摘  要： 以S3C6410處理器為核心，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過幀緩沖設(shè)備的驅(qū)動方式，實(shí)現(xiàn)了TFT液晶顯示器的驅(qū)動程序。經(jīng)過測試字體的放大與旋轉(zhuǎn)及圖形的顯示，證明該驅(qū)動程序穩(wěn)定，具有很高的實(shí)用價值。
關(guān)鍵詞： 嵌入式Linux；幀緩沖；TFT驅(qū)動程序；Platform機(jī)制

　由于Linux具有開放源碼、易于移植、內(nèi)核可裁剪、資源豐富、免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，使它在嵌入式領(lǐng)域越來越流行。隨著手持設(shè)備的與日俱增，人機(jī)交互界面向著更方便、更直觀的方向發(fā)展。觸摸屏的應(yīng)用讓數(shù)據(jù)的顯示和輸入結(jié)合為一體，使得人機(jī)交互界面更簡單、友好，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中。在實(shí)際工程中，LCD驅(qū)動與觸摸驅(qū)動是分開的，所以本文只涉及LCD驅(qū)動。由于ARM核廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，所以選用的是基于ARM1176JZF-S核的S3C6410 CPU，其頻率可以達(dá)到667 MHz，對多媒體的處理速度很快。
液晶顯示器相對于傳統(tǒng)的CRT有很多優(yōu)點(diǎn)：輕薄、能耗低、輻射少等，市場的占有率也越來越大。LCD有多種類型，比如TN、STN、TFT、LTPS等[1]。TFT型LCD中，晶體管矩陣依顯示信號開啟或關(guān)閉液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉(zhuǎn)向而成“亮”或“暗”的對比，避免了TN與STN依靠電場效應(yīng)而造成響應(yīng)時間長的缺點(diǎn)，而且播放動畫或視頻不會有STN的拖影現(xiàn)象[2]。背光燈的應(yīng)用，使其在日光下也能顯示圖像，應(yīng)用廣泛。LTPS是TFT衍生的新一代技術(shù)，價格較貴，所以這里是關(guān)于TFT液晶顯示器的驅(qū)動。
1 設(shè)備參數(shù)及硬件連接
1.1 TFT液晶顯示屏參數(shù)
　本文選用的是萬鑫的4.3寸的TFT真彩屏，分辨率為480×272，數(shù)據(jù)格式采用24 bit RGB接口模式，其主要參數(shù)如表1所示，參數(shù)名后面跟的英文字符串表示在程序中使用的宏。

1.2 TFT與S3C6410的硬件連接
　一塊LCD屏顯示圖像不僅需要LCD驅(qū)動器，還需要LCD控制器。通常LCD驅(qū)動器會與LCD玻璃基板制作在一起，而S3C6410內(nèi)部集成了一個LCD控制器，所以LCD與6410之間可以直接連接。圖1顯示了LCD液晶顯示器與LCD插槽之間的連接，圖2顯示了LCD插槽與S3C6410之間的連接。VD[0：23]是GRB數(shù)據(jù)線，VDD_LCD接的是LCD的電源，I2CSDA0背光，VDEN表示數(shù)據(jù)可以傳輸顏色數(shù)據(jù)，其他的與表1的名稱對應(yīng)，其中HSYNC、VSYNC、VDEN、VCLK分別與LHSYNC、LVSYNC、LVDEN、LVCLK連接。

2 Platform總線下的LCD驅(qū)動
2.1 Platform總線簡介
　在Linux2.6后的設(shè)備驅(qū)動模型中，總線、設(shè)備和驅(qū)動這三個實(shí)體稱之為總線設(shè)備驅(qū)動模型，即為同類的設(shè)備設(shè)計(jì)了一個框架，而框架的核心層實(shí)現(xiàn)了該類設(shè)備通用的一些功能，而不用程序員自己再去實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動與設(shè)備相分離，使得編寫主機(jī)控制器驅(qū)動和外設(shè)驅(qū)動并行，它們之間不再互相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)分層與分離的思想，從而提高驅(qū)動的可移植性?？偩€將設(shè)備和驅(qū)動綁定。在系統(tǒng)每注冊一個設(shè)備的時候，會尋找與之匹配的驅(qū)動；同樣地，在注冊一個驅(qū)動的時候，會尋找與之匹配的設(shè)備。匹配是通過比較設(shè)備和驅(qū)動中的名字來確定，匹配工作由總線完成；一般情況下，驅(qū)動會使用設(shè)備的資源，所以設(shè)備常常要比驅(qū)動先注冊，而且設(shè)備一般會放在板文件中。
　在嵌入式系統(tǒng)中，SoC系統(tǒng)中集成的獨(dú)立的外設(shè)控制器，掛接在SoC內(nèi)存空間的外設(shè)不依附于任何總線。在這種情形下，Linux發(fā)明了一種虛擬的總線，就是Platform總線，相應(yīng)的設(shè)備稱為platform_device，而驅(qū)動為platform_driver。而LCD正是掛接在Platform總線下的一個驅(qū)動，LCD驅(qū)動先構(gòu)造一個platform_device結(jié)構(gòu)體，然后注冊；接著LCD驅(qū)動構(gòu)造一個platform_driver結(jié)構(gòu)體，并注意platform_driver中的名字要與platform_device中的名字相同，這樣當(dāng)注冊platform_driver時就能夠匹配設(shè)備，Platform總線就會調(diào)用platform_driver中的probe函數(shù)，這個函數(shù)是LCD驅(qū)動真正注冊的函數(shù)；同理，卸載函數(shù)為platform_driver中的remove函數(shù)。
2.2 LCD驅(qū)動的platform_device與platform_driver的注冊
2.2.1 分配初始化一個platform_device結(jié)構(gòu)體
　使用platform_dev_lcd43=platform_device_alloc（"lcd43"，-1）分配并設(shè)置一個platform_device，第一個參數(shù)就是platform_device的名字，第二個參數(shù)為-1表示設(shè)備只有一個。在相應(yīng)的移除函數(shù)中調(diào)用platform_device_release（platform_dev_lcd43）函數(shù)釋放分配的內(nèi)存，這兩個函數(shù)都是內(nèi)核自帶的函數(shù)。下文中，如果沒有特別介紹，都是內(nèi)核自帶的函數(shù)。在這里，為了避免在platform_driver的注冊中引入太多的內(nèi)核函數(shù)，并沒有把資源放入platform_device中，而是要用時再在platform_driver中實(shí)現(xiàn)，這里只是簡單地演示實(shí)際工程中這種platform_device結(jié)構(gòu)的使用；實(shí)際工作中，只需把platform_driver的資源放入platform_device的resource中，然后調(diào)用platform_get_resource（）函數(shù)來取得相應(yīng)的資源就可以了。
　接下來調(diào)用platform_device_register（platform_dev_ lcd43）注冊platform_device，在相應(yīng)的移除函數(shù)中調(diào)用platform_ device_unregister（platform_dev_lcd43）。
2.2.2 定義初始化一個platform_driver結(jié)構(gòu)體
　platform_driver結(jié)構(gòu)體就是LCD驅(qū)動的結(jié)構(gòu)體，把platform_driver中的成員初始化注冊后，內(nèi)核就可以調(diào)用這個驅(qū)動程序了。
　static struct platform_driver platform_lcd43_driver={
　.probe=lcd43_probe，
　.remove=lcd43_remove，
　.driver={
   .name="lcd43"，
   .owner=THIS_MODULE，
　/*內(nèi)核的宏，表示當(dāng)前模塊*/
 　  }
　}；
　接下來調(diào)用platform_driver_register（&platform_lcd43 _driver）注冊platform_driver結(jié)構(gòu)體。
相應(yīng)的移除函數(shù)為platform_driver_unregister（&platform_lcd43_driver）。當(dāng)調(diào)用platform_driver_register（）函數(shù)后，內(nèi)核就自動的去找跟它相匹配的platform_device，如果找到，就調(diào)用platform_driver的probe函數(shù)。
3 LCD驅(qū)動的編寫
3.1 幀緩沖的概念
　幀緩沖是Linux系統(tǒng)為顯示設(shè)備提供的一個接口，它將顯示緩沖區(qū)進(jìn)行抽象，屏蔽了圖像硬件的底層差異，允許上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫。用戶只要在顯示緩沖區(qū)中與顯示點(diǎn)對應(yīng)的區(qū)域?qū)懭腩伾?，對?yīng)的顏色會自動在屏幕上以對應(yīng)的點(diǎn)顯示。幀緩沖驅(qū)動的應(yīng)用非常廣泛，Qt/Embedded、X Window、MiniGUI都是利用幀緩沖進(jìn)行圖像的繪制。LCD驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)就是寫一個幀緩沖驅(qū)動程序，它的主設(shè)備號為29，當(dāng)注冊一個幀緩沖設(shè)備時，會自動地在/dev目錄下創(chuàng)建一個fbn設(shè)備文件，n為注冊前系統(tǒng)幀緩沖設(shè)備的個數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)中沒有幀緩沖設(shè)備時，n為0。
3.2 幀緩沖設(shè)備probe函數(shù)的編寫
3.2.1 幀緩沖結(jié)構(gòu)體的初始化
　幀緩沖設(shè)備驅(qū)動的編寫工作主要集中在platform_driver中的probe函數(shù)的編寫，probe（）函數(shù)完成LCD驅(qū)動程序真正要做的事情，它需要完成：
　（1）申請一個struct fb_info結(jié)構(gòu)體，根據(jù)LCD屏參數(shù)并初始化。幀緩沖設(shè)備最關(guān)鍵的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體是fb_info結(jié)構(gòu)體，它包含幀緩沖設(shè)備屬性和操作的完整描述。
fb43_info=framebuffer_alloc（0，NULL）；
/*申請一個struct fb_info結(jié)構(gòu)體*/
fb43_info->screen_size=HOZVAL*LINEVAL*4；
/*設(shè)置幀緩沖區(qū)的大小*/
fb_info結(jié)構(gòu)體成員fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)的初始化，fb_fix_screeninfo記錄用戶不可修改的顯示器的參數(shù)，如屏幕大小、緩沖區(qū)地址等。
strcpy（fix43->id，"lcd_4.3"）；/*設(shè)置名字*/
fix43->line_length=HOZVAL*4；
/*一行像素占的字節(jié)，1像素4字節(jié)，高8位丟棄*/
fix43->smem_len=LINEVAL*HOZVAL*4；
/*設(shè)置幀緩沖內(nèi)存的大小*/
fix43->type=FB_TYPE_PACKED_PIXELS；
/*設(shè)置LCD的型號*/
fix43->visual=FB_VISUAL_TRUECOLOR；
/*設(shè)置顯示為真彩色*/
fb_info結(jié)構(gòu)體成員fb_var_screeninfo結(jié)構(gòu)的初始化，fb_var_screeninfo記錄用戶可以更改的顯示器參數(shù)，包括屏幕分辨率和每像素點(diǎn)的比特?cái)?shù)等。
var43->xres=HOZVAL；
/*x方向?qū)嶋H像素個數(shù)，表1中的數(shù)值*/
var43->yres=LINEVAL；
/*y方向?qū)嶋H像素個數(shù)，表1中的數(shù)值*/
var43->xres_virtual=HOZVAL；
/*x方向虛擬像素個數(shù)，沒實(shí)現(xiàn)虛擬*/
var43->yres_virtual=LINEVAL；
/*y方向虛擬像素個數(shù)，沒實(shí)現(xiàn)虛擬*/
var43->xoffset=0；/*x方向?qū)嶋H與虛擬間的偏移像素*/
var43->yoffset=0；/*y方向?qū)嶋H與虛擬間的偏移像素*/
var43->bits_per_pixel=32；
/*每像素32位表示，實(shí)際只是24位的RGB*/
var43->red.length=8；/*紅占8位*/
var43->red.offset=16；/*紅偏移16位*/
var43->green.length=8；/*綠占8位*/
var43->green.offset=8；/*綠偏移8位*/
var43->blue.length=8；/*藍(lán)占8位*/
var43->blue.offset=0；/*藍(lán)偏移0位*/
var43->hsync_len=HSPW；
/*以下都是表1中的數(shù)據(jù)，硬件相關(guān)*/
var43->vsync_len=VSPW；
var43->right_margin=HBPD；
var43->left_margin=HFPD；
var43->lower_margin=VBPD；
var43->upper_margin=VFPD；
clk43=clk_get（NULL，"hclk"）；
hclkval=clk_get_rate（clk43）；
/*獲得系統(tǒng)的HCLK，LCD的時鐘由它分頻得到*/
var43->pixclock=hclkval/（hclkval/9000000）；
/*設(shè)置像素時鐘，注意C語言會對整型變量除法運(yùn)算*/
　（2）完成S3C6410的LCD控制器的初始化
　S3C6410自帶LCD控制器，只要把LCD控制寄存器設(shè)置合適的參數(shù)，S3C6410會自動發(fā)出控制LCD的時序，而不需要程序員再去關(guān)心時序的問題。這部分的設(shè)置大都是硬件相關(guān)，不同的CPU設(shè)置一般不會一樣。在Linux系統(tǒng)中，CPU不能直接使用物理地址，所以需要先經(jīng)過ioremap（）函數(shù)建立新頁表，使物理地址映射到邏輯地址[3]。后文中出現(xiàn)的與具體寄存器相關(guān)的指針變量都是經(jīng)過ioremap（）重新映射后的地址。
mifpcon=ioremap（0x7410800C，4）；
spcon=ioremap（0x7F0081A0，4）；
*mifpcon&=~（1<<3）；
*spcon&=~（3）；
*spcon|=1；
　根據(jù)S3C6410手冊要求的設(shè)置，要使用LCD控制器，必須把MOFPCON寄存器的第三位置零，SPCON[1：0]位要為“01”，表示為RGB模式。
　regs43->vidcon0=（（hclkval/9000000-1）<<6）|（1<<4）；
/*設(shè)置時鐘源及分頻系數(shù)*/
regs43->vidcon1=（1<<6）|（1<<5）；
/*因?yàn)镾3C6410的行列同步脈沖與TFT屏的相反，所以要設(shè)置這兩個脈沖反轉(zhuǎn)，要根據(jù)具體的TFT屏芯片手冊設(shè)置*/
/*設(shè)置垂直延時參數(shù)，LCD硬件相關(guān)，見表1內(nèi)容*/
regs43->vidtcon0=（（VBPD-1）<<16）|（（VFPD-1）<<8）|（VSPW-1）<<0；
/*設(shè)置垂直延時參數(shù)，LCD硬件相關(guān)，見表1內(nèi)容*/
regs43->vidtcon1=（（HBPD-1）<<16）|（（HFPD-1）<<8）|（HSPW-1）<<0；
regs43->vidtcon2=（（LINEVAL-1）<<11）|（（HOZVAL-1）<<0）；/*設(shè)置行與列的分辨率*/
regs43->wincon0&=~（0xf<<2）；
regs43->wincon0|=（0xb<<2）；
/*設(shè)置為24位RGB格式*/
regs43->vidosd0a=（0<<11）|（0<<0）；
/*設(shè)置左上角開始值，不留黑框*/
regs43->vidosd0b=（（HOZVAL-1）<<11）|（（LINEVAL-1）<<0）；/*設(shè)置右下角位置*/
regs43->vidosd0c=HOZVAL*LINEVAL；
/*設(shè)置顯示框的大小，以字為單位*/
regs43->vidw00add0b0=fb43_info->fix.smem_start；
/*設(shè)置物理地址*/
regs43->vidw00add1b0=（fb43_info->fix.smem_start+LINEVAL*HOZVAL*4）&0xffffff；
/*設(shè)置幀緩沖內(nèi)存結(jié)束地址的低24位*/
?。?）分配幀緩沖區(qū)的內(nèi)存，同時設(shè)置幀緩沖區(qū)的虛擬及物理地址。
fb43_info->screen_base=dma_alloc_writecombine（NULL，fb43_info->screen_size，
&fb43_info->fix.smem_start，GFP_KERNEL）；
/*設(shè)置幀緩沖區(qū)內(nèi)存，虛擬，物理地址*/
　分配幀緩沖內(nèi)存，設(shè)置固定參數(shù)的物理地址以及fb_nfo結(jié)構(gòu)的虛擬地址，第二個參數(shù)為幀緩沖區(qū)的大小，第三個參數(shù)會返回申請的幀緩沖區(qū)的開始物理地址，設(shè)置為在固定參數(shù)中沒有設(shè)置的物理地址，函數(shù)返回值為幀緩沖區(qū)的虛擬地址，最后的一個參數(shù)為分配內(nèi)存的標(biāo)志，設(shè)置為最常用的GFP_KERNEL。
?。?）開LCD時鐘、電源、背光，并注冊幀緩沖設(shè)備驅(qū)動。函數(shù)定義如下：
clk_enable_43lcd（）；
/*打開LCD的時鐘，因?yàn)镾3C6410可以關(guān)閉一些外設(shè)來省電*/
get_43lcd_ctr（fb43_info，hclkval）；
/*完成S3C6410的LCD控制器的初始化*/
fb43_info->fbops=&fb43_ops；
/*設(shè)置幀緩沖的操作函數(shù)*/
fb43_info->pseudo_palette=&fb43_pseudo_palette；
/*設(shè)置調(diào)色板*/
enable_43lcd（）；/*開LCD電源、背光*/
3.2.2 設(shè)置LCD與S3C6410的連接設(shè)置

　從連接圖可以看出，LCD的數(shù)據(jù)線主要是在通用輸入輸出I口和J口[4]。由6410的芯片手冊如圖3所示，I口與J口基本一樣。只需要把它們的控制寄存器設(shè)置為LCD模式即可，這時S3C6410會根據(jù)LCD控制器的一些數(shù)據(jù)，在恰當(dāng)?shù)臅r間發(fā)出顏色數(shù)據(jù)。設(shè)置如下：
　*gpicon=0xaaaaaaaa；
　*gpjcon=0xaaaaaaaa；

3.2.3 開LCD電源及背光，注冊幀緩沖設(shè)備
*gpbcon&=~（0xf<<24）；
*gpbcon|=（0x1<<24）；
/*設(shè)置GPB的第6位為輸出模式*/
*gpbdat|=（1<<6）；/*開啟背光*/
*gpfcon&=~（3<<28）；
*gpfcon|=（1<<28）；
/*設(shè)置GPF的第14位為輸出模式*/
*gpfdat|=（1<<14）；/*開啟LCD電源*/
regs43->vidcon0|=3；/*開LCD顯示*/
regs43->wincon0|=1；
/*開窗口0顯示，S3C6410可以同時顯示5個窗口，本文選擇的是窗口0*/
register_framebuffer（fb43_info）；/*注冊幀緩沖設(shè)備*/
3.2.4 填充fb_ops結(jié)構(gòu)體
　struct fb_info結(jié)構(gòu)中的fb_ops結(jié)構(gòu)體是操縱幀緩沖設(shè)備的一些函數(shù)的集合，系統(tǒng)調(diào)用最后通過它們與LCD控制器硬件打交道。對于其中的fb_fillrect（）、fb_copyarea（）以及fb_imageblit（）成員直接使用通用的cfb_fillrect（）、cfb_copyarea（）以及cfb_imageblit（）就可以了。只需要設(shè)置以下幾個成員，其他的都用系統(tǒng)默認(rèn)的函數(shù)，LCD驅(qū)動就能正確的工作了。
struct fb_ops fb43_ops={
  .owner=THIS_MODULE，/*表示為當(dāng)前模塊*/
  .fb_fillrect=cfb_fillrect，
  .fb_copyarea=cfb_copyarea，
  .fb_imageblit=cfb_imageblit，
  .fb_setcolreg=fb43_setcolreg，
}；
　fb_setcolreg成員是實(shí)現(xiàn)偽顏色表和顏色表的填充，雖然使用24 bit RGB顏色格式不需要偽顏色表，但不實(shí)現(xiàn)它會出現(xiàn)一些問題。使用偽顏色表（也稱調(diào)色板）時，發(fā)出的顏色值并不是真正要顯示的值，而是在一個顏色表中的索引。當(dāng)使用大于16 bit的顏色表時，顏色表占據(jù)的內(nèi)存過大，所以使用它不劃算。它的設(shè)置如下，分別取出RGB的索引值，取其低16 bit，接著根據(jù)當(dāng)前顏色在RGB格式中的偏移值，把其他顏色位置零，最后再把取出的3種顏色合成一個顏色值。設(shè)置如下：
　colorg&=0xffff；
　colorg>>=16-bf->length；/*bf->length是顏色占據(jù)的長度，假如是16位RGB：5：6：5格式，紅色就占據(jù)最高的5位，所以低11位的值不要*/
　colorg<<bf->offset；
　/*如上，紅色占最高5位，所以要右移11位*/
　……./*設(shè)置其他兩種顏色值*/
　return colorr|colorg|colorb；
4 LCD驅(qū)動的測試
　用arm-linux-gcc在交叉編譯平臺上編譯后，把生成的模塊文件lcd.ko用insmod加載到S3C6410開發(fā)板。把編譯好的測試文件也拷入到開發(fā)板的文件系統(tǒng)中，運(yùn)行測試文件[5]，如圖4所示用freetype字形引擎顯示的放大及旋轉(zhuǎn)的文字，字體大小為40像素，旋轉(zhuǎn)45°角。如圖5所示為libjpeg庫顯示的圖片，顯示的圖片為圖4縮小到1/8時的情形（圖形上邊沒有顯示是因?yàn)閘ibjpeg庫只能把圖片縮小為1/2、1/4、1/8）?？梢钥匆奓CD都能正常工作。

　本文詳述了一種TFT液晶顯示屏在嵌入式Linux平臺開發(fā)的方法，實(shí)現(xiàn)了其字體及圖形的穩(wěn)定顯示，證明了該方法能夠在一定條件下，LCD顯示性能的滿足。
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