1.S3C2440上LCD驱动 (FrameBuffer)实例开发讲解

其中的代码也可直接参考：drivers/video/s3c2410fb.c

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S3C2440上LCD驱动 (FrameBuffer)实例开发讲解

一、开发环境

主 机：VMWare--Fedora 9开发板：Mini2440--64MB Nand, Kernel:2.6.30.4编译器：arm-linux-gcc-4.3.2

二、背景知识

1. LCD工作的硬件需求：要使一块LCD正常的显示文字或图像，不仅需要LCD驱动器，而且还需要相应的LCD控制器。在通常情况下，生产厂商把LCD驱动器会以COF/COG的 形式与LCD玻璃基板制作在一起，而LCD控制器则是由外部的电路来实现，现在很多的MCU内部都集成了LCD控制器，如S3C2410/2440等。通 过LCD控制器就可以产生LCD驱动器所需要的控制信号来控制STN/TFT屏了。2. S3C2440内部LCD控制器结构图：我们根据数据手册来描述一下这个集成在S3C2440内部的LCD控制器： a：LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS寄存器组成； b：REGBANK由17个可编程的寄存器组和一块256*16的调色板内存组成，它们用来配置LCD控制器的； c：LCDCDMA是一个专用的DMA，它能自动地把在侦内存中的视频数据传送到LCD驱动器，通过使用这个DMA通道，视频数据在不需要CPU的干预的情况下显示在LCD屏上； d：VIDPRCS接收来自LCDCDMA的数据，将数据转换为合适的数据格式，比如说4/8位单扫，4位双扫显示模式，然后通过数据端口VD[23:0]传送视频数据到LCD驱动器； e：TIMEGEN由可编程的逻辑组成，他生成LCD驱动器需要的控制信号，比如VSYNC、HSYNC、VCLK和LEND等等，而这些控制 信号又与REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5的配置密切相关，通过不同的配置，TIMEGEN就能产生这些信号的不同形态，从而支 持不同的LCD驱动器(即不同的STN/TFT屏)。3. 常见TFT屏工作时序分析：LCD提供的外部接口信号： 所有显示器显示图像的原理都是从上到下，从左到右的。这是什么意思呢？这么说吧，一副图像可以看做是一个矩形，由很多排列整齐的点一行一行组 成，这些点称之为像素。那么这幅图在LCD上的显示原理就是： 上面时序图上各时钟延时参数的含义如下：(这些参数的值，LCD产生厂商会提供相应的数据手册) 对于以上这些参数的值将分别保存到REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5寄存器中：(对寄存器的操作请查看S3c2440数据手册LCD部分)4. 帧缓冲(FrameBuffer)：帧缓冲是Linux为显示设备提供的一个接口，它把一些显示设备描述成一个缓冲区，允许应用程序通过FrameBuffer定义好的接口访问这些图形设备，从而不用去关心具体的硬件细节。对于帧缓冲设备而言，只要在显示缓冲区与显示点对应的区域写入颜色 值，对应的颜色就会自动的在屏幕上显示。下面来看一下在不同色位模式下缓冲区与显示点的对应关系：

三、 帧缓冲(FrameBuffer)设备驱动结构：帧缓冲设备为标准的 字符型设备，在Linux中主设备号29，定义在/include/linux/major.h中的FB_MAJOR，次设备号定义帧缓冲的个数，最大允许有32个FrameBuffer，定义在/include/linux/fb.h中的FB_MAX，对应于文件系统下/dev/fb%d设备文件。

1. 帧缓冲设备驱动在Linux子系统中的结构如下：

我们从上面这幅图 看，帧缓冲设备在Linux中也可以看做是一个完整的子系统，大体由fbmem.c和xxxfb.c组成。向上给应用程序提供完善的设备文件操作接口(即对FrameBuffer设备进行read、write、ioctl等操作)，接口在Linux提供的fbmem.c文件中实现；向下提供了硬件操作的接口，只是这些接口Linux并没有提供实现，因为这要根据具体的LCD控制器硬件进行 设置，所以这就是我们要做的事情了(即xxxfb.c部分的实现)。

2. 帧缓冲相关的重要数据结构：

从帧缓冲设备驱动程序结构 看，该驱动主要跟fb_info结构体有关，该结构体记录了帧缓冲设备的全部信息，包括设备的设置参数、状态以及对底层硬件操作的函数指针。在Linux中，每一个帧缓冲设备都必须对应一个fb_info，fb_info在/linux/fb.h中的定义如下：(只列出重要的一些)

其中，比较重要的成员有struct fb_var_screeninfo var、structfb_fix_screeninfo fix和structfb_ops*fbops， 他们也都是结构体。下面我们一个一个的来看。

fb_var_screeninfo结构体主要记录用户可以修改的控制器的参 数，比如屏幕的分辨率和每个像素的比特数等，该结构体定义如下：

而fb_fix_screeninfo结构体又主要记录用户不可以修改的控制 器的参数，比如屏幕缓冲区的物理地址和长度等，该结构体的定义如下：

fb_ops结构体是对底层硬件操作的函数指针，该结构体中定义了对硬件的操作有:(这里只列出了常用的操作)

3. 帧缓冲设备作为平台设备：

在S3C2440中，LCD控 制器被集成在芯片的内部作为一个相对独立的单元，所以Linux把它看做是一个平台设备，故在内核代码/arch/arm/plat-s3c24xx /devs.c中定义有LCD相关的平台设备及资源，代码如下：

除此之外，Linux还在/arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/fb.h中为LCD平台设备定义了一个s3c2410fb_mach_info结构体，该结构体主要是记录LCD的硬件参数信息(比如该结构体的s3c2410fb_display成员结构中 就用于记录LCD的屏幕尺寸、屏幕信息、可变的屏幕参数、LCD配置寄存器等)，这样在写驱动的时候就直接使用这个结构体。下面，我们来看一下内核是如果 使用这个结构体的。在/arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中定义有：

注意：可能有很多朋友不知道上面红色部分的参数是做什么的，其值又是怎么设置的？其实它是跟你的开发板LCD控制器密切相关的，看了下面两幅图相信 就大概知道他们是干什么用的：

上面第一幅图是开发板原理图的LCD控制器部分，第二幅图是S3c2440数据手册中IO端口C和IO端口D控制器部分。原理图中使用了GPC8-15和GPD0-15来用做LCD控制器VD0-VD23的数据端口，又分别使用GPC0、GPC1端口用做LCD控制器的LEND和VCLK信号，对于GPC2-7则是用做STN屏或者三星专业TFT屏的相关信号。然而，S3C2440的各个IO口并不是单一的功能，都是复用端口，要使用他们 首先要对他们进行配置。所以上面红色部分的参数就是把GPC和GPD的部分端口配置成LCD控制功能模式。

从以上讲述的内容来看，要使LCD控制器支持其他的LCD屏，重要的是根据LCD的数据手册修改以上这些参数的值。下面，我们再看一下在驱动中是如果引用 到s3c2410fb_mach_info结构体的(注意上面讲的是在内核中如何使用的)。在mach-smdk2440.c中有：

s3c24xx_fb_set_platdata定义在plat-s3c24xx/devs.c中：

这里再讲一个小知识：不知大家有没有留意，在平台设备驱动中，platform_data可以保存各自平台设备实例的数据，但这些数据的类型都是不同的， 为什么都可以保存？这就要看看platform_data的定义，定义在/linux/device.h中，void *platform_data是一个void类型的指针，在Linux中void可保存任何数据类型。

四、帧缓冲(FrameBuffer)设备驱动实例代码：

①、 建立驱动文件：my2440_lcd.c，依就是驱动程序的最基本结 构：FrameBuffer驱动的初始化和卸载部分及其他，如下：②、LCD平台设备各接口函数的实现：③、 帧缓冲设备驱动对底层硬件操作的函数接口实现(即：my2440fb_ops的实现)：

五、从整体上再描述一 下FrameBuffer设备驱动实例代码的结构：1、在第①部分代码中主要做的事情有：a.将LCD设备注册到系统平台设备中； b.定义LCD平台设备结构体lcd_fb_driver。2、在第②部分代码中主要做的事情有：a.获取和设置LCD平台设备的各种资源； b.分配fb_info结构体空间； c.初始化fb_info结构体中的各参数； d.初始化LCD控制器； e.检查fb_info中可变参数； f.申请帧缓冲设备的显示缓冲区空间； g.注册fb_info。3、在第③部 分代码中主要做的事情有：a.实现对fb_info相关参数进行检查的硬件接口函数； b.实现对LCD显示模式进行设定的硬件接口函数； c.实现对LCD显示开关(空白)的硬件接口函数等。

2. 为什么使用調色板

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嵌入式Linux下S3C2410的调色板彩色显示

对于一个显示设备，数据的更新率正比于画面的像素数和色彩深度的乘积。在嵌入式Linux系统中，受处理器资源配 置和运算能力的制约，当使用大分辨率显示时(如在一些屏幕尺寸较大的终端上，往往需要640×480以上)，需要降低显示的色彩深度。否则，由于数据处理 负担过重会造成画面的抖动和不连贯。这时，调色板技术将发挥重要作用。ARM9内核的S3C2410在国内的嵌入式领域有着广泛的应用，芯片中带有LCD控制器，可支持多种分辨率、多种颜色深度的LCD显示输出。在此，将S3C2410的调色板技术，以及嵌入式Linux系统下调色板显示的实现方法进行分 析。

S3C2410调色板技术概述

1、调色板的概念

在计算机图像技术中，一个像素的颜色是由它的R，G，B分量表示的，每个分量又经过量化，一个 像素总的量化级数就是这个显示系统的颜色深度。量化级数越高，可以表示的颜色也就越多，最终的图像也就越逼真。当量化级数达到16位以上时，被称为真彩 色。但是，量化级数越高，就需要越高的数据宽度，给处理器带来的负担也就越重；量化级数在8位以下时，所能表达的颜色又太少，不能够满足用户特定的需求。

为了解决这个问题，可以采取调色板技术。所谓调色板，就是在低颜色深度的模式下，在有限的像素 值与RGB颜色之间建立对应关系的一个线性表。比如说，从所有的16位彩色中抽取一定数量的颜色，编制索引。当需要使用某种彩色时，不需要对这种颜色的RGB分量进行描述，只需要引用它的索引号，就可以使用户选取自己需要的颜色。索引号的编码长度远远小于RGB分量的编码长度，因此在彩色显示的同时，也 大大减轻了系统的负担。

以256色调色板为例，调色板中存储256种颜色的RGB值，每种颜色的RGB值是16位。用 这256种颜色编制索引时，从OOH～FFH只需要8位数据宽度，而每个索引所对应的颜色却是16位宽度的颜色信息。在一些对色彩种类要求不高的场合，如 仪表终端、信息终端等，调色板技术便巧妙地解决了数据宽度与颜色深度之间的矛盾。

2、S3C2410中的调色板

ARM9核的S3C2410芯片可通过内置的LCD控制器来实现对LCD显示的控制。以TFTLCD为例，S3C2410芯片的LCD控制器可以对TFTLCD提供1位、2位、4位、8位调色板彩色显示和16位、24位真彩色显示，并支持多 种不同的屏幕尺寸。

S3C2410的调色板其实是256个16位的存储单元，每个单元中存储有16位的颜色值。根 据16位颜色数据中，RGB分量所占位数的不同，调色板还可以采取5：6：5(R：G：B)和5：5：5：1(R：G：B：1)两种格式。当采用5：6：5(R：G：B)格式时，它的调色板如表1所示。

表1中，第一列为颜色索引，中间三列是R，G，B三个颜色分量对应的数据位，分别是5位、6位 和5位，最后一列是对应颜色条目的物理地址。当采用5：5：5：1(R：G：B：1)格式时，R，G，B三个颜色分量的数据位长度都是5位，最低位为1。

用户编程时，应首先对调色板进行初始化处理(可由操作系统提供的驱动程序来完成)，赋予256色调色板相应的颜色值；在进行图像编程时，可以将图像对象赋予所需的颜色索引值。程序运行时，由芯片的LCD控制器查找调色板，按相应的值进行输出。S3C2410芯片图像数据输出端口VD[23：O]有24位，当使用不同的色彩深度时，这24位数据可以表示一个或多个点的颜色信息。

3、调色板颜色的选择

调色板中颜色的选择可以由用户任意定义，但为了编程方便，颜色的选取应遵循一定的规律。例如在Windows编程中，系统保留了20种颜色。另外，在Web编程中，也定义了216种Web安全色，这些颜色可以尽量保留。2S3C2410调色板在嵌 入式Linux系统下的使用ARM实现图像显示时，由LCD控制器将存储系统中的视频缓冲内容以及各种控制信号传送到外部LCD驱动器，然后由LCD驱动 器实现图像数据的显示。实际应用中，常通过驱动程序由操作系统对寄存器、调色板进行配置。以Linux2.4内核为例，对调色板的配置是在驱动程序S3C2410fb.c中完成的。

在一些公司Linux源码包的S3C2410fb.c文件中，并没有对调色板进行配置，因此在8位以下的显示设置下。LCD不能正常工作。若需要使用调色板，必须对此文件进行修改。

1、驱动程序的修改

查S3C2410数据手册，调色板的物理起始地址为0x4d000400，应先将调色板的物理 地址映射到内核中的虚拟地址，然后对其进行赋值。具体步骤如下：

(1)在S3C2410.h文件中添加：

#defineMYPAL(Nb)__REG(Ox4d000400+(Nb)*4)

其作用是实现物理地址到虚拟地址的映射。

(2)在S3C24lOfb.h文件，通过下列语句定义256种颜色。

staTIcconstu_shortmy_color[256]={0x0000，0x8000，…}：

数组中的每个16位二进制数表示一种颜色，RGB分量采用的是5：6：5格式。

(3)在S3C2410fb.c文件的S3C2410fb-activate_var(…)函 数中，通过下列语句对这256个调色板进行赋值。

(4)另外，注意改变LCD控制寄存器LCDCON1的BPPMODE值，设定为需要的颜色深 度。

(5)重新编译内核，烧写内核。

2、应用程序的编写

当S3C2410用于嵌入式Linux操作系统时，其图形功能一般是依靠帧缓存(Framebuffer)实现的。屏幕上的每个点都被映射成一段线性内存空间，通过应用程序改变这段内存的值，就可以改变屏幕的颜色。当色深在16位以 上时，用户直接指定颜色的RGB分量；当色深在8位以下时，用户应当指定颜色在调色板中的索引值。

当使用MiniGUI等嵌入式图形系统时，只需要将界面元素的颜色值设为所需颜色的索引值即 可。例如：

WinElementColors[i]=142；

就是将WinElementColors[i]的颜色设置为索引号为142的调色板颜色。

结语

在笔者开发的某型指挥车仿真终端中，其显示分辨率设置为640×480。如果色深设置为16b/p，在系统使用时，画面将会出现明显的抖动、不连贯，这是由于芯片的运算负荷过重造成的。如果按本文中提到的方法对显示驱动加以修改，采用8位色 深显示，颜色的选取可以满足需要，画面的显示将明显稳定。这说明，在显示分辨率较高，色彩种类要求比较简单的嵌入式应用中，调色板技术是一个非常值得重视 的选择。