原地址：
http://www.felixwoo.com/article.asp?id=75
摘 要：本文介紹瞭如何在嵌入在開發彩色LCD顯示驅動的方法，並對Linux中的顯示驅動程序結構和框架作一介紹。
關鍵字：ARM，幀緩衝（Framebuffer），MC928MX1。
長期以來，在常見的掌上電腦（PDA）等小型手持式設備上，由於硬件條件等的限制，我們看到的顯示器件通常是單色LCD，用戶界面也非常簡單，幾乎看不到PC機上美觀整齊的圖形界面（GUI）支持。由於早期嵌入式處理器的速度有限，在處理圖形和多媒體數據方面也顯得力不從心。
隨着高性能嵌入式處理器的普及和硬件成本的不斷降低，尤其是Arm系列處理器的推出，嵌入式系統的功能也越來越強。在多媒體應用的推動下，彩色LCD也越來越多地應用到了嵌入式系統中，如新一代掌上電腦（PDA）多采用TFT顯示器件，支持彩色圖形界面，圖片顯示和視頻媒體播放。掌上電腦（PDA）的操作系統有微軟Window CE, PalmOS等。而Linux做爲開放源代碼的操作系統也在市場中佔據了一席之地。由於Linux成本低廉，任何人都可以得到其源代碼並在其基礎上進行開發，成爲各家廠商極力發展的操作系統，加上其核心小，潛力可觀。
在應用需求的推動下，Linux下也出現了許多圖形界面軟件包，如MiniGUI、Trolletech公司的Embedded QT等，其圖形界面及開發工具與Windows CE不相上下。在圖形軟件包的開發和移植工作中都牽扯到底層LCD的驅動問題。筆者參與了一個基於ARM9的PDA系統的開發，用的是摩托羅拉公司龍珠系列的MC928MX1。軟件採用Linux 2.4.18平臺，編譯器爲gcc的ARM交叉編譯器。
一． 硬件平臺
MC928MX1（以下簡稱MX1）是摩托羅拉公司基於ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式應用。內部採用ARM920T內核，並集成了SDRAM/Flash，LCD，USB，藍牙（bluetooth），多媒體閃存卡（MMC），CMOS攝像頭等控制器。
LCD控制器的功能是產生顯示驅動信號，驅動LCD顯示器。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，完成配製和顯示控制。MX1中的LCD控制器可支持單色/彩色LCD顯示器。支持彩色TFT時，可提供4/8/12/16位顏色模式，其中16位顏色模式下可以顯示65536種顏色。配置LCD控制器重要的一步是指定顯示緩衝區，顯示的內容就是從緩衝區中讀出的，其大小由屏幕分辨率和顯示顏色數決定。在本例中，筆者採用的是夏普LQ035Q2DD54 TFT 顯示模塊，在240x320分辨率下可提供16位彩色顯示。
二． Linux下的設備驅動
Linux將設備分爲最基本的兩大類，字符設備和塊設備。字符設備是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，如鼠標等，驅動程序實現比較簡單；而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。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，同步等問題，實現起來比字符設備複雜的多。
Linux的設備管理是和文件系統解密結合的，各種設備名稱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，讀寫這些設備文件，完成對設備的操作，就象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，如硬盤主設備號是3。在Linux的/dev/目錄下使用ls -l命令可察看個設備文件的設備號。例如，/dev/hda爲塊設備，主設備號3，次設備號0，是系統的第一塊硬盤。/dev/hd1主設備號3，次設備號1，爲系統的第二塊硬盤。我們將要介紹的顯示設備也是一個設備文件/dev/fb，主設備號29。在編寫設備驅動程序的時候，也要指明所操作設備的主設備號和次設備號。
Linux的特點之一，是爲所有的文件，包括設備文件，提供了統一的操作函數接口，定義如下：
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
};
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，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，應用程序根本不用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。
但是，由於外設的種類繁多，操作方式也各不相同。如聲音設備驅動要使用DMA通道，顯示設備驅動要提供對顯存的操作，硬盤驅動要處理複雜的緩衝區結構，網絡設備驅動和socket聯繫緊密。如果file_operations中的函數都讓驅動程序的開發人員來寫，則就要處理大量的細節，幾乎是不可能的。爲了解決設備多樣性的問題，Linux採用了特殊情況特殊處理的辦法，爲不同設備定義好了文件層次file_operations結構中的接口函數，其中處理了大多數設備相關的操作，如各種緩衝區的申請和釋放等等，而具體操作底層硬件的一小部分則留給開發人員。所以Linux另外提供一個文件層到底層驅動程序的接口，通常爲一個結構體，其中包含成員變量和函數指針。不同的設備驅動有不同的結構體。這樣，一方面保證了文件層I/O接口file_operations的一致性，另一方面驅動程序的開發人員也不用瞭解太多細節，只專著於硬件相關的I/O操作就可以了。例如，一個有代表性的特殊設備是聲音設備，其文件層的file_operations定義如下：
struct file_operations oss_sound_fops = {
owner: THIS_MODULE,
llseek: sound_lseek,
read: sound_read,
write: sound_write,
poll: sound_poll,
ioctl: sound_ioctl,
mmap: sound_mmap,
open: sound_open,
release: sound_release,
};
其中的sound_read，sound_write等函數Linux都已提供，處理了與聲音設備相關的許多細節，如DMA的申請，釋放和操作等。而文件層到驅動程序的接口爲audio_driver結構，其中包含底層操作函數。文件層的sound_read，sound_write會在需要時調用audio_driver中的函數。開發人員只要編寫audio_driver中的函數就可以了，最大程度地減小了工作量。下面我們將看到，Linux爲顯示設備提供的幀緩衝驅動也是這種“文件層-驅動層”的接口方式。
三． Linux的幀緩衝設備
幀緩衝（framebuffer）是Linux爲顯示設備提供的一個接口，把顯存抽象後的一種設備，他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操作。這種操作是抽象的，統一的。用戶不必關心物理顯存的位置、換頁機制等等具體細節。這些都是由Framebuffer設備驅動來完成的。幀緩衝驅動的應用廣泛，在linux的桌面系統中，Xwindow服務器就是利用幀緩衝進行窗口的繪製。尤其是通過幀緩衝可顯示漢字點陣，成爲Linux漢化的唯一可行方案。
幀緩衝設備對應的設備文件爲/dev/fb*，如果系統有多個顯示卡，Linux下還可支持多個幀緩衝設備，最多可達32個，分別爲/dev/fb0到/dev/fb31，而/dev/fb則爲當前缺省的幀緩衝設備，通常指向/dev/fb0。當然在嵌入式系統中支持一個顯示設備就夠了。幀緩衝設備爲標準字符設備，主設備號爲29，次設備號則從0到31。分別對應/dev/fb0-/dev/fb31。通過/dev/fb，應用程序的操作主要有這幾種：
1． 讀/寫（read/write）/dev/fb：相當於讀/寫屏幕緩衝區。例如用 cp /dev/fb0 tmp命令可將當前屏幕的內容拷貝到一個文件中，而命令cp tmp > /dev/fb0 則將圖形文件tmp顯示在屏幕上。
2． 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。實際上，使用幀緩衝設備的應用程序都是通過映射操作來顯示圖形的。由於映射操作都是由內核來完成，下面我們將看到，幀緩衝驅動留給開發人員的工作並不多。
3． 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，屏幕大小等等。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：
1． 打開/dev/fb設備文件。
2． 用ioctrl操作取得當前顯示屏幕的參數，如屏幕分辨率，每個像素點的比特數。根據屏幕參數可計算屏幕緩衝區的大小。
3． 將屏幕緩衝區映射到用戶空間。
4． 映射後就可以直接讀寫屏幕緩衝區，進行繪圖和圖片顯示了。
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;
/*打開設備文件*/
fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
/*取得屏幕相關參數*/
ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
/*計算屏幕緩衝區大小*/
screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8;
/*映射屏幕緩衝區到用戶地址空間*/
fbp=(char*)mmap(0,screensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, fbfd, 0);
/*下面可通過fbp指針讀寫緩衝區*/
……
}
四． 幀緩衝驅動的編寫
幀緩衝設備屬於字符設備，與聲音設備一樣，也採用“文件層-驅動層”的接口方式。在文件層次上，Linux爲其定義了
static struct file_operations fb_fops = {
owner: THIS_MODULE,
read: fb_read, /* 讀操作 */
write: fb_write, /* 寫操作 */
ioctl: fb_ioctl, /* 控制操作 */
mmap: fb_mmap, /* 映射操作 */
open: fb_open, /* 打開操作 */
release: fb_release, /* 關閉操作 */
};
其中的成員函數都在文件linux/driver/video/fbmem.c中定義。
由於顯示設備的特殊性，在驅動層的接口中不但要包含底層函數，還要有一些紀錄設備狀態的數據。Linux爲幀緩衝設備定義的驅動層接口爲struct fb_info結構，在include/linux/fb.h中定義。這個結構比較長，限於篇幅，文章中就不全部列出了。幸運的是，嵌入式系統要求的顯示操作比較簡單，只涉及到結構中少數幾個成員，下面只對編寫驅動中要用到的幾個關鍵成員作一說明。
fb_info中紀錄了幀緩衝設備的全部信息，包括設備的設置參數，狀態以及操作函數指針。每一個幀緩衝設備都必須對應一個fb_info結構。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，這些函數是需要驅動程序開發人員編寫的。成員fb_var_screeninfo和 fb_fix_screeninfo也是結構體。其中fb_var_screeninfo記錄用戶可修改的顯示控制器參數，包括屏幕分辨率和每個像素點的比特數。fb_var_screeninfo中的xres定義屏幕一行有多少個點, yres定義屏幕一列有多少個點,
bits_per_pixel定義每個點用多少個字節表示。而fb_fix_screeninfo中記錄用戶不能修改的顯示控制器的參數，如屏幕緩衝區的物理地址，長度。當對幀緩衝設備進行映射操作的時候，就是從fb_fix_screeninfo中取得緩衝區物理地址的。上面所說的數據成員都是需要在驅動程序中設置的。
在瞭解了上面所述的概念後，編寫幀緩衝驅動的實際工作並不複雜，需要做的工作是：
1． 編寫初始化函數：初始化函數首先初始化LCD控制器，設置顯示模式和顯示顏色數，然後分配LCD顯示緩衝區。在Linux可通過kmalloc函數分配一片連續的空間。筆者採用的LCD顯示方式爲240x320，16位彩色。需要分配的顯示緩衝區爲240x320x2 = 150k字節，緩衝區通常分配在片外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，讀者可參考前文中的應用程序例子。例如，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。
驅動程序編寫完成後，開發者可選擇將其編譯爲動態加載模塊，或靜態地編譯入內核中。由於篇幅所限，有關這方面的內容請讀者參考相關驅動程序文檔。
五． 結束語
由於篇幅所限，本文中僅對幀緩衝設備驅動的基本原理和框架做了簡單介紹。幸運的是，在Linux的發佈版本中，包含了大量的設備驅動程序源代碼，其中drvers/video下提供了多種顯示卡的幀緩衝設備驅動程序程序，用戶自己的驅動程序可參考成熟的代碼編寫或直接修改得到。
參考資料
《MC928MX1 User Manual》
《Linux frame buffer driver howto》
作者簡介
許慶豐 Libo小組發起人。現任職於摩托羅拉半導體部，主要研究方向是嵌入式操作系統和應用。