引言
DVI是Digital VisualInterface(數(shù)字視頻接口)的縮寫,。在嵌入式電子領(lǐng)域,，像DVI這樣的高清接口應用越來越多，很多嵌入式產(chǎn)品采用H．264視頻編碼技術(shù),，支持播放H．264格式的720P分辨率的視頻文件,，這就需要至少1024×768分辨率的顯示輸出設備。
MX51是飛思卡爾半導體的基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的高端ARM嵌入式多媒體處理器,，支持720P視頻多種格式的硬解碼,，可以用來開發(fā)高清機頂盒,、上網(wǎng)本等產(chǎn)品，很多情況下需要集成DVI這樣的高清視頻端子,。
在嵌入式電子產(chǎn)品中,，Linux操作系統(tǒng)占有越來越多的市場份額。本文采用Linux2．6．28內(nèi)核和MX51作為系統(tǒng)的軟,、硬件平臺,，詳細論述了基于framebtffer技術(shù)開發(fā)DVI顯示驅(qū)動程序的方法。
1 DVI概述
DVI接口只在一些高端顯示器上可以看到,，一般常見的液晶顯示器只有VGA接口,。VGA接口顯示的是模擬信號，而DVI接口顯示的是數(shù)字信號,，它傳輸沒有經(jīng)過壓縮的數(shù)字信號,，最高速率可達4．9 Gbps，對高清視頻顯示可以達到較好的保真度,，減少模擬信號傳輸時的信號損失,。
DVI基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，轉(zhuǎn)換最小差分信號)技術(shù)來傳輸數(shù)字信號,，TMDS運用先進的編碼算法把8位數(shù)據(jù)(R,、G、B中的每路基色信號)通過最小轉(zhuǎn)換編碼為10位數(shù)據(jù)(包含行場同步信息,、時鐘信息,、數(shù)據(jù)DE、糾錯等),，經(jīng)過DC平衡后,，采用差分信號傳輸數(shù)據(jù)。DVI和LVDS,、TTL相比有較好的電磁兼容性能,，可以用低成本的專用電纜實現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號傳輸,。
2 硬件接口
本設計采用的硬件平臺是基于飛思卡爾半導體的MX51多媒體應用處理器開發(fā)板,。該處理器集成了多種外設接口，其中包括兩個液晶顯示控制器(LCDC)及其接口,，可以連接各類LCD,，分辨率最大支持1280×800像素。通過MX51的LCD1接口,，外擴德州儀器公司的TFP410芯片實現(xiàn)DVI視頻輸出,，MX51的高清720P視頻解碼能力需要較大分辨率的顯示輸出設備。圖1為MX51的LCD1接口與TFP410的連接圖。
圖1中的TX2±,、TX1±,、TX0±、TXC±信號是DVI視頻輸出信號4對,，8個信號,。DATA[23：0]是視頻數(shù)據(jù)輸入信號，對應MX51 LCD1的DATA[23：0],；DE,、VSYNC、HSYNC,、IDCK±等時鐘信號分別對應LCD1的相應的引腳,。SCL、SDA是I2C總線時鐘和數(shù)據(jù)信號,，接MX51 I2C接口的2個引腳,。以上硬件電路連接，可實現(xiàn)MX51輸出高清視頻到DVI芯片,，再通過外接LCD顯示,。MX51處理器內(nèi)部集成的LCD控制器包括如下主要寄存器：
①LSSAR寄存器。設置顯示緩沖區(qū)的首地址,。
②LSR寄存器,。設置顯示緩沖區(qū)的大小。
③LPCR寄存器,。設置像素時鐘頻率PCD,、同步時鐘極性FB_SYNC_CLK_INVERT、OE信號極性FB_SYNC_OE_ACT_HIGH,、垂直信號時鐘極性FB_SY NC_VERT_HIGH_ACT,、水平信號時鐘極性FB_SYNC_HOR_HIGH_ACT。
④LHCR寄存器,。設置行同步信號的hsync_len,、left_margin和right_margin,。
⑤LVCR寄存器,。設置幀同步信號的vsync_len、upper_margin和lower_margin,。
⑥LPCCR寄存器,。設置屏幕的顯示亮度，LPCCR的低8位控制PWM的脈沖高電平占空比,，調(diào)節(jié)范圍為0x00～0xFF,。
3 Linux的幀緩沖設備
3．1 framebuffer機制
framebuffer(幀緩沖)是出現(xiàn)在Linux2．2．xx之后版本內(nèi)核的一種驅(qū)動程序接口，在Linux體系中它居于上層應用程序和底層顯示設備之間。framebuffer屏蔽了不同顯示設備間的差異,，將顯示設備抽象為幀緩沖區(qū),，它是一種供用戶態(tài)實現(xiàn)直接寫屏的抽象設備。framebuffer可
以看成是顯存的一個映像,，用戶通過內(nèi)存映射將其映射到進程的地址空間后,，通過對顯示緩沖區(qū)的讀寫操作可直接控制LCD的屏幕輸出。
frameBuffer設備驅(qū)動主要基于linux／include／linux／fb．h和linux／drivers／video／fbmem．c這兩個文件,。fb．h中包含了與幀緩沖設備相關(guān)的重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。fbmem．c是framebuffer機制的核心程序，它為上層應用程序提供了通用接口,，同時也為下層特定硬件提供了接口,。其內(nèi)的函數(shù)可對具體硬件進行操作，比如對寄存器進行設置,，對顯示緩沖進行映射等,。
3．2 幾個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
(1)struct fb_info
這個結(jié)構(gòu)是Linux為幀緩沖區(qū)設備定義的驅(qū)動層接口，它包含了關(guān)于幀緩沖設備屬性和操作的完整描述,，部分成員定義如下：
其中,，var記錄用戶可以修改的顯示控制器參數(shù)，包括屏幕分辨率和每個像素的位寬等,；fix記錄用戶不能修改的顯示控制器參數(shù),；cmap為當前的顏色表；fbops指向?qū)Φ讓佑布僮鞯暮瘮?shù)集,；dev表示幀緩沖設備,；screen_base為I／O映射的虛擬基地址。
(2)struct fb_ops
該結(jié)構(gòu)提供了指向底層操作的函數(shù)指針,，其成員函數(shù)最終與LCD控制器硬件打交道,，這些函數(shù)需要驅(qū)動開發(fā)者根據(jù)LCD控制器的硬件設置及LCD顯示屏的硬件參數(shù)進行設計。該結(jié)構(gòu)部分成員定義如下：
其中,，fb_check_var用于檢查可變的屏幕參數(shù),，并調(diào)整其為硬件支持的值；fb_set_par根據(jù)屏幕參數(shù)設置具體讀寫LCD控制器的寄存器以使其進入相應的工作狀態(tài),，fb_setcolreg設置color寄存器來實現(xiàn)偽顏色表和顏色表的填充,。
(3)struct fb_var_screeninfo
這是fb_info的成員結(jié)構(gòu)體。它記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的可修改信息,，包括屏幕分辨率,、每個像素的位寬、幀延時,、行延時等,。
(4)struct fb_fix_screeninfo
這是fb_info的成員結(jié)構(gòu)體,，它描述顯示卡的屬性，并且在系統(tǒng)運行時不能被修改,，例如緩沖區(qū)的首地址,、長度等。當一種模式被設定后,，內(nèi)存信息由顯示卡硬件給出,，內(nèi)存的位置等信息就不可修改。
MX51將LCD控制器直接嵌入到處理器芯片內(nèi)部,，這為嵌入式系統(tǒng)關(guān)于顯示功能的擴展提供了直接接口,。LCD控制器驅(qū)動是DVI設備驅(qū)動的核心，它是一個標準的framebuffer設備驅(qū)動,。設計驅(qū)動程序,，首要的是配置LCD控制器，設置幀緩沖區(qū),，這在很大程度上要依賴于上述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，驅(qū)動設計需填寫相關(guān)結(jié)構(gòu)體并完成系統(tǒng)指定的接口函數(shù)。
4 DVI驅(qū)動程序設計
4．1 平臺驅(qū)動
從Linux2．6起引入了一套新的驅(qū)動管理和注冊機制：platform_device和platform_driver,。
設備用platform_device表示,，驅(qū)動用platform_driver注冊。平臺設備包括基于端口的設備,、外圍總線和集成在片上系統(tǒng)中的大多數(shù)控制器,，作為MX51片上的獨立硬件模塊。LCD控制器是一個平臺設備,，因此驅(qū)動設計中需包含平臺驅(qū)動,。平臺驅(qū)動的任務是向系統(tǒng)注冊用到的設備，此處包括MX51的LCD控制器和TFP410 DVI視頻輸出芯片,，使得設備驅(qū)動加載時可以從系統(tǒng)中查詢到相應的設備是已注冊的狀態(tài),，然后執(zhí)行設備驅(qū)動程序中的probe函數(shù)。
在arch／arm／mach-mx51／rex51_3stack．C中,，沒置platform_device結(jié)構(gòu)變量mxc_fb_device和i2c_board_info,。結(jié)構(gòu)變量mxc_i2cl_ board_info定義LCD控制器和TFP410設備。
調(diào)用函數(shù)platform_device_register(＆mxc_fb_device)和i2c_register_board_info(1,，mxc_i2cl_board_info,，ARRAY_SIZE(mxc_i2cl_ board_info))向系統(tǒng)注冊以上設備。
4．2 設備驅(qū)動
4．2．1 LCD控制器驅(qū)動
LCD控制器驅(qū)動是一個標準的幀緩沖設備驅(qū)動,。首先在drivers／video／mxc／mxc_ipuv3_fb．c中定義全局結(jié)構(gòu)變量mxcfb_driver：
然后,，在驅(qū)動入口函數(shù)mxcfb_init(void)中調(diào)用platform_driver_register(＆mxcfb_driver)注冊驅(qū)動，當驅(qū)動加載成功后,，會自動調(diào)用探測函數(shù)mxcfb_probe。
mxcfb_probe是驅(qū)動設計中的重要函數(shù)。主要負責初始化硬件,。申請中斷,、分配framebuffer所需的內(nèi)存、注冊幀緩沖設備等,，以下是與framebuffer相關(guān)的操作,。
①調(diào)用mxcfb_init_fbinfo(＆pdev->dev，＆mxcfb_ops)函數(shù),，在其內(nèi)通過framebuffer_alloc函數(shù),，為mx51幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體struct mxcfb_info分配所需空間。參數(shù)mxcfb_ops的定義如下：
mxcfb_ops定義了指向底層操作的一系列函數(shù),，這些函數(shù)針對MX51幀緩沖操作,，是framebuffer核心驅(qū)動操作的具體實現(xiàn)。
②初始化幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體fb_info的固定和可變參數(shù),，填充fb_var_screeninfo var和fb_fix_screeninfo fix成員,。
定義fbi為struct fb_info類型的指針，通過fbi->fbops=＆mxcfb_ops語句,，將已定義的文件操作接口mxcfb_ops賦予fb-info結(jié)構(gòu)的fbops成員,。
調(diào)用mxcfb_check_var(＆fbi->var，fbi)函數(shù),，檢查和調(diào)整fb_info結(jié)構(gòu)中變量var的值,。var是一個struct fb_var_screeninfo類型的變量，表示顯示控制器參數(shù),，其中與顯示輸出狀態(tài)有關(guān)的信息,，如屏幕分辨率等將在后面的DVI驅(qū)動中設置。
調(diào)用mxcfb_set_fix(fbi)函數(shù),，用于填充一個struct fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)變量fbi->fix,，它描述了顯示輸出設備自身的屬性。
③調(diào)用register_framebuffer(fbi)函數(shù),，注冊幀緩沖驅(qū)動程序,，該函數(shù)只有一個參數(shù)，即前面已定義的,、指向struct fb_info結(jié)構(gòu)的指針fbi,。
4．2．2 DVI設備驅(qū)動
LCD控制器將DVI芯片作為它所連接的顯示外設，在完成LCD控制器驅(qū)動后還需編寫DVI設備驅(qū)動,。在文件drivers／video／mxc／mxcfb_ dvi．c中定義驅(qū)動結(jié)構(gòu)體：
然后,，在外設驅(qū)動入口函數(shù)dvi_init(void)中調(diào)用platform_driver_regtster(＆dvi_driver)注冊DVI驅(qū)動，驅(qū)動加載后,，系統(tǒng)自動調(diào)用探測函數(shù)dvi_probe,，該函數(shù)主要實現(xiàn)以下操作：一是指定framebuffer設備,，由于MX51IPU(圖像處理單元)支持多個framebuffer設備，此處要確定DVI究竟使用Mx51 IPU framebuffer的哪一個設備,；二是填充fb_var_screeninfo結(jié)構(gòu)變量var中有關(guān)顯示輸出狀態(tài)的信息,，如屏幕的顯示分辨率、畫面位置等,，為此在程序中定義結(jié)構(gòu)數(shù)組video_modes：
結(jié)構(gòu)struct fb_videomode用于描述顯示輸出狀態(tài),，調(diào)用函數(shù)“fb_videomode_to_var(＆var，＆video_modes[0])”將屏幕顯示參數(shù)轉(zhuǎn)換為var結(jié)構(gòu)變量的相關(guān)成員,，由于var的部分成員值已在前面LCD控制器驅(qū)動中確定,，此處完成了對var全部成員的設置。
一個frambuffer設備由一個struct fb_info結(jié)構(gòu)表示,，本設計用fb_info結(jié)構(gòu)的全局變量regtstered_fb表示系統(tǒng)注冊的frambuffer設備,，驅(qū)動程序的主要任務之一是填充這個結(jié)構(gòu)變量。LCD控制器驅(qū)動與DVI外設驅(qū)動之間的信息傳遞,，通過該全局變量實現(xiàn),。
5 DVI驅(qū)動測試
首先，通過顯示一幅圖片測試DVI輸出是否正常,。通過轉(zhuǎn)換工具(如Image21cd)把一幅1024×768大小的jpg圖片轉(zhuǎn)換為RGB 888分辨率,、1024x 768的RGB格式的二進制圖片。然后鍵入命令：cp pic．bin／dev／fb0,，此時圖片顯示于屏幕上,。接下來，再使用MX51的視頻解碼測試程序播放一個720P的視頻H．264文件,，可以看到視頻播放清晰流暢,，效果很好。
結(jié)語
經(jīng)測試,，DVI驅(qū)動程序在MX51平臺上成功實現(xiàn),。framebuffer是Linux提供給用戶的一個直接面向顯示緩沖區(qū)的接口，本設計是一個面向應用的framebuffer驅(qū)動,，文中給出了DVI驅(qū)動的整體架構(gòu),，對主要模塊的設計思想和實現(xiàn)方法進行了詳細的介紹。