基于SEP4O2O的Linux frame buffer驅動設計

隨著世界經濟的迅速發展，液晶顯示屏廣泛應用于手機、PDA、金融終端等電子產品上，而在嵌入式電子領域，Linux操作系統占有越來越大的市場份額。因而本文提出在嵌入式Linux平臺上實現液晶顯示器的功能，詳細敘述了液晶顯示屏在SEP4020微處理器為基礎的平臺上的Framebuffer驅動程序設計。

1 液晶顯示器原理
1．1 液晶顯示器種類
??? 液晶顯示器(LCD)根據驅動方式可以分為靜態驅動、簡單矩陣驅動以及主動矩陣驅動三種。其中，簡單矩陣型又可以再分為扭轉向列(TN)和超扭轉式向列型(STN)兩種，而主動矩陣則以薄膜式晶體管(TFT)為主流。
??? TN型技術是LCD中最基本的，其他種類的LCD都以TN型為基礎改進而得。TN型LCD顯示質量很差，色彩單一、對比度低，反應速度很慢，故主要應用于簡單的數字符與文字的顯示，如電子表以及電子計算器等。STN LCD的顯示原理與TN類似，區別在于TN型的液晶分子將入射光旋轉90°，而STN可將入射光旋轉180°到270°。STN改善了TN視角狹小的缺點，并提高了對比度，顯示品質較TN高。
??? TFT型LCD中，晶體管矩陣依顯示信號開啟或者關閉液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉向而成"亮"或者"暗"的對比，避免了顯示器對電場效應的依靠。因此，TFTLCD顯示質量較TN／STN更佳，畫面顯示對比度可達150：1以上，反應速度逼近30ms甚至更快，適用于PDA、筆記本電腦、數碼相機、MP4等。
1．2 液晶顯示器時序
??? 圖1為LCD的典型時序圖。時序圖中VFRAME為幀同步信號，VLINE為行同步信號，VCLK為像素時鐘信號(用于鎖存圖像數據的像素時鐘)，VM為數據有效標志信號，VD為圖像的數據信號。

??? 作為幀同步信號的VFRAME，每發出一個脈沖，都意味著新的一屏圖像數據開始發送。而作為行同步信號的VLINE，每發出一個脈沖都表明新的一行圖像資料開始發送。在幀同步以及行同步的頭尾都必須留有回掃時間。

2 硬件平臺
??? 本設計采用的硬件平臺是基于東南大學國家專用集成電路系統工程中心研發的SEP4020微處理器的開發板。該處理器是使用0．18μ m標準CMOS的工藝設計，內嵌ASIX CORE(32位RISC內核兼容ARM720T，帶8 kB指令數據cache和全功能MMU)，采用馮諾依曼結構的一款微處理器。該處理器集成了液晶控制模塊(LCDC)，此模塊兼容AMBA規范，有AHB MASTER和AHB SLAVE接口，分別用于讀取需要顯示的數據和軟件配置。經過軟件配置后，LCDC能自己獨立工作，而不再需要內核的再次參與，從而節省內核的處理時間。工作過程是LCDC使能后申請系統總線，獲得總線使用權后讀取需要顯示的數據，數據經過相應算法的處理就得到滿足時序要求的信號，送到LCDC顯示驅動器。
??? LCDC使用內嵌的DMA方式進行數據操作，配備一個深度為16的32位FIFO用于緩存顯示數據，支持1、2、4位的STN灰度顯示和16位TFT彩色顯示，分辨率軟件可配置。相關的需要配置的寄存器有：
??? SSA為屏幕起始寄存器；SIZE為屏幕尺寸寄存器；PCR為面板配置寄存器；HCR為水平配置寄存器；VCR為垂直配置寄存器：PWMR為對比度控制器；LECR為使能控制寄存器；DMACR為DMA控制寄存器。

3 L i nux驅動軟件設計實現
3．1 驅動核心結構體的介紹
3．1．1．fb_jnfo結構體
??? 幀緩沖設備最關鍵的一個數據結構體是fb info結構體，其中包含了關于幀緩沖設備屬性和操作的完整描述，定義如下：

???
??? 限于篇幅，只列出了部分成員，其中fb_var_screeninfo記錄用戶可以修改的顯示控制器參數，包括屏幕分辨率和每個像素的比特數等；fb_fix_screeninfo記錄用戶不能修改的顯示控制器參數；cmap為目前的顏色表；fb_ops為幀緩沖操作函數集；screen_base為幀緩沖的虛擬基地址；i oremapped的虛擬內存大小；pseudo_palette為偽16色的顏色表。
3．1．2．fb_ops結構體
??? 本結構體為指向底層操作的函數的指針，這些函數是需要驅動程序開發人員編寫填充的，部分成員定義如下

??? fb_check_var ()用于調整可變參數，并修整為硬件支持的值；fb_set_par()則根據屏幕參數設置具體讀寫LCD控制器的寄存器以使得LCD控制器進入相應的工作狀態，使用戶設置的屏幕參數在硬件上有效；f bsetcolreg ()成員函數實現偽顏色表和顏色表的填充。
3．1．3．fb_var_screeni nfo
??? 本結構體定義了用戶可以修改的顯示控制器參數，部分成員如下：

??? 本結構體中，xres為屏幕的水平像素數；yres為屏幕垂直寬度：bits_per_pixel定義每個像素由多少個位表示；pixclock定義了像素時鐘；left_margin是表示行切換中從同步到繪圖之間的延遲；right_margin表示行切換中從繪圖到同步之間的延遲；upper_margin表示幀切換中從同步到繪圖之間的延遲；lower_margin表示幀切換中從繪圖到同步之間的延遲；hsyn_len表示水平同步的長度；vsync_len表示垂直同步的長度。
3．2 Linux幀緩沖設備的模塊加載和卸載函數
??? 由于LCD控制器被集成在SOC芯片上作為一個獨立的硬件模塊，也就是platform_device而存在，因此本驅動中包含平臺驅動。首先我們要定義platform_driver結構體：

??? 定義了此結構體之后，在幀緩沖設備的模塊加載函數sep4020fb_init(void)中，我們只需要使用函數platform_driver_register(&sep4020fb_driver)注冊平臺驅動，而其余大部分的初始化工作移交到平臺驅動的探測函數sep4020fb_probe中完成。
??? 在函數sep4020fb_probe(struct platform_device*pdev)中，首先要申請SEP4020的幀緩沖信息結構體：structsep4020fb_info*info，在此結構體中，成員sep4020fb_ma c h_i n f o記錄了seP4020幀緩存的機器信息，sep4020fb_hw包含了sep4020微處理器LCD控制器所涉及到的所有寄存器的信息，screen_dma表示幀緩存的物理地址，而screen_cpu代表了幀緩存的虛擬地址。之后要為sep4020fb_mach_info申請內存空間，申請完畢之后就要初始化fb_info結構體中的固定和可變參數，即填充fb_var_screeninfo var和fb_fix_screeninfo fix成員。首先通過fb_info一>fbops=＆sep4020fb_ops將為sep4020微處理器定義的函數操作結構體賦予幀緩存信息結構體中對應的成員，sep4020fb_ops定義了指向底層操作的一系列函數，本文將在后面詳細介紹；由于本課題選用的液晶屏為320×240TFT彩屏，所以fb_info->var．xres賦值為320，fb_info一>var．yres賦值為240，fb_info一>var．bits_per_pixel賦值為16，這樣就可以算出幀緩存的長度為320×240×16／8個字節，將此值賦給fbinfo->fix．smem_len成員。

完成可變參數和固定參數的填充之后，要為本驅動申請中斷資源，具體函數為requestirq(irq，sep4020fb_irq，SA INTERRUPT，pdev一>name，info)，irq為請求的中斷號，sep4020fb_irq為中斷處理服務子程序，SA_INTERRUPT表示為一個快速中斷處理，在執行中斷的過程中禁止所有在當前處理器上的其他中斷。申請中斷完畢之后，就要完成本驅動關鍵步驟，調用sep4020fb_map_video_memory()函數申請顯示緩沖區。在該函數中，首先調用PAGE_ALIGN()函數對齊申請的緩沖區的大小，使即將申請的顯示緩沖區大小為頁的整數倍；然后調用函數dma_all oc_writecombine(fbi->dev，fbi一>map_size，＆fbi一>map_dma，GFP_KERNEL)， 分配一塊寫合并的內存區域作為幀緩存，函數返回值為申請的幀緩存的起始位置的虛擬地址，fbi一>map_dma代表的是該位置的物理地址，fbi一>map_si ze為此內存區的大小。
??? 完成上面的工作之后，驅動程序在就有了一塊內存區域作為幀緩沖，向此區域寫入數據就能顯示在液晶屏上。后面還要調用sep4020fb_init_registers(info)函數初始化L C D控制器的寄存器；然后調用sep4020fb_check_var(＆fbinfo一>var，fbinfo)檢查可變參數，最后調用register_framebuffer(fbinfo)注冊幀緩沖設備。
3．3 提供給應用程序的接口
??? 本驅動設計定義了如下幾個接口供應用程序調用：fb_ioctl，fb_blank，fb_fillrect．
??? 部分代碼如下：

????
??? sep4020_blank函數主要實現了將液晶屏清屏的功能。
??? sep4020fb_fillrect函數實現了填充液晶屏一塊矩形區域的功能。
??? sep4020fb_ioctl函數則為上層應用提供了更多的功能，部分可供上層調用的命令如下：
??? FBIOGET_VSCREENINFO表示用戶獲取屏幕的可變參數；
??? FBIOPUT_VSCREENINFO表示用戶設置可變的屏幕參數；
??? FBIOGET_FSCREENINFO表示用戶獲得屏幕的固定參數；
??? FBIOBLANK表示調用sep4020fb_blank函數清空液晶屏；
??? FBIOPUTCMAP表示設置屏幕的顏色表；
??? FBIOGETCMAP表示獲得顏色表。
3．4 用戶空間對幀緩沖設備進行訪問
??? 驅動程序經過編譯并加載為模塊后，成為／dev／fb0設備，在應用程序中，操作／dev／fb0一般遵循如下步驟：1)打開／dev／fb0設備文件；2)調用ioctl()操作取得屏幕的參數，如屏幕分辨率和每個像素所占的比特數，進而計算出顯示緩沖區的大小；3)將屏幕緩沖區映射到用戶空間；4)映射之后就可以向緩沖區寫入或者讀出數據，進行繪圖了。

4 測試與結論
??? 根據前面論述的步驟向屏幕緩沖區寫入數據，將每個像素的值設為0xF0F0，在屏幕上顯示如下圖像：

??? 測試結果顯示，在本課題驅動模塊的支持下，可以向屏幕緩沖區寫入數據并正確地在屏幕上顯示出來，工作完全正常。本文所提出的設計方案已經應用在本單位某產品上。