0 引言

　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，液晶顯示屏廣泛應(yīng)用于手機(jī),、PDA,、金融終端等電子產(chǎn)品上，而在嵌入式電子領(lǐng)域,，Linux操作系統(tǒng)占有越來越大的市場份額,。因而本文提出在嵌入式Linux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的功能，詳細(xì)敘述了液晶顯示屏在SEP4020微處理器為基礎(chǔ)的平臺(tái)上的Framebuffer驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),。

　　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(jù)驅(qū)動(dòng)方式可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng),、簡單矩陣驅(qū)動(dòng)以及主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)三種。其中,，簡單矩陣型又可以再分為扭轉(zhuǎn)向列(TN)和超扭轉(zhuǎn)式向列型(STN)兩種,，而主動(dòng)矩陣則以薄膜式晶體管(TFT)為主流。

　　TN型技術(shù)是LCD中最基本的,，其他種類的LCD都以TN型為基礎(chǔ)改進(jìn)而得,。TN型LCD顯示質(zhì)量很差，色彩單一,、對比度低,，反應(yīng)速度很慢，故主要應(yīng)用于簡單的數(shù)字符與文字的顯示,，如電子表以及電子計(jì)算器等,。STN LCD的顯示原理與TN類似，區(qū)別在于TN型的液晶分子將入射光旋轉(zhuǎn)90°,，而STN可將入射光旋轉(zhuǎn)180°到270°,。STN改善了TN視角狹小的缺點(diǎn)，并提高了對比度,，顯示品質(zhì)較TN高,。

　　TFT型LCD中，晶體管矩陣依顯示信號開啟或者關(guān)閉液晶分子的電壓,，使液晶分子軸轉(zhuǎn)向而成"亮"或者"暗"的對比,，避免了顯示器對電場效應(yīng)的依靠。因此，TFTLCD顯示質(zhì)量較TN／STN更佳,，畫面顯示對比度可達(dá)150：1以上，反應(yīng)速度逼近30ms甚至更快,，適用于PDA,、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī),、MP4等,。

　　1．2 液晶顯示器時(shí)序

　　圖1為LCD的典型時(shí)序圖。時(shí)序圖中VFRAME為幀同步信號,，VLINE為行同步信號,，VCLK為像素時(shí)鐘信號(用于鎖存圖像數(shù)據(jù)的像素時(shí)鐘)，VM為數(shù)據(jù)有效標(biāo)志信號,，VD為圖像的數(shù)據(jù)信號,。

　　作為幀同步信號的VFRAME，每發(fā)出一個(gè)脈沖,，都意味著新的一屏圖像數(shù)據(jù)開始發(fā)送,。而作為行同步信號的VLINE，每發(fā)出一個(gè)脈沖都表明新的一行圖像資料開始發(fā)送,。在幀同步以及行同步的頭尾都必須留有回掃時(shí)間,。

　　2 硬件平臺(tái)

　　本設(shè)計(jì)采用的硬件平臺(tái)是基于東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程中心研發(fā)的SEP4020微處理器的開發(fā)板。該處理器是使用0．18μ m標(biāo)準(zhǔn)CMOS的工藝設(shè)計(jì),，內(nèi)嵌ASIX CORE(32位RISC內(nèi)核兼容ARM720T,，帶8 kB指令數(shù)據(jù)cache和全功能MMU)，采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)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(guī)范，有AHB MASTER和AHB SLAVE接口,，分別用于讀取需要顯示的數(shù)據(jù)和軟件配置,。經(jīng)過軟件配置后，LCDC能自己獨(dú)立工作,，而不再需要內(nèi)核的再次參與,，從而節(jié)省內(nèi)核的處理時(shí)間。工作過程是LCDC使能后申請系統(tǒng)總線,，獲得總線使用權(quán)后讀取需要顯示的數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)算法的處理就得到滿足時(shí)序要求的信號，送到LCDC顯示驅(qū)動(dòng)器,。

　　LCDC使用內(nèi)嵌的DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)操作,，配備一個(gè)深度為16的32位FIFO用于緩存顯示數(shù)據(jù)，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(guān)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(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　3．1 驅(qū)動(dòng)核心結(jié)構(gòu)體的介紹

　　3．1．1．fb_jnfo結(jié)構(gòu)體

　　幀緩沖設(shè)備最關(guān)鍵的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體是fb info結(jié)構(gòu)體,，其中包含了關(guān)于幀緩沖設(shè)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(shù)，包括屏幕分辨率和每個(gè)像素的比特?cái)?shù)等,；fb_fix_screeninfo記錄用戶不能修改的顯示控制器參數(shù),；cmap為目前的顏色表；fb_ops為幀緩沖操作函數(shù)集,；screen_base為幀緩沖的虛擬基地址,；i oremapped的虛擬內(nèi)存大小,；pseudo_palette為偽16色的顏色表,。

　　3．1．2．fb_ops結(jié)構(gòu)體

　　本結(jié)構(gòu)體為指向底層操作的函數(shù)的指針，這些函數(shù)是需要驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員編寫填充的,，部分成員定義如下

　　fb_check_var ()用于調(diào)整可變參數(shù),，并修整為硬件支持的值；fb_set_par()則根據(jù)屏幕參數(shù)設(shè)置具體讀寫LCD控制器的寄存器以使得LCD控制器進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài),，使用戶設(shè)置的屏幕參數(shù)在硬件上有效,；f bsetcolreg ()成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)偽顏色表和顏色表的填充。

　　3．1．3．fb_var_screeni nfo

　　本結(jié)構(gòu)體定義了用戶可以修改的顯示控制器參數(shù),，部分成員如下：

　　本結(jié)構(gòu)體中,，xres為屏幕的水平像素?cái)?shù)；yres為屏幕垂直寬度：bits_per_pixel定義每個(gè)像素由多少個(gè)位表示,；pixclock定義了像素時(shí)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(shè)備的模塊加載和卸載函數(shù)

　　由于LCD控制器被集成在SOC芯片上作為一個(gè)獨(dú)立的硬件模塊,，也就是platform_device而存在，因此本驅(qū)動(dòng)中包含平臺(tái)驅(qū)動(dòng),。首先我們要定義platform_driver結(jié)構(gòu)體：

　　定義了此結(jié)構(gòu)體之后,，在幀緩沖設(shè)備的模塊加載函數(shù)sep4020fb_init(void)中，我們只需要使用函數(shù)platform_driver_register(&sep4020fb_driver)注冊平臺(tái)驅(qū)動(dòng),，而其余大部分的初始化工作移交到平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的探測函數(shù)sep4020fb_probe中完成。

　　在函數(shù)sep4020fb_probe(struct platform_device*pdev)中,，首先要申請SEP4020的幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體：structsep4020fb_info*info,，在此結(jié)構(gòu)體中，成員sep4020fb_ma c h_i n f o記錄了seP4020幀緩存的機(jī)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(nèi)存空間,，申請完畢之后就要初始化fb_info結(jié)構(gòu)體中的固定和可變參數(shù)，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(shù)操作結(jié)構(gòu)體賦予幀緩存信息結(jié)構(gòu)體中對應(yīng)的成員,，sep4020fb_ops定義了指向底層操作的一系列函數(shù)，本文將在后面詳細(xì)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(gè)字節(jié)，將此值賦給fbinfo->fix．smem_len成員,。

　　完成可變參數(shù)和固定參數(shù)的填充之后,，要為本驅(qū)動(dòng)申請中斷資源，具體函數(shù)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(wù)子程序,，SA_INTERRUPT表示為一個(gè)快速中斷處理,，在執(zhí)行中斷的過程中禁止所有在當(dāng)前處理器上的其他中斷。申請中斷完畢之后，就要完成本驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵步驟,，調(diào)用sep4020fb_map_video_memory()函數(shù)申請顯示緩沖區(qū),。在該函數(shù)中，首先調(diào)用PAGE_ALIGN()函數(shù)對齊申請的緩沖區(qū)的大小,，使即將申請的顯示緩沖區(qū)大小為頁的整數(shù)倍,；然后調(diào)用函數(shù)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(nèi)存區(qū)域作為幀緩存,，函數(shù)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(nèi)存區(qū)的大小,。

　　完成上面的工作之后,，驅(qū)動(dòng)程序在就有了一塊內(nèi)存區(qū)域作為幀緩沖，向此區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)就能顯示在液晶屏上,。后面還要調(diào)用sep4020fb_init_registers(info)函數(shù)初始化L C D控制器的寄存器,；然后調(diào)用sep4020fb_check_var(＆fbinfo一>var，fbinfo)檢查可變參數(shù),，最后調(diào)用register_framebuffer(fbinfo)注冊幀緩沖設(shè)備,。

　　3．3 提供給應(yīng)用程序的接口

　　本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)定義了如下幾個(gè)接口供應(yīng)用程序調(diào)用：fb_ioctl，fb_blank,，fb_fillrect．

　　部分代碼如下：

　　sep4020_blank函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)了將液晶屏清屏的功能,。

　　sep4020fb_fillrect函數(shù)實(shí)現(xiàn)了填充液晶屏一塊矩形區(qū)域的功能。

　　sep4020fb_ioctl函數(shù)則為上層應(yīng)用提供了更多的功能,，部分可供上層調(diào)用的命令如下：

　　FBIOGET_VSCREENINFO表示用戶獲取屏幕的可變參數(shù),；

　　FBIOPUT_VSCREENINFO表示用戶設(shè)置可變的屏幕參數(shù)；

　　FBIOGET_FSCREENINFO表示用戶獲得屏幕的固定參數(shù),；

　　FBIOBLANK表示調(diào)用sep4020fb_blank函數(shù)清空液晶屏,；

　　FBIOPUTCMAP表示設(shè)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(shè)備進(jìn)行訪問

　　驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)過編譯并加載為模塊后,，成為／dev／fb0設(shè)備，在應(yīng)用程序中,，操作／dev／fb0一般遵循如下步驟：1)打開／dev／fb0設(shè)備文件,；2)調(diào)用ioctl()操作取得屏幕的參數(shù)，如屏幕分辨率和每個(gè)像素所占的比特?cái)?shù),，進(jìn)而計(jì)算出顯示緩沖區(qū)的大??；3)將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間；4)映射之后就可以向緩沖區(qū)寫入或者讀出數(shù)據(jù),，進(jìn)行繪圖了,。

　　4 測試與結(jié)論

　　根據(jù)前面論述的步驟向屏幕緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，將每個(gè)像素的值設(shè)為0xF0F0,，在屏幕上顯示如下圖像：

　　測試結(jié)果顯示,，在本課題驅(qū)動(dòng)模塊的支持下，可以向屏幕緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)方案已經(jīng)應(yīng)用在本單位某產(chǎn)品上。