Linux笔记之嵌入式LCD驱动程序设计

一． Linux的帧缓冲设备
帧缓冲（framebuffer）是Linux为显示设备提供的一个接口，把显存抽象后的一种设备，他允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。这种操作是抽象的，统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。这些都是由Framebuffer设备驱动来完成的。帧缓冲驱动的应用广泛，在linux的桌面系统中，Xwindow服务器就是利用帧缓冲进行窗口的绘制。尤其是通过帧缓冲可显示汉字点阵，成为Linux汉化的唯一可行方案。
帧缓冲设备对应的设备文件为/dev/fb*，如果系统有多个显示卡，Linux下还可支持多个帧缓冲设备，最多可达32个，分别为/dev/fb0到/dev/fb31，而/dev/fb则为当前缺省的帧缓冲设备，通常指向/dev/fb0。当然在嵌入式系统中支持一个显示设备就够了。帧缓冲设备为标准字符设备，主设备号为29，次设备号则从0到31。分别对应/dev/fb0-/dev/fb31。
通过/dev/fb，应用程序的操作主要有这几种：
1． 读/写（read/write）/dev/fb：相当于读/写屏幕缓冲区。例如用 cp /dev/fb0 tmp命令可将当前屏幕的内容拷贝到一个文件中，而命令cp tmp > /dev/fb0 则将图形文件tmp显示在屏幕上。
2． 映射（map）操作：由于Linux工作在保护模式，每个应用程序都有自己的虚拟地址空间，在应用程序中是不能直接访问物理缓冲区地址的。为此，Linux在文件操作 file_operations结构中提供了mmap函数，可将文件的内容映射到用户空间。对于帧缓冲设备，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的一段虚拟地址中，之后用户就可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图了。实际上，使用帧缓冲设备的应用程序都是通过映射操作来显示图形的。由于映射操作都是由内核来完成，下面我们将看到，帧缓冲驱动留给开发人员的工作并不多。
3． I/O控制：对于帧缓冲设备，对设备文件的ioctl操作可读取/设置显示设备及屏幕的参数，如分辨率，显示颜色数，屏幕大小等等。ioctl的操作是由底层的驱动程序来完成的。
在应用程序中，操作/dev/fb的一般步骤如下：
1． 打开/dev/fb设备文件。
2． 用ioctrl操作取得当前显示屏幕的参数，如屏幕分辨率，每个像素点的比特数。根据屏幕参数可计算屏幕缓冲区的大小。
3． 将屏幕缓冲区映射到用户空间。
4． 映射后就可以直接读写屏幕缓冲区，进行绘图和图片显示了。
典型程序段如下：
#include <linux/fb.h>
int main()
{
int fbfd = 0;
struct fb_var_screeninfo vinfo;
struct fb_fix_screeninfo finfo;
long int screensize = 0;
/*打开设备文件*/
fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
/*取得屏幕相关参数*/
ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
/*计算屏幕缓冲区大小*/
screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;
/*映射屏幕缓冲区到用户地址空间*/
fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);
/*下面可通过fbp指针读写缓冲区*/
……
}
二． 帧缓冲驱动的编写
帧缓冲设备属于字符设备，与声音设备一样，也采用“文件层-驱动层”的接口方式。在文件层次上，Linux为其定义了
static struct file_operations fb_fops = {
owner: THIS_MODULE,
read: fb_read, /* 读操作 */
write: fb_write, /* 写操作 */
ioctl: fb_ioctl, /* 控制操作 */
mmap: fb_mmap, /* 映射操作 */
open: fb_open, /* 打开操作 */
release: fb_release, /* 关闭操作 */
};
其中的成员函数都在文件linux/driver/video/fbmem.c中定义。
由于显示设备的特殊性，在驱动层的接口中不但要包含底层函数，还要有一些纪录设备状态的数据。Linux为帧缓冲设备定义的驱动层接口为struct fb_info结构，在include/linux/fb.h中定义。这个结构比较长，限于篇幅，文章中就不全部列出了。幸运的是，嵌入式系统要求的显示操作比较简单，只涉及到结构中少数几个成员，下面只对编写驱动中要用到的几个关键成员作一说明。
fb_info中纪录了帧缓冲设备的全部信息，包括设备的设置参数，状态以及操作函数指针。每一个帧缓冲设备都必须对应一个fb_info结构。其中成员变量Modename为设备名称，fontname为显示字体，fbops为指向底层操作的函数的指针，这些函数是需要驱动程序开发人员编写的。成员fb_var_screeninfo和 fb_fix_screeninfo也是结构体。其中fb_var_screeninfo记录用户可修改的显示控制器参数，包括屏幕分辨率和每个像素点的比特数。fb_var_screeninfo中的xres定义屏幕一行有多少个点, yres定义屏幕一列有多少个点, bits_per_pixel定义每个点用多少个字节表示。而fb_fix_screeninfo中记录用户不能修改的显示控制器的参数，如屏幕缓冲区的物理地址，长度。当对帧缓冲设备进行映射操作的时候，就是从fb_fix_screeninfo中取得缓冲区物理地址的。上面所说的数据成员都是需要在驱动程序中设置的。
在了解了上面所述的概念后，编写帧缓冲驱动的实际工作并不复杂，需要做的工作是：
1． 编写初始化函数：初始化函数首先初始化LCD控制器，设置显示模式和显示颜色数，然后分配LCD显示缓冲区。在Linux可通过kmalloc函数分配一片连续的空间。笔者采用的LCD显示方式为240x320，16位彩色。需要分配的显示缓冲区为240x320x2 = 150k字节，缓冲区通常分配在片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制器寄存器中。
最后是初始化一个fb_info结构，填充其中的成员变量，并调用register_framebuffer(&fb_info)将fb_info登记入内核。
2． 编写结构fb_info中函数指针fb_ops对应的成员函数：对于嵌入式系统的简单实现，只需要下列三个函数就可以了：
struct fb_ops {
……..
int (*fb_get_fix)(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con, struct fb_info *info);
int (*fb_get_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info);
int (*fb_set_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con,struct fb_info *info);
…….
};
struct fb_ops在include/linux/fb.h中定义。这些函数都是用来设置/获取fb_info结构中的成员变量的。当应用程序对设备文件进行Ioctl操作时候会调用它们，读者可参考前文中的应用程序例子。例如，对于fb_get_fix（），应用程序传入的是fb_fix_screeninfo结构，在函数中对其成员变量赋值，主要是smem_start（缓冲区起始地址）和smem_len（缓冲区长度），最终返回给应用程序。而fb_set_var（）函数的传入参数是fb_var_screeninfo，函数中需要对xres，yres,和bits_per_pixel赋值。
驱动程序编写完成后，开发者可选择将其编译为动态加载模块，或静态地编译入内核中。由于篇幅所限，有关这方面的内容请读者参考相关驱动程序文档。