嵌入式Linux——LCD驱动

声明：本文以韦东山老师的视频为模本进行编写，开发板为s3c2440，LCD为A043-24-TT-11，此LCD为480*272 的4.3寸屏幕。与老师所讲的略有不同。同时本文为复习视频所学的内容，如有巧合，敬请谅解；
要写LCD驱动就要先从内核中找到支持LCD的软件相关的部分，也就是fbmem.c文件。fbmem.c作为LCD的软件部分为其提供了代码不变的部分，即在入口函数中分配好了主设备号：29，file_operations结构体和register_chrdev函数，详细代码为：register_chrdev(FB_MAJOR,"fb",&fb_fops)
。而fbmem.c会根据不同的设备通过register_fb数组找到不同的设置代码进行调用。
我们所要编写的将是硬件相关的部分，就是将设备的fb_info结构体设置好然后放到register_fb中，让fbmem.c调用，这部分与硬件相关，相对变化较大。而在编写代码之前需要先了解fbmem.c做了什么工作，而我们自己编写的驱动又该做什么样的工作。首先我们分析入口函数，通过上面的代码我们知道了fbmem.c已经为我们将软件的框架搭好，而假设当我们使用应用程序打开这个设备时，我们将调用file_operations中的open函数.open = fb_open：

int fbidx = iminor(inode); //获得次设备号
struct fb_info *info;      //分配一个fb_info结构体
info = registered_fb[fbidx]; //根据次设备号从registered_fb中找到相应的fb_info结构体
if (info->fbops->fb_open)      //如果已经在info中定义了fb_open
    res = info->fbops->fb_open(info,1); //调用info中的fb_open

通过上面的分析我们可以看出，我们是通过register_fb来获得fb_info结构体的，而register_fb数组又是由什么决定那？我们通过从fbmem.c 中查找发现，在register_framebuffer函数中为register_fb赋值：

for (i = 0 ; i < FB_MAX; i++)   //找到一个没有占用的次设备
    if (!registered_fb[i])
        break;
fb_info->dev = device_create(fb_class, fb_info->device,
    MKDEV(FB_MAJOR, i), "fb%d", i); //使用vdev机制自动生成设备
registered_fb[i] = fb_info; //将这个fb_info结构体根据获得次设备号放入register_fb中

有上面的分析知道我们要写一个与我们的LCD硬件相关的fb_info结构体，并通过register_framebuffer函数将这个fb_info结构体通过次设备号放入register_fb中，而fbmem.c 就可以通过次设备号调用register_fb中的fb_info，进而驱动这个硬件。所以我们所要写的LCD驱动可以分为以下四步：
1. 分配一个fb_info结构体
2. 设置这个结构体
3. 做硬件相关的操作
4. 通过register_framebuffer函数注册fb_info

有了上面的步骤，我们按着上面的步骤写程序：而一些细节的部分我会在程序中说明：
下面我们写第一步：
既然要分配一个fb_info结构体，我们就应该先定义这个结构体：

static struct fb_info *s3c_lcd;

然后是为其分配：

s3c_lcd =framebuffer_alloc(0,NULL); 

需要说明：

/**
 * framebuffer_alloc 函数就是创造一个新的frame buffer info结构体
 * @size: 是设备私有数据,可以是0
 * @dev: 指向fb的设备,这里可以为 NULL
 * Returns: 返回一个新的fb_info结构体或者NULL（如果出错）.
 */
struct fb_info *framebuffer_alloc(size_t size, struct device *dev)

下面就该进入第二步，设置fb_info结构体：

struct fb_info {
    int node;
    int flags;
    struct fb_var_screeninfo var;   /* Current var */
    struct fb_fix_screeninfo fix;   /* Current fix */
    struct fb_monspecs monspecs;    /* Current Monitor specs */
    struct work_struct queue;   /* Framebuffer event queue */
    struct fb_pixmap pixmap;    /* Image hardware mapper */
    struct fb_pixmap sprite;    /* Cursor hardware mapper */
    struct fb_cmap cmap;        /* Current cmap */
    struct list_head modelist;      /* mode list */
    struct fb_videomode *mode;  /* current mode */
    struct fb_ops *fbops;
    struct device *device;      /* This is the parent */
    struct device *dev;     /* This is this fb device */
    int class_flag;        /* private sysfs flags */
    char __iomem *screen_base;  /* Virtual address */
    unsigned long screen_size;  /* Amount of ioremapped VRAM or 0 */ 

    void *pseudo_palette;       /* Fake palette of 16 colors */ 
#define FBINFO_STATE_RUNNING    0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED  1
    u32 state;          /* Hardware state i.e suspend */
    void *fbcon_par;                /* fbcon use-only private area */
    /* From here on everything is device dependent */
    void *par;  
};

fb_info中有很多设置的选项，我们只设置与我们LCD相关的选项， 而其中重要的设置又分为四部分：
* 设置fb_info的固定参数：struct fb_fix_screeninfo fix;
* 设置fb_info的可变参数：struct fb_var_screeninfo var;
* 设置fb_info操作函数：struct fb_ops *fbops;
* fb_info的其他设置：char __iomem *screen_base;
unsigned long screen_size;
void *pseudo_palette;

下面我们先设置fb_info的固定参数（固定参数多为硬件相关而不会变化的，如屏幕的尺寸，显存物理地址，和屏幕类型等）：

strcpy(s3c_lcd->fix.id,"mylcd");
//s3c_lcd->fix.smem_start   //LCD显存的物理地址，在3.3中设置
s3c_lcd->fix.smem_len    = 480*272*16/8;     //显存的长度
s3c_lcd->fix.type        = FB_TYPE_PACKED_PIXELS;
s3c_lcd->fix.visual      = FB_VISUAL_TRUECOLOR; //TFT屏为真彩色
s3c_lcd->fix.line_length = 480*16/8; //一行的长度（单位：type）

再设置fb_info的可变参数（而可变的参数是可以根据不同情况而进行不同设置的，如：x，y方向虚拟分辨率，多少字节每像素，以及RGB所占有的比例等）：

    s3c_lcd->var.xres          = 480;        //x方向真实的分辨率
    s3c_lcd->var.yres          = 272;        //y方向真实的分辨率
    s3c_lcd->var.xres_virtual  = 480;        //x方向虚拟的分辨率
    s3c_lcd->var.yres_virtual  = 272;        //y方向虚拟的分辨率
    s3c_lcd->var.xoffset       = 0;          //x方向真实分辨率与虚拟分辨率的差值
    s3c_lcd->var.yoffset       = 0;          //y方向真实分辨率与虚拟分辨率的差值

    s3c_lcd->var.bits_per_pixel = 16;        //设置16个字节每像素

    /*RGB:565*/ 
    s3c_lcd->var.red.offset   = 11;
    s3c_lcd->var.red.length   = 5;
    s3c_lcd->var.green.offset = 5;
    s3c_lcd->var.green.length = 6;
    s3c_lcd->var.blue.offset  = 0;
    s3c_lcd->var.blue.length  = 5;

    s3c_lcd->var.activate     = FB_ACTIVATE_NOW;

之后设置操作函数：

s3c_lcd->fbops = &s3c_lcdfb_ops;
static struct fb_ops s3c_lcdfb_ops = {
    .owner      = THIS_MODULE,
    .fb_setcolreg   = s3c_lcdfb_setcolreg,   /* 调色板 */
    .fb_fillrect    = cfb_fillrect,
    .fb_copyarea    = cfb_copyarea,
    .fb_imageblit   = cfb_imageblit,
};

最后就是对fb_info的其他设置：

//s3c_lcd->screen_base             //显存的虚拟地址
s3c_lcd->screen_size = 480*272*2;     //屏幕的尺寸
s3c_lcd->pseudo_palette = pseudo_palette;  //调色板

上面对fb_info设置完后就该到第三步：硬件相关的设置 ，而硬件首先要配置的就是用于LCD的GPIO接口，GPIO的图为：


而相应的代码为：

gpbcon = ioremap(0x56000010, 8);
gpbdat = gpbcon + 1;
gpccon = ioremap(0x56000020, 4);  
gpdcon = ioremap(0x56000030, 4); 
gpgcon = ioremap(0x56000060, 4); 

/* 设置背光灯 */
*gpbcon &= ~(3);   //清零
*gpbcon |= (1);    //设置输出模式
*gpbdat &= ~(1);   //设置低电平

/* 设置RGB数据接口 */
*gpccon = 0xaaaaaaaa;
*gpdcon = 0xaaaaaaaa;

/* 设置PWREN */
*gpgcon &= ~(3<<4);   //清零
*gpgcon |= (3<<4);    //设置LCD模式

下面将是对LCD控制器的设置，以使其可以支持相应的LCD，在这之前我们先构造一个lcd_reg的结构体用于存放LCD控制器的各种寄存器：

/* s3c2440 lcd registers */
struct lcd_reg{
    unsigned long lcdcon1;
    unsigned long lcdcon2;
    unsigned long lcdcon3;
    unsigned long lcdcon4;
    unsigned long lcdcon5;
    unsigned long lcdsaddr1;
    unsigned long lcdsaddr2;
    unsigned long lcdsaddr3;
    unsigned long REDLUT;
    unsigned long GREENLUT;
    unsigned long BLUELUT;
    unsigned long reserved[9];
    unsigned long DITHMODE;
    unsigned long TPAL;
    unsigned long LCDINTPND;
    unsigned long LCDSRCPND;
    unsigned long LCDINTMSK;
    unsigned long TCONSEL;
};

由于我开发板上的LCD与视频中的LCD不是同一种类型的，所以这部分代码我做了相应的改动所以从lcdcon1到lcdcon4，我要另做说明：

/*
*LCDCON1
*bit[17:8] CLKVAL :TFT: VCLK = HCLK / [(CLKVAL+1) * 2] ( CLKVAL> 0 )
*                   LCD手册：VCLK =9MHZ ，而HCLK =100MHZ
*                   所以 CLKVAL=5
*bit[6:5] PNRMODE :0b11 = TFT LCD panel
*bit[4:1] BPPMODE :0b1100 = 16 bpp for TFT
*bit [0]  ENVID   :0 = Disable the video output and the LCD control signal.
*/
lcd_regs->lcdcon1 = (5<<8) | (3<<5) | (12<<1) | (0<<0);

而垂直方向的时间参数发生了变化：

所以代码为：

/*
*LCDCON2 ：垂直方向时间参数
*bit[31:24] VBPD    : VSYNC 后再过多长时间才能发出第一个数据
*                     =1
*bit[23:14] LINEVAL : 多少行
*                     =271
*bit [13:6] VFPD    : 最后一行数据后再过多久发VSYNC信号
*                     =1
*bit [5:0]  VSPW    : VSYNC脉冲宽度
*                     =9
*/
lcd_regs->lcdcon2 = (1<<24) | (271<<14) | (1<<6) | (9<<0);

水平方向的时间参数：
所以代码为：

/*
*水平方向时间参数
*LCDCON3：
*bit[25:19] HBPD    : HSYNC 后再过多长时间才能发出第一个数据
*                     =2
*bit[18:8] HOZVAL   : 多少列
*                     =479
*bit[7:0] HFPD      : 一行中发出最后一个像素数据后再过多久发HSYNC信号
*                     =2
*
*LCDCON4 ：
*bit[7:0] HSPW     : HSYNC脉冲宽度
*                     =40
*/
lcd_regs->lcdcon3 = (2<<19) | (479<<8) | (2<<0);
lcd_regs->lcdcon4 = (40<<0);

信号的极性并没有发生变化，所以代码为：

/*
*信号极性
*LCDCON5：
*
*bit[11] FRM565  : 16bpp输出形式
*                  1 = 5:6:5 Format
*bit[10] INVVCLK : 表示是上升沿读取数据还是下降沿读取数据
*                  0 = 下降沿读取数据
*bit[9] INVVLINE : 水平方向同步信号是否反转
*                  1 = 反转
*bit[8] INVVFRAME: 垂直方向同步信号是否反转
*                  1 = 反转
*bit[7] INVVD    : 数据脉冲是否反转
*                  0 = Normal（不反转）
*bit[6] INVVDEN  : 数据使能位是否反转
*                  0 = normal
*bit[5] INVPWREN : PWREN（LCD电源）位是否反转
*                  0 = normal
*bit[3] PWREN    : PWREN（LCD电源）位是否使能
*                  0 = Disable PWREN signal（不使能）
*bit[1] BSWP     :字节转换位
*                  0 = Swap Disable
*bit[0] HWSWP    : 半字转换控制位
*                  1 = Swap Enable（转换）
*/

lcd_regs->lcdcon5 = (1<<11) | (1<<9) | (1<<8) | (1<<0);

上面的工作做完我们的对LCD的设置就基本完成了，下面就是对显存的设置了，

/*分配显存:
//s3c_lcd->fix.smem_start
//s3c_lcd->fix.smem_len    = 480*272*16/8;
//s3c_lcd->screen_base
*/
s3c_lcd->screen_base = dma_alloc_writecombine(NULL,272*480*2,&(s3c_lcd->fix.smem_start),GFP_KERNEL);

/*
*把地址告诉LCD控制器:
*LCDSADDR1:
*bit[29:21] LCDBANK   :A[30:22] of the bank location for the video buffer in the system memory
*bit[20:0]  LCDBASEU  :A[21:1] of the start address of the LCD frame buffer
*
*LCDSADDR2:
*bit[20:0] LCDBASEL   :A[21:1] of the end address of the LCD frame buffer
*                       LCDBASEL = ((the frame end address) >>1) + 1
*                                   = LCDBASEU + (PAGEWIDTH+OFFSIZE) x (LINEVAL+1)
*
*LCDSADDR3:
*bit[10:0] PAGEWIDTH  : Virtual screen page width (the number of half words).
*
*/
lcd_regs->lcdsaddr1 = (s3c_lcd->fix.smem_start >> 1) & ~(3<<30);
lcd_regs->lcdsaddr2 = ((s3c_lcd->fix.smem_start + s3c_lcd->fix.smem_len) >>1) & 0x1fffff;
lcd_regs->lcdsaddr3 = 480*16/16;

而在这里我需要讲一下dma_alloc_writecombine函数：

void *
dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp)

此函数为分配显存的函数，而且这一显存的物理地址为连续的地址， 其中第一个参数dev为设备，第二个参数size表示要分配的地址的大小，第三个参数handle为物理地址，而第四个参数为标记。而此函数的返回值为分配内存的虚拟地址。

上面的工作做完后，我们就基本完成入口函数的程序，只差最后一步将fb_info结构体注册了：

register_framebuffer(s3c_lcd);

然后我们完善程序，如调色板：

static u32 pseudo_palette[16];
s3c_lcd->pseudo_palette = pseudo_palette;
//在操作函数中
.fb_setcolreg   = s3c_lcdfb_setcolreg,

static int s3c_lcdfb_setcolreg(unsigned int regno, unsigned int red,
                 unsigned int green, unsigned int blue,
                 unsigned int transp, struct fb_info *info)
{
    unsigned int val;
    if (regno > 16) {
        return 1;
    }
    u32 *pseudo_palette = info->pseudo_palette;

    val  = chan_to_field(red, &info->var.red);
    val |= chan_to_field(green, &info->var.green);
    val |= chan_to_field(blue, &info->var.blue);

    pseudo_palette[regno] = val;

    return 0;
}
/* from pxafb.c */
static inline unsigned int chan_to_field(unsigned int chan, struct fb_bitfield *bf)
{
    chan &= 0xffff;
    chan >>= 16 - bf->length;
    return chan << bf->offset;
}

出口函数：

unregister_framebuffer(s3c_lcd);

lcd_regs->lcdcon1 &= ~1;         //关LCD控制器
lcd_regs->lcdcon5 &= ~(1<<3);    //关LCD本身，给LCD断电
*gpbdat           &= ~1;         //关背光灯

dma_free_writecombine(NULL,s3c_lcd->fix.smem_len,s3c_lcd->screen_base,s3c_lcd->fix.smem_start);

iounmap(gpbcon);
iounmap(gpccon);  
iounmap(gpdcon); 
iounmap(gpgcon); 
iounmap(lcd_regs);

framebuffer_release(s3c_lcd);

写完出口函数，我们的LCD驱动程序就写完了。
下面就是测试了：测试的步骤为：

1. 进入内核目录：make menuconfig ,去掉原来的LCD驱动程序
2. make uImage ：生成没有LCD驱动的内核
3. cp arch/arm/boot/uImage /work/nfs_root/uImage_nolcds
4. make modules :得到cfd_fillrect，cfb_copyarea，cfb_imageblit函数对应的模块
5. 使用新的uImage_nolcds 启动：nfs 30000000 192.168.1.111:/work/nfs_root/uImage_nolcds bootm 30000000
6. 编译自己写的LCD驱动程序，并将其考到根文件系统
7. 在开发板上使用安装驱动：insmod cfbcopyarea.ko insmod cfdfillrect.ko insmod cfbimageblit.ko insmod lcd.ko
8. echo hollo >/dev/tty1 ,可以在LCD上可以看到hello
9. cat lcd.ko >/dev/fb0 ,花屏
10. 修改/etc/inittab,加一行tty1::askfirst:-/bin/sh
11. 使用新的uImage_nolcds 重新启动：nfs 30000000 192.168.1.111:/work/nfs_root/uImage_nolcds bootm 30000000
12. insmod input.ko

13. 可以按键s2，s3，s4，屏幕会显示ls，和ls命令后的内容

    我的文章中可能有些概念或道理讲的不详细，下面是我看到的几篇我认为比较好的文章我在这里转载：

    linux LCD驱动（二）–FrameBuffer：这一篇对framebuffer做了比较详尽的描写，可以让你有跟深入的认识。
    嵌入式Linux之我行——S3C2440上LCD驱动(FrameBuffer)实例开发讲解：这一篇确实像其所说的是个实例，可以让你对LCD驱动的整个过程有一个全面的了解。
    嵌入式Linux驱动笔记(三)——LCD驱动程序：这篇文章中使用的是480*272 的TFT屏，并附加了全部的驱动程序。
    linux驱动LCD 驱动程序代码编写：这篇文章中对LCD驱动的测试有很详尽的描写
    10-S3C2440驱动学习（四）嵌入式linux-LCD驱动程序：这篇文章发现的比较晚，发现这篇文章是最接近视频的，他的很多地方都使用视频的截图加以说明，使得更容易回顾老师所讲的内容。