LCD（液晶顯示）模塊滿足了嵌入式系統日益提高的要求，它可以顯示漢字、字符和圖形，同時還具有低壓、低功耗、體積小、重量輕和超薄等很多優點。隨着嵌入式系統的應用越來越廣泛，功能也越來越強大，對系統中的人機界面的要求也越來越高，在應用需求的驅使下，許多工作在linux下的圖形界面軟件包的開發和移植工作中都涉及到底層LCD驅動的開發問題。因此在嵌入式系統中開發LCD驅動得以廣泛運用。
本文以三星公司ARM9內核芯片S3C2410的LCD接口爲基礎，介紹了在Linux平臺上開發嵌入式LCD驅動程序的一般方法。
本文硬件採用三星公司的S3C2410芯片的開發板，軟件採用Linux 2.4.19平臺，編譯器爲arm-linux-gcc的交叉編譯器，使用640×480分辨率的TFT彩色LCD，通過對其Linux驅動程序進行改寫和調試，成功地實現了對該種屏的驅動和顯示。
嵌入式驅動的概念
設備驅動程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口，設備驅動程序爲應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。設備驅動程序是內核的一部分，它主要完成的功能有：對設備進行初始化和釋放；把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據；讀取應用程序傳送給設備文件的數據、回送應用程序請求的數據以及檢測和處理設備出現的錯誤。
Linux將設備分爲最基本的兩大類：一類是字符設備，另一類是塊設備。字符設備和塊設備的主要區別是：在對字符設備發出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接着發生了。字符設備以單個字節爲單位進行順序讀寫操作，通常不使用緩衝技術；塊設備則是以固定大小的數據塊進行存儲和讀寫的，如硬盤、軟盤等，並利用一塊系統內存作爲緩衝區。爲提高效率，系統對於塊設備的讀寫提供了緩存機制，由於涉及緩衝區管理、調度和同步等問題，實現起來比字符設備複雜得多。LCD是以字符設備方式加以訪問和管理的，Linux把顯示驅動看做字符設備，把要顯示的數據一字節一字節地送往LCD驅動器。
Linux的設備管理是和文件系統緊密結合的，各種設備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱爲設備文件。應用程序可以打開、關閉和讀寫這些設備文件，完成對設備的操作，就像操作普通的數據文件一樣。爲了管理這些設備，系統爲設備編了號，每個設備號又分爲主設備號和次設備號。主設備號用來區分不同種類的設備，而次設備號用來區分同一類型的多個設備。對於常用設備，Linux有約定俗成的編號，如硬盤的主設備號是3。Linux爲所有的設備文件都提供了統一的操作函數接口，方法是使用數據結構struct file_operATIons。這個數據結構中包括許多操作函數的指針，如open()、close()、read()和write()等，但由於外設的種類較多，操作方式各不相同。Struct file_operations結構體中的成員爲一系列的接口函數，如用於讀/寫的read/write函數和用於控制的ioctl等。打開一個文件就是調用這個文件file_operations中的open操作。不同類型的文件有不同的file_operations成員函數，如普通的磁盤數據文件，接口函數完成磁盤數據塊讀寫操作；而對於各種設備文件，則最終調用各自驅動程序中的I/O函數進行具體設備的操作。這樣，應用程序根本不必考慮操作的是設備還是普通文件，可一律當作文件處理，具有非常清晰統一的I/O接口。所以file_operations是文件層次的I/O接口。
LCD控制器
LCD控制器的功能是顯示驅動信號，進而驅動LCD。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，完成配置和顯示驅動。在驅動LCD設計的過程中首要的是配置LCD控制器，而在配置LCD控制器中最重要的一步則是幀緩衝區（FrameBuffer）的指定。用戶所要顯示的內容皆是從緩衝區中讀出，從而顯示到屏幕上的。幀緩衝區的大小由屏幕的分辨率和顯示色彩數決定。驅動幀緩衝的實現是整個驅動開發過程的重點。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT兩種液晶。對於STN 液晶平板，該LCD控制器可支持4位雙掃描、4位單掃描和8位單掃描三種顯示類型，支持4級和16級灰度級單色顯示模式，支持256色和4096色顯示，可接多種分辨率的LCD，例如640×480、320×240和160×160等，在256色顯示模式時，最大可支持4096×1024、2048×2048和1024×4096顯示。TFT液晶平板可支持1-2-4-8bpp（bits per pixel）調色板顯示模式和16bpp非調色板真彩顯示。
幀緩衝區是出現在Linux 2.2.xx及以後版本內核當中的一種驅動程序接口，這種接口將顯示設備抽象爲幀緩衝區設備區。幀緩衝區爲圖像硬件設備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設備,允許應用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設備。這樣軟件無須瞭解任何涉及硬件底層驅動的東西（如硬件寄存器）。它允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩衝區進行讀寫和I/O控制等操作。通過專門的設備節點可對該設備進行訪問，如/dev/fb*。用戶可以將它看成是顯示內存的一個映像，將其映射到進程地址空間之後，就可以進行讀寫操作，而讀寫操作可以反映到LCD。
幀緩衝設備對應的設備文件是/dev/fb*。如果系統有多個顯卡，Linux還支持多個幀緩衝設備，最多可達32個，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb則指向當前的幀緩衝設備，通常情況下，默認的幀緩衝設備爲/dev/fb0。
幀緩衝設備也屬於字符設備，採用“文件層-驅動層”的接口方式。在文件層爲之定義了以下數據結構。
Static struct file_operations fb_fops={
ower: THIS_MODULE,
read: fb_read, /*讀操作*/
write: fb_write, /*寫操作*/
ioct1: fb_ioct1, /*I/O操作*/
mmap: fb_mmap, /*映射操作*/
open: fb_open, /*打開操作*/
release: fb_release, /*關閉操作*/
}
其成員函數都在linux/driver/vIDEo/fbmem.c中定義，其中的函數對具體的硬件進行操作，對寄存器進行設置，對顯示緩衝進行映射。主要結構體還有以下幾個。
● Struct fb_fix_screeninfo：記錄了幀緩衝設備和指定顯示模式的不可修改信息。它包含了屏幕緩衝區的物理地址和長度。
● Struct fb_var_screeninfo：記錄了幀緩衝設備和指定顯示模式的可修改信息。它包括顯示屏幕的分辨率、每個像素的比特數和一些時序變量。其中變量xres定義了屏幕一行所佔的像素數，yres定義了屏幕一列所佔的像素數，bits_per_pixel定義了每個像素用多少個位來表示。
● Struct fb_info：Linux爲幀緩衝設備定義的驅動層接口。它不僅包含了底層函數，而且還有記錄設備狀態的數據。每個幀緩衝設備都與一個fb_info結構相對應。其中成員變量modename爲設備名稱，fontname爲顯示字體，fbops爲指向底層操作的函數的指針。
LCD驅動開發的主要工作
1 編寫初始化函數
初始化函數首先初始化LCD控制器，通過寫寄存器設置顯示模式和顏色數，然後分配LCD顯示緩衝區。在Linux中可以用kmalloc()函數分配一段連續的空間。緩衝區大小爲：點陣行數×點陣列數×用於表示一個像素的比特數/8。緩衝區通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制寄存器中。本文采用的LCD顯示方式爲640×480，16位彩色，則需要分配的顯示緩衝區爲640×480×2=600kb。最後是初始化一個fb_info結構，填充其中的成員變量，並調用register_framebuffer(&fb_info)，將fb_info登記入內核。
2 編寫成員函數
編寫結構fb_info中函數指針fb_ops對應的成員函數，對於嵌入式系統的簡單實現，只需要下列三個函數就可以了。
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中定義。這些函數都是用來設置/獲取fb_info結構中的成員變量的。當應用程序對設備文件進行ioctl操作時候會調用它們。對於fb_get_fix()，應用程序傳入的是fb_fix_screeninfo結構，在函數中對其成員變量賦值，主要是smem_start（緩衝區起始地址）和smem_len（緩衝區長度），最終返回給應用程序。而fb_set_var()函數的傳入參數是fb_var_screeninfo，函數中需要對xres、yres和bits_per_pixel賦值。
對於/dev/fb，對顯示設備的操作主要有以下幾種。
● 讀/寫（read/write）/dev/fb：相當於讀/寫屏幕緩衝區。
● 映射（map）操作：由於Linux工作在保護模式，每個應用程序都有自己的虛擬地址空間，在應用程序中是不能直接訪問物理緩衝區地址的。爲此，Linux在文件操作 file_operations結構中提供了mmap函數，可將文件的內容映射到用戶空間。對於幀緩衝設備，則可通過映射操作，可將屏幕緩衝區的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之後用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩衝區，在屏幕上繪圖了。
● I/O控制：對於幀緩衝設備，對設備文件的ioctl操作可讀取/設置顯示設備及屏幕的參數，如分辨率、顯示顏色數和屏幕大小等。ioctl的操作是由底層的驅動程序來完成的。在應用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下：打開/dev/fb設備文件；用ioctrl操作取得當前顯示屏幕的參數，如屏幕分辨率和每個像素的比特數，根據屏幕參數可計算屏幕緩衝區的大小；將屏幕緩衝區映射到用戶空間；映射後即可直接讀寫屏幕緩衝區，進行繪圖和圖片顯示了。
LCD模塊化驅動
在對S3C2410的LCD編寫模塊化驅動程序時，首先要從內核中去除LCD驅動。這裏需要做一些改動，系統調用被加在以下文件中，需去除：/root/usr/src/arm/linux/kernel/sys.c；/root/usr/src/arm/linux/include/arm-arm下的unistd.h和lcd.h；/root/usr/src/arm/linux/arch/arm/kernel下的calls.s。
編寫模塊化驅動程序，有以下幾個關鍵的函數。
● lcd_kernel_init(void)//當模塊被載入時執行
● lcd_kernel_exit(void)//當模塊被移出內核空間時被執行
● lcd_kernel1_ioctl(struct*inode, struct*file, unsigned int cmd, unsigned longarg) //其他功能
每當裝配設備驅動程序時，系統自動調用初始化模塊lcd_kernel_init(void)。
另一個必須提供的函數是lcd_kernel_exit(void)，它在模塊被卸載時調用，負責進行設備驅動程序的工作。
執行insmod lcd.o命令即可將LCD驅動添加到內核中，執行rmmod lcd命令即可從內核中刪除LCD驅動。
靜態加載LCD驅動
將寫好的lcd驅動程序lcd.c放到arm/linux/drivers/char目錄下，修改arm/linux/drivers/char/config.in文件，加上一行：Bool'LCD driver support'CONFIG_LCD；修改arm/linux/drivers/char/Makefile文件，加上一行：obj-$(CONFIG_LCD)+=lcd.o。
這樣，當再進行make xconfig時，就會選擇是否將LCD驅動編譯進內核。同樣的辦法也可用在其他設備上。