&smdk2410_lcd_platdata)
                   arch/arm/plat-samsung/devs.c


               3.s3c2410fb_init_registers
                   1.保存本地中断
                   2.修改处理器GPIO工作方式
                   3.初始化LCD控制寄存器
                   4.让处理器的LCD控制器三地址寄存器指向正确位置，也就是LCD缓冲区，参考用户手册
                   5.打开video，因为probe中关闭了

       6.4.4 s3c2410fb_init_remove:移除设备，释放资源(内存空间，中断线等)
                   1.获得fb_info信息
                   2.得到私有数据
                   3.停止LCD控制器
                   4.该函数释放缓冲区，停止时钟
                   5.得到中断线并释放
                   6.释放内存空间
                   7.想内核注销该帧缓冲


6.5 移植内核中的LCD驱动
       不同开发人员设计同一种设备都具备独特性，例如访问硬件资源对应的端口地址，故驱动移植首先要明确驱动的硬件设备连接情况
       然后对驱动源码进行适应具体硬件修改

   6.5.1 LCD硬件电路图
           1.LCD的像素同步时钟信号，水平同步信号，垂直同步信号直接连接到LCD的VCLK，VLINE和VFRAME
           2.GPG4作为LCD电源信号直连到LCD_PWREN
               ************插入电路图**********************

       6.5.2 修改源码
       6.5.3 配置内核
               1.make menuconfig
               2.devices drivers -> Graphics support-> Support for frame buffer devices
               3.在驱动程序调试阶段最好选中S3C24010 LCD debug messages
               4.增加开机logo，选择bootup logo

6.6总结
   分析LCD控制寄存器硬件操作，内核中自带的LCD驱动源程序基础讲述LCD移植，
   内核中FB驱动的体系结构，如何操作LCD控制器
   中断FB数据结构掌握