LCD驱动程序——基础知识

1、简介

lcd是liquid crystal display的简称，液晶显示器按驱动方式分为静态驱动、简单矩阵驱动及主动矩阵驱动。其中简单矩阵驱动又可细分为扭转向列型（TN）和超转向列型（STN）两种，而主动矩阵驱动则以TFT为主。下面具体来说一下：

TN型驱动液晶，是LCD中最基本的，其它LCD都以TN型改进而得。它只能将入射光旋转90度，视角只有30度，色彩单一，对比度低，用于电子表和电子计算器。

STN型驱动液晶，可将入射光旋转180度至270度，也改善了视角。它通过搭配色彩滤光片，将单色矩阵的任意像素分成3个子像素成红绿蓝，再经由三色按比例调和，显示出逼近全彩模式的色彩。

TN和STN都场电压驱动方式，如果显示尺寸加大，中心部分对电极变化的反应时间就会变长，显示器的速度跟不上， 为了解决这个问题，主动矩阵驱动TFT被提出。它通过晶体管显示信号开启或关闭液晶分子的电压，从而避免了显示器对电场效应的依靠。

2、显示原理

一块lcd屏显示图像不但需要lcd驱动器，还需要lcd控制器。很多芯片cpu集成了lcd控制器。所有lcd显示图像的原理都是 从上到下，从左到右的。一副图像可以看作是一个矩形，由许多排列整齐的点一行一行组成，这些店成为像素。依据显示原理： 作为帧同步信号的vsync，每发出一个脉冲，都意味着新的一副图像数据开始发送。而作为行同步信号的hsync，每发出一个脉冲，都表明新的一行图像资料开始发送。我们可以看一下时序图：

我们来解释一下各信号的含义：

VSYNC：帧同步信号

每发出一个脉冲，表示新的一屏图像数据开始传送。

HSYNC：行同步信号

每发出一个脉冲，表示新的一行图像数据开始传送。

VCLK：像素时钟信号

每发出一个脉冲，表示新的一个点图像数据开始传送。

LEND：行结束信号

VBPD：表示在一帧图像开始时，帧同步信号以后的无效的行数，对应驱动中的upper_margin；

VFBD：表示在一帧图像结束后，帧同步信号以前的无效的行数，对应驱动中的lower_margin；

VSPW：表示垂直同步脉冲的宽度，用行数计算，对应驱动中的nvync_len；

HBPD：表示从水平同步信号开始到一行的有效数据开始之间的vclk的个数，对应驱动中的left_margin；

HFPD：表示一行的有效数据结束到下一个水平同步信号开始之间的vclk的个数，对应驱动中的right_margin；

HSPW：表示水平同步信号的宽度，用vclk计算，对应驱动中的hsync_nc；

3、帧缓冲

（1）这是一个十分重要的概念，framebuffer从本质来说是图形设备的硬件抽象。对开发者而言，framebuffer是一块显示缓存，往显示缓存里写入特定格式的数据就意味着向屏幕输出内容。通过不断的向framebuffer中写入数据，显示控制器就 自动的从framebuffer中取数据并显示出来。

（2）帧缓冲设备对应的设备文件为/dev/fb*，如果系统有多个显示卡，linux下还可以支持多个帧缓冲设备，最多可达32个，分别为/dev/fb0到/dev/fb31，而/dev/fb则为当前缺省的帧缓冲设备，通常指向/dev/fb0。帧缓冲设备为标准的字符型设备，主设备号为29，次设备号为0到31。

我们可以通过一下命令来演示一下：

清除lcd：dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=240 count=320

运行应用程序，画图：./LCD

清除lcd：dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=240 count=320

显示图片：cat 7.bmp>/dev/fb0

4、系统构架

我们要完成的工作只有两个，一是配置这个fb_info结构体，二是注册这个结构体

 

5、一些结构体与函数

（1）设备描述

linux内核用struct fb_info来描述帧缓冲设备

struct fb_info {

int node;

int flags;

struct mutex lock; /* Lock for open/release/ioctl funcs */

struct fb_var_screeninfo var; /* Current var见注释1*/

struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix固定参数 */

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 */

#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT

/* assigned backlight device */

/* set before framebuffer registration, 

   remove after unregister */

struct backlight_device *bl_dev;

/* Backlight level curve */

struct mutex bl_curve_mutex;

u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];

#endif

#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO

struct delayed_work deferred_work;

struct fb_deferred_io *fbdefio;

#endif

struct fb_ops *fbops;//帧缓冲操作函数

struct device *device; /* This is the parent */

struct device *dev; /* This is this fb device */

int class_flag;                    /* private sysfs flags */

#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING

struct fb_tile_ops *tileops;    /* Tile Blitting */

#endif

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;

};

注释1：struct  fb_var_screeninfo记录用户可修改的显示控制器参数，包括屏幕的分辨率和每个像素点的比特数，具体内容如下：

struct fb_var_screeninfo {

__u32 xres; /* visible resolution */

__u32 yres;

__u32 xres_virtual; /* virtual resolution */

__u32 yres_virtual;

__u32 xoffset; /* offset from virtual to visible */

__u32 yoffset; /* resolution */

__u32 bits_per_pixel; /* guess what */

__u32 grayscale; /* != 0 Graylevels instead of colors */

struct fb_bitfield red; /* bitfield in fb mem if true color, */

struct fb_bitfield green; /* else only length is significant */

struct fb_bitfield blue;

struct fb_bitfield transp; /* transparency */

__u32 nonstd; /* != 0 Non standard pixel format */

__u32 activate; /* see FB_ACTIVATE_* */

__u32 height; /* height of picture in mm    */

__u32 width; /* width of picture in mm     */

__u32 accel_flags; /* (OBSOLETE) see fb_info.flags */

/* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */

__u32 pixclock; /* pixel clock in ps (pico seconds) */

__u32 left_margin; /* time from sync to picture */

__u32 right_margin; /* time from picture to sync */

__u32 upper_margin; /* time from sync to picture */

__u32 lower_margin;

__u32 hsync_len; /* length of horizontal sync */

__u32 vsync_len; /* length of vertical sync */

__u32 sync; /* see FB_SYNC_* */

__u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */

__u32 rotate; /* angle we rotate counter clockwise */

__u32 reserved[5]; /* Reserved for future compatibility */

}

注释2： struct fb_fix_screeninfo fix，记录了用户不能修改的显示控制器参数，如显示缓存的物理地址， 具体代码如下：

struct fb_fix_screeninfo {

char id[16]; /* identification string eg "TT Builtin" */

unsigned long smem_start; /* Start of frame buffer mem */

/* (physical address) */

__u32 smem_len; /* Length of frame buffer mem */

__u32 type; /* see FB_TYPE_* */

__u32 type_aux; /* Interleave for interleaved Planes */

__u32 visual; /* see FB_VISUAL_* */ 

__u16 xpanstep; /* zero if no hardware panning  */

__u16 ypanstep; /* zero if no hardware panning  */

__u16 ywrapstep; /* zero if no hardware ywrap    */

__u32 line_length; /* length of a line in bytes    */

unsigned long mmio_start; /* Start of Memory Mapped I/O   */

/* (physical address) */

__u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O  */

__u32 accel; /* Indicate to driver which */

/*  specific chip/card we have */

__u16 reserved[3]; /* Reserved for future compatibility */

};

注释3：这是一个类似于file_operations的可实现文件设备操作的数据结构

struct fb_ops {

/* open/release and usage marking */

struct module *owner;

int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);

int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);

/* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not

 * work with normal memory mapped access

 */

ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,

   size_t count, loff_t *ppos);

ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,

    size_t count, loff_t *ppos);

/* checks var and eventually tweaks it to something supported,

 * DO NOT MODIFY PAR */

int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

/* set the video mode according to info->var */

int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);

/* set color register */

int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,

    unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);

/* set color registers in batch */

int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);

/* blank display */

int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);

/* pan display */

int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

/* Draws a rectangle */

void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);

/* Copy data from area to another */

void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);

/* Draws a image to the display */

void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);

/* Draws cursor */

int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);

/* Rotates the display */

void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);

/* wait for blit idle, optional */

int (*fb_sync)(struct fb_info *info);

/* perform fb specific ioctl (optional) */

int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,

unsigned long arg);

/* Handle 32bit compat ioctl (optional) */

int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,

unsigned long arg);

/* perform fb specific mmap */

int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);

/* save current hardware state */

void (*fb_save_state)(struct fb_info *info);

/* restore saved state */

void (*fb_restore_state)(struct fb_info *info);

/* get capability given var */

void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps,

    struct fb_var_screeninfo *var);

};

（2）fb_bitfield结构体：描述每一像素显示缓冲区的组织方式，包含位域偏移、位域长度和MSB指示：

struct fb_bitfield {

__u32 offset; /* beginning of bitfield */

__u32 length; /* length of bitfield */

__u32 msb_right; /* != 0 : Most significant bit is */ 

/* right */ 

};

（3）注册函数：register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)

         注销函数：un register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)