Linux液晶屏驱动开发

　　随着高性能嵌入式处理器的普及和硬件成本的不断降低，尤其是ARM 系列处理器的推出，嵌入式系统的功能越来越强。单色LCD也因为色彩单调，存储信息小，处理速度慢而不能符合人们的需求。

　　在多媒体应用的推动下，彩色LCD越来越多地应用到了嵌入式系统中 如新一代手机和掌上电脑多采用TFT显示器件，该显示器件支持彩色图形界面和视频媒体播放。Linux作为开放源代码的操作系统也在市场中占据了一席之地。由于Linux成本低廉，源代码开放，因此成为国内外厂商极力发展的操作系统。在应用需求的推动下，Linux下也出现了许多图形界面软件包，如MiniGUI、Trolletech公司的Embedded QT等，其图形界面及开发工具与Windows CE不相上下。在图形软件包的开发和移植工作中都牵涉到底层LCD的驱动问题。笔者有幸参与了Linux操作系统下LCD部分的开发，其主要功能是点亮液晶屏，将在摄像头上采集的BMP图片在液晶屏上显示并将BMP 格式压缩成JPEG格式，使得存储量减少。因此笔者就在开发过程中遇到的问题一一阐述。

　　背景知识

　　在切入正题之前，先来了解在做驱动过程中需要预先知道的知识。

　　1 硬件平台

　　MC9328MX1(以下简称MX1)是Motorola 公司基于ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式应用。内部采用ARM920T内核，并集成了SDRAM/Flash、LCD，USB、蓝牙.多媒体闪存卡(MMC/SD、Memory Stick)和CMOS摄像头等控制器。

　　LCD控制器的功能是产生显示驱动信号，驱动LCD显示器。用户只需要通过读写一系列的寄存器，完成配制和显示控制。MX1中的LCD控制器可支持单色/彩色LCD 显示器。支持彩色TFT时，可提供4/8/12/16位颜色模式，其中16位颜色模式下可以显示64k种颜色。配置LCD控制器重要的一步是指定显示缓冲区，显示的内容就是从缓冲区中读出的，其大小由屏幕分辨率和显示颜色数决定。在本例中，采用KYocera 公司的KCS057QV1AJ液晶屏，在240×320分辨率下可提供8位彩色显示，即最大256色位图。

　　2.Linux下的设备驱动

　　在Linux操作系统下有两类主要的设备文件类型，一种是字符设备，另一种是块设备。字符设备和块设备的主要区别是在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求读/写时，它首先察看缓冲区的内容，如果缓冲区的数据能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。

　　Linux的设备管理是和文件系统解密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件，完成对设备的操作，就像操作普通的数据文件一样。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备，而次设备号标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分它们。设备文件的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序。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。

　　3.Linux的帧缓冲设备

　　帧缓冲区是出现在Linux 2.2.xx及以后版本内核当中的一种驱动程序接口，这种接口将显示设备抽象为帧缓冲区设备区。它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、换页机制等具体细节。这些都由Framebufer设备驱动来完成。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。在使用Framebufer时，Linux是将显卡置于图形模式下的.在应用程序中，一般通过将Frame-Buffer设备映射到进程地址空间的方式使用，对于帧缓冲来说，可以把它看成是一段内存，用于读写内存的函数均可对这段地址进行读写，只不过这段内存被专门用于放置要在LCD上显示的内容，其目的就是通过配置LCDC寄存器在一段指定内存与LCD 之间建立一个自动传输的通道。这样，任何程序只要修改这段内存中的数据，就可以改变LCD 上的显示内容。

　　FrameBuffer设备驱动基于linux/include/linux/fb.h和linux/drivers/video/fbmem.c这两个文件，下面就详细分析这两个文件。

　　首先分析linux/include/linux/fb.h文件，几乎主要的结构都是在这个文件中定义的。这些结构包括：

　　fb_var_screeninfo 这个结构描述了显示卡的特性，记录了帧缓冲设备和指定显示模式的可修改信息。其中变量xres定义了屏幕一行所占的像素数，yres定义了屏幕一列所占的像素数，bits_per_pixel定义了每个像素用多少个位来表示。
　　fb_fix_screeninfon 这个结构在显卡被设定模式后创建，它描述显示卡的属性，并且系统运行时不能被修改；比如FrameBuffer内存的起始地址。
　　struct fb_info Linux为帧缓冲设备定义的驱动层接口。它不仅包含了底层函数，而且还有记录设备状态的数据。每个帧缓冲设备都与一个fb_info结构相对应。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。
　　fb_cmap描述设备无关的颜色映射信息。可以通过FBIOGETCMAP 和FBIOPUTCMAP 对应的ioctl操作设定或获取颜色映射信息。然后分析fbmem.h文件。

 

　　帧缓冲设备属于字符设备，采用“文件层-驱动层”的接口方式。在文件层为之定义了以下数据结构：



　　其成员函数都在Linux/driver/video/fbmem.c中定义，其中的函数对具体的硬件进行操作，对寄存器进行设置，对显示缓冲进行映射。 [page]

　　对于/dev/fb，对显示设备的操作主要有以下几种：

　　读/写(read/write)/dev/fb 相当于读/写屏幕缓冲区。
　　映射(map)操作 由于Linux工作在保护模式和每个应用程序里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。因此，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。
　　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、显示颜色数和屏幕大小等。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的一般步骤为首先打开/dev/fb设备文件，然后用ioctl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。接下来，将屏幕缓冲区映射到用户空间。最后，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：



　　由于准备在LCD 上显示一幅256色BMP图片，关于BMP 图片方面的知识请见相关链接。

　　4.帧缓冲驱动的缩写

　　了解了上述知识后，在编写驱动的时候就简单多了。源程序共将程序分为初始化帧缓冲模块fb_init()，调色板获取色彩模块get_cmap()，图片显示模块display_bmp()，main函数4个函数。其中调色板获取色彩模块的功能是从文件中获得图像显示色彩，重置系统调色板，使图像能正确的显示色彩。



　　图片显示函数部分重要代码为：



　　在主函数中，建立一个进程调用图片显示函数



　　至此LCD的驱动程序就编写完成了，经过调试，编译链接，然后用串口下载到实验板上，一幅256色BMP图片就可以出现在液晶屏幕上了。

　　5.应用价值

　　液晶屏点亮了，这只是第一步，我们可以在此基础上进一步进行应用程序的开发，比如笔者将此应用在一个视频监控系统中。在这个视频监控系统中，图像处理占很大的比重，基本的图像处理构成如下：

　　图像采集模块图像采集模块需要两种装置，一种是将光信号转换成电信号的物理器件，如摄像机；另一种是能够将模拟电信号转换成数字信号的器件，如图像采集卡。
　　图像处理模块对图像的处理一般可用算法的形式描述，但是对于特殊的问题需要特殊的解决方法，图像处理模块中不但包含了对图像的一般处理方法，也包括一些特殊的算法处理。
　　图像显示模块对于采集得到的图像，经过处理以后，最终需要显示给用户看。在系统的实时采集部分中，需要对展开的图像进行滚屏显示：在图像编辑部分中，需要浏览所要拼接的图像。所以图像显示对于系统来说非常重要。
　　图像储存模块由于图像中包含有大量的信息，并且由于系统所采用8位真彩色格式，因此需要大量的空间。因此，在本系统中需要大容量和快速的图像存储器。
　　图像通信模块随着网络的建设和发展，图像通信传输也得到极大的重视。另外，图像传输可以使不同的系统共享图像数据资源，快速地将结果反映到远处系统，所以极大推动了图像在各个方面的应用。
　　在这五步中，首先在点亮液晶屏之后，才能做下一步工作。比如说笔者能够在LCD显示一幅图画，但由于这幅图是BMP格式的，它的存储量非常惊人，一幅320×240的BMP格式就有320×240×8/8=76800，也就是77KB，这对于系统资源相对短缺的嵌入式设备来说占用系统RAM 太大了，因此我们就要将BMP格式的图片压缩成占用系统资源少的图片格式，比如JPEG 格式或PNG格式，可以有效地减少存储量。

　　由于篇幅所限，不可能把完整的源代码均做一番解释，但主要的过程就是这些，在此抛砖引玉。随着液晶屏在嵌入式设备中的用途越来越广，会有很大的空间值得我们去研究。