基于ARM處理器的LCD編程設計：

　　隨著單片機技術的飛速發展，新型的儀器儀表呈現出操作簡單、便攜化的趨勢。LCD模塊能夠滿足嵌入式系統日益增長的要求，它可以顯示漢字、字符和圖形，同時還具有低壓、低功耗、體積小、重量輕等諸多優點，因而應用十分廣泛。

　　液晶顯示模塊（LCM）是由控制器、行驅動器、列驅動器、顯示存儲器和液晶顯示屏等器件通過PCB組裝成一體的低成本輸出設備，被廣泛用于各種儀器儀表等設備中。其核心部件LCD控制器是可編程接口芯片，它一方面提供與微控制器（MCU）的接口，一方面連接行/列驅動器。用戶對LCD控制器編程就是實現對LCM的操作控制。LCD控制器的功能是接收計算機發來的指令和數據，并向計算機反饋所需的數據信息。 T6963控制模塊 T6963控制器型液晶顯示模塊的驅動控制系統由液晶顯示控制器T6963及其外圍電路、行驅動器組、列驅動器組和液晶驅動偏電壓電路組成。

　　T6963C是一種內置控制器的圖形LCD，其面向顯示存儲器的引腳有8根數據線（D7~D0）、16根地址線（AD15~AD0）和4根控制線，最多能管理64KB大小的顯示存儲器。T6963C將顯示存儲器分成3個區，分別是文本顯示緩沖區、圖形顯示緩沖區和字符產生器RAM（CGRAM）區。 采用圖形顯示方式時，液晶屏顯示單元的單位是8×1點陣（稱為一個圖形顯示單位）。每個圖形顯示單位對應圖形顯示緩沖區中的一個存儲單元。將點陣狀態信息寫入這個存儲單元，則對應的位置就會顯示出圖形。

　　采用文本顯示方式時，液晶屏顯示信息的單位是8×8點陣（稱為一個文本顯示單位）。每個文本顯示單位對應文本顯示緩沖區中的8個連續存儲單元。但采用文本顯示方式時，寫入文本顯示緩沖區的不是點陣狀態信息，而是字符代碼，其點陣狀態信息（8×8）（即字模）存放在CGRAM中。當8×8的點陣不足以描述一個符號時，則通常用多個字符的組合來描述。例如，一般采用16×16的點陣來描述漢字，將該點陣分為4個8×8的點陣，用4個字符代碼描述一個漢字，根據這4個部分的位置關系將4條代碼寫入相應的文本顯示緩沖區。T6963C片內還包含一個字模庫CGROM，固化了數字、英文字母和常用符號等128個字符的點陣狀態信息。

　　系統硬件結構 1. 處理器 本文系統中的處理器選用的是ARM7系列AT91SAM7S64，該器件具有64KB的高速Flash、16KB的SRAM以及豐富的外設資源，因而可以給系統設計提供強大的硬件支持。它包含的主要功能單元是： PDC（Peripheral Data Controller，外設數據控制器），可以通過該控制器管理SPI接口和串口。串口作為本系統各部分之間通信的主要手段，而SPI接口作為ARM處理器和A/D、D/A模塊之間通信和控制的主要手段。 AIC（Advanced Interrupt Controller，先進中斷控制器），可以通過該控制器產生計時器中斷和串口中斷，計時器中斷可作為本系統分時作業編程的主要手段，而串口中斷是數據通信的處理手段。

　　PIOA（Parallel Input/Output Controller，并行輸入/輸出控制器），可以通過該控制器管理ARM系統的各個設備，同時本系統也使用PIOA來控制LCD。 其它功能單元包括看門狗、電源控制器等。可以通過編程對這些控制器進行管理，在IAR開發環境下采用C語言進行編程，并通過JTAG調試接口下載到板上FLASH中運行調試。

　　2. 液晶屏連接方式 T6963液晶顯示模塊與處理器的連接方式通常有兩種：直接訪問方式和間接控制方式。

　　直接訪問方式是指處理器以訪問存儲器或I/O設備的方式控制液晶控制模塊工作，模塊的數據線與處理器的數據總線連接，片選及寄存器選擇由處理器的地址總線提供，讀和寫操作由處理器的讀寫操作信號控制；而在間接控制方式中，處理器通過自身或系統的并行接口與液晶控制模塊相連，處理器通過I/O接口的操作間接實現對模塊的控制。 本系統采用的是直接訪問方式，如圖1所示。使用ARM處理器AT91SAM7S64的引腳完全可編程和復用功能，以4路模擬顯示模塊控制信號，8路作為數據線。這樣即充分發揮了T91SAM7S64處理器功能強大、資源豐富的優點，又簡化了控制并易于實現編程。

　　圖1：ARM與LCD的接口示意圖

　　軟件實現 本系統對圖形顯示方式進行編程。圖形顯示方式可顯示任何形狀的圖形（包括字符），在該方式下，T6963C還可以提供對“位”的操作，即通過命令控制液晶屏上的任意一點是否顯示。每個點的顯示狀態用一位二進制信息表示，當這一位信息為“1”時顯示屏上相應的點就顯示，為“0”時則不顯示。 但由于本設計中采用的是32位ARM處理器，而不是8位的51系列，因此在直接控制方式下的編程過程中，應注意數據的對應關系。 1. T6963指令集及時序 T6963擁有一系列操作指令，通過這些指令可以實現對顯示屏的控制。在設計過程中，根據T6963的指令系統以及時序信號波形圖等進行編程。T6963指令系統見表1。液晶顯示模塊的控制引腳和讀寫信號的控制關系如圖2所示。

　　表1：T6963指令表

　　圖2：T6963信號時序圖

　　2. 程序流程圖 通常液晶顯示編程的過程是：首先編寫狀態查詢、寫指令、寫數據、讀數據等子程序；然后編寫清屏、畫點等基本子程序；在此基礎上編寫程序以顯示字符、數字、漢字及復雜的圖形等。每條指令的執行都是先送入參數，再送入指令代碼，因此每次操作之前最好先進行狀態字檢測。 通過對內置T6963點陣式液晶顯示的軟件設計，可以發現該液晶顯示控制模塊的控制語句簡單、調試方便。T6963C內部通過一根地址線來確定兩個寄存器，當地址線為低電平，選擇DATA寄存器；當地址線為高電平，則選擇COMMAND/STATUS寄存器。在對T6963C發送每條指令或參數前，必須先讀取COMMAND/STATUS寄存器以檢查T6963C的狀態字。狀態字節的含義如下： STA0：1/0，指令讀寫狀態為準備好/忙；

　　STA1：1/0，數據讀寫狀態為準備好/忙；

　　STA2：1/0，數據自動讀狀態為準備好/忙；

　　STA3：1/0，數據自動寫狀態為準備好/忙；

　　STA4：未用；

　　STA5：1/0，控制器運行檢測可能/不能；

　　STA6：1/0，屏讀/拷貝狀態為出錯/正確；

　　STA7：1/0，閃爍狀態檢測為正常顯示/關顯示。 由于各狀態位的含義不同，因此在不同的場合應檢測不同的狀態位。在CPU對T6963C中每一字節的指令或數據進行讀寫前，應先將STA0和STA1同時置為“準備好”狀態。T6963C模塊的控制指令可帶有0個、1個或2個參數。在執行每條指令時都是先送入參數（如果有的話），再送入指令代碼。當向T6963C讀、寫數據或寫入命令時，必須嚴格遵循T6963C的時序。如果送入的參數多于規定個數，則認為最后一次送入的有效。每次操作之前必須先進行狀態字檢測。
?

?

??????? 圖3a給出了顯示操作的流程框圖

　　圖3：（a） 顯示操作流程框圖；（b） 雙參數指令傳輸過程。 以上每個步驟又需要完成以下流程：對于無參數或自動指令，以上過程僅執行1次，單參數指令需執行2次，而雙參數指令則需執行3次（前2次傳參數，最后1次傳指令）。圖3b以雙參數指令為例給出了指令傳輸過程。 檢測程序如下： //指令、數據讀寫狀態檢查 void RWCheck（）

　　{

　　unsigned int dat = 0;

　　do

　　{

　　*AT91C_PIOB_CODR=CS;

　　*AT91C_PIOA_ODSR = DATA_BUS;

　　*AT91C_PIOB_SODR = A0;

　　*AT91C_PIOB_CODR = RD;

　　delay_bus（）;

　　dat=*AT91C_PIOA_PDSR;//讀出當前PIO管腳狀態

　　dat = 0x00600000&dat;//取出需要的數據位，看STA0，STA1是否準備好

　　delay_bus（）;

　　*AT91C_PIOA_SODR = RD;

　　delay_bus（）;

　　*AT91C_PIOA_SODR=CS;

　　} 3. 漢字顯示 以本系統的顯示模塊LCM240128為例，液晶顯示屏上橫向的8個點是一個字節數據，某位為1則對應點變亮，對于240×128的顯示模塊來說，每行為240點，每列為128點。每個字節在顯示緩沖區中均有對應的地址，液晶屏幕的左上角橫向8個點對應液晶模塊顯示緩沖區的首地址。最常見的顯示方式有兩種，以常用的16×16點陣漢字為例，一種是先將左半部16個字節寫入顯示緩沖區，再寫入右半部的16個字節；另一種則先寫入上半部的16個字節，再寫入下半部的16個字節。然后單片機通過接口電路，按照規定的時序將待顯示漢字字模的所有字節按液晶控制器規定的方式，在預定位置寫入液晶控制器緩沖區。程序如下： void ShowHZ（unsigned int lin，unsigned int column，unsigned int hzcode）

　　{

　　unsigned char i;

　　unsigned int StartAddr = 0;

　　StartAddr=lin*LineChar column; //定位起始行

　　for（i=0;i《16;i ）

　　{

　　OutPortCom3（（unsigned char）（StartAddr）， （unsigned char）（StartAddr》》8）， 0x24）;

　　OutPortCom2（ HZTable［hzcode］［i*2］， 0xc0）; //左半部 地址加一

　　OutPortCom2（ HZTable［hzcode］［i*2 1］， 0xc4）; //右半部 字模地址加一

　　StartAddr=StartAddr LineChar;

　　}

　　} 4. 圖形顯示 固定格式的圖形圖像顯示與在圖形方式下顯示漢字類似，即先確定點陣信息，再送入顯示位置對應的緩沖區中。

　　實際上，每個漢字都是一幅圖像，只是在處理坐標數據時有所不同。與漢字顯示的主要區別是：圖形顯示中數據需逐點生成并按一定算法逐點送入緩沖區單元；為獲得良好的顯示效果，標準圖元（直線、圓、橢圓等）可利用圖形學中的某些生成算法。由于硬件要求一次掃1行，因此必須先找到該點所在的行地址，然后在字節內計算點的位置，將該位置1；若是擦除，則將該位置0。畫點是實現其它圖形的基礎，利用畫點程序，只需按照圖形學算法控制坐標變量x、y并移位，然后逐一畫點，就能組成任何圖形。

　　5. 動態顯示 當動態顯示圖形時，用T6963C控制器的命令和功能編程，獲得變參數的各種基本圖形函數，以顯示不同的圖形，在動態圖形顯示之前將固定的圖形采用屏拷貝方式保存下來，動態圖形顯示結束時恢復原來的圖形。漢字字符和數字字符的固定顯示在初始化過程中完成，動態顯示則直接用覆蓋的方式完成。 無論漢字、數字、英文字符或圖形，液晶顯示控制器都視為在規定區域根據給定數據控制各個點的顯示，它們的顯示控制原理并沒有本質區別，這樣在編程時就可以將所有顯示內容都當作圖形處理。

　　驅動程序采用C語言編寫，具有模塊化的結構和代碼可移植性，且通用性較好。

　　本文小結 采用點陣式圖形液晶顯示模塊將使顯示更直觀、界面更豐富。直接訪問方式的驅動程序比間接控制方式更精簡一些，程序的運行效率也較高。本文中的程序采用C語言編寫，通用性強、移植方便。該方法及程序在系統顯示部分中，顯示清晰、工作穩定。具有模塊化結構和代碼可移植性，且通用性較好，在嵌入式系統中有一定代表性和廣泛用途。

　　怎樣寫 Linux LCD 驅動程序：

　　基本原理

　　通過 framebuffer ，應用程序用 mmap 把顯存映射到應用程序虛擬地址空間，將要顯示的數據寫入這個內存空間就可以在屏幕上顯示出來；

　　驅動程序分配系統內存作為顯存；實現 file_operations 結構中的接口，為應用程序服務；實現 fb_ops 結構中的接口，控制和操作 LDC 控制器；

　　驅動程序將顯存的起始地址和長度傳給 LCD 控制器的寄存器 （一般由 fb_set_var 完成） ， LDC 控制器會自動的將顯存中的數據顯示在 LCD 屏上。

　　寫 framebuffer 驅動程序要做什么

　　簡單的講，framebuffer 驅動的功能就是分配一塊內存作顯存，然后對 LCD 控制器的寄存器作一些設置。

　　具體來說：

　　填充一個 fbinfo 結構

　　用 reigster_framebuffer （fbinfo*） 將 fbinfo 結構注冊到內核

　　對于 fbinfo 結構，最主要的是它的 fs_ops 成員，需要針對具體設備實現 fs_ops 中的接口

　　考慮是否使用中斷處理

　　考慮內存訪問方式

　　顯卡不自帶顯存的，分配系統內存作為顯存

　　顯卡自帶顯存的，用 I/O 內存接口進行訪問 （request_mem_region / ioremap），

　　關于LCD 設備資料可參考如下資料：

　　Datasheet of LCD device

　　書：液晶顯示技術

　　書：液晶顯示器件

　　什么是 frame buffer 設備

　　frame buffer 設備是圖形硬件的抽象，它代表了圖形硬件的偵緩沖區，允許應 用程序通過指定的接口訪問圖形硬件。因此，應用程序不必關心底層硬件細節。

　　設備通過特定的設備節點訪問，通常在 /dev 目錄下，如 /dev/fb*。

　　更多關于 frame buffer device 的資料可以在以下兩個文件中找到： linux /Documentation/fb/framebuffer.txt 和 linux /Documentation/fb /interal.txt，但這些資料內容不多，還需要看看結合代碼具體分析。

　　Linux Frame Buffer 驅動程序層次結構

　　Frame Buffer 設備驅動可以從三個層次來看：

　　應用程序與系統調用；

　　適用于所有設備的通用代碼，避免重復，包括 file_operations 結構、register/unregister framebuffer 接口等；

　　操作具體硬件的代碼，主要是 fs_ops 結構。

　　在 Linux 內核中，Frame Buffer 設備驅動的源碼主要在以下兩個文件中，它們 處于 frame buffer 驅動體系結構的中間層，它為上層的用戶程序提供系統調用， 也為底層特定硬件驅動提供了接口：

　　linux/inlcude/fb.h

　　linux/drivers/video/fbmem.c

　　數據結構

　　頭文件 fb.h 定義了所有的數據結構：

　　fb_var_screeninfo：描述了一種顯卡顯示模式的所有信息，如寬、高、顏色深度等，不同的顯示模式對應不同的信息；

　　fb_fix_screeninfo：定義了顯卡信息，如 framebuffer 內存的起始地址，地址長度等；

　　fb_cmap：設備獨立的 colormap 信息，可以通過 ioctl 的 FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 命令設置 colormap；

　　fb_info：包含當前 video card 的狀態信息，只有 fb_info 對內核可見；

　　fb_ops ： 應用程序使用 ioctl 系統調用操作底層的 LCD 硬件，fb_ops 結構中定義的方法用于支持這些操作；

　　這些結構相互之間的關系如下所示：

　　framebuffer 驅動主要數據結構

　　接口

　　fbmem.c 實現了所有驅動使用的通用代碼，避免了重復。

　　全局變量：

　　struct fb_info *registered_fb ［FB_MAX］

　　int num_registered_fb;

　　這個兩個變量用于記錄正在使用的 fb_info 結構實例。fb_info 代表 video card 的當前狀態，所有的 fb_info 結構都放在數組中。當一個 frame buffer 在內核中登記時，一個新的 fb_info 結構被加入該數組，num_registered_fb 加 1。

　　fb_drivers 數組：

　　static struct {

　　const char *name;

　　int （*init）（void）;

　　int （*setup）（void）;

　　} fb_drivers［］ __initdata= { 。。。。};

　　若 frame buffer 驅動程序是靜態鏈接到內核中，一個新的 entry 必須要加到這個表中。 若該驅動程序是使用 insmod/rmmod 動態加載到內核，則不必關心這個結構。

　　static struct file_operations fb_ops ={

　　owner： THIS_MODULE，

　　read： fb_read，

　　write： fb_write，

　　ioctl： fb_ioctl，

　　mmap： fb_mmap，

　　open： fb_open，

　　release： fb_release

　　};

　　這是用戶應用程序的接口，fbmem.c 實現了這些函數。

　　register/unregister framebuffer：

　　register_framebuffer（struct fb_info *fb_info）

　　unregister_framebuffer（struct fb_info *fb_info）

　　這是底層 frame buffer 設備驅動程序的接口。驅動程序使用這對函數實現注冊和撤銷操作。底層驅動程序的工作基本上是填充 fb_info 結構，然后注冊它。

　　一個 LCD controller 驅動程序

　　實現一個 LCD controller 驅動程序主要做如下兩步：

　　分配系統內存作顯存

　　根據具體的硬件特性，實現 fb_ops 的接口

　　在 linux/drivers/fb/skeletonfb.c 中有一個 frame buffer 驅動程序的框架，它示例了怎樣用很少的代碼實現一個 frame buffer 驅動程序。

　　分配系統內存作為顯存

　　由于大多數 LDC controller 沒有自己的顯存，需要分配一塊系統內存作為顯存。 這塊系統內存的起始地址和長度之后會被存放在 fb_fix_screeninfo 的 smem_start 和 smem_len 域中。該內存應該是物理上連續的。

　　對于帶獨立顯存的顯卡，使用 request_mem_region 和 ioremap 將顯卡外設內存映射到處理器虛擬地址空間。

　　實現 fb_ops 結構

　　目前還沒有討論的 file_operations 方法是 ioctl （）。用戶應用程序使用 ioctrl 系統調用操作 LCD 硬件。fb_ops 結構中定義的方法為這些操作提供支 持。注意， fb_ops 結構不是 file_operations 結構。fb_ops 是底層操作的抽 象，而 file_operations 為上層系統調用接口提供支持。

　　下面考慮需要實現哪些方法。ioctl 命令和 fb_ops 結構中的接口之間的關系如 下所示：

　　FBIOGET_VSCREENINFO fb_get_var

　　FBIOPUT_VSCREENINFO fb_set_var

　　FBIOGET_FSCREENINFO fb_get_fix

　　FBIOPUTCMAP fb_set_cmap

　　FBIOGETCMAP fb_get_cmap

　　FBIOPAN_DISPLAY fb_pan_display

　　只要我們實現了那些 fb_XXX 函數，那么用戶應用程序就可以使用 FBIOXXXX 宏 來操作 LDC 硬件了。那怎么實現那些接口呢？可以參考下 linux/drivers/video 目錄下的驅動程序。

　　在眾多接口中， fb_set_var 是最重要的。它用于設置 video mode 等信息。下 面是實現 fb_set_var 函數的通用步驟：

　　檢查是否有必要設置 mode

　　設置 mode

　　設置 colormap

　　根據上面的設置重新配置 LCD controller 寄存器

　　其中第四步是底層硬件操作。