【嵌入式环境下linux内核及驱动学习笔记-（19）LCD驱动框架2-FrameBuffer】
目录
- 1、 Frmebuffer(帧缓冲）操作介绍
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- 1.1 显示设备的抽象
- 1.2 内存映像
- 1.3 输出画面数据
- 1.4 用户态下操作屏显
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- 1.4.1 用文件I / O 操作屏显
- 1.4.2 mmap() 函数
- 1.4.3 ioctl()函数
- 1.4.5 用命令操作屏
- 1.4.6 测试程序
- 2、Framebuffer总体框架
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- 2.1 框架要点
- 2.2 fbmem.c分析
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- 2.2.1 fbmem的入口分析
- 2.2.2 fbmem的接口功能
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- 2.2.2.1 向上的接口
- 2.2.2.2 向下的接口
- 2.2.3 相关函数详解
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- 2.2.3.1 proc_create()函数
- 2.2.3.2 fb_proc_fops结构体变量
- 2.2.3.3. register_chrdev()函数
- 2.2.3.4 class_create()函数
- 2.2.3.5 register_framebuffer()函数
- 2.3 LCD驱动分析（设备树匹配的platform平台驱动）
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- 2.3.1 设备树相关内容
- 2.3.2 数据结构及函数
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- struct fb_info
- struct fb_var_screeninfo 和 struct fb_fix_screeninfo
- struct fb_var_screeninfo
- struct fb_fix_screeninfo
- struct fb_videomode结构体
- fb_var_to_videomode()与 fb_videomode_to_var()函数
- struct fb_ops
- 宏 module_platform_driver
- 2.3.3 LCD驱动的结构与步骤
- 3、驱动程序实例
- 4、测试LCD显示的应用程序
- 写在结尾
- 参考
1、 Frmebuffer(帧缓冲）操作介绍
1.1 显示设备的抽象
\qquad Linux是工作在保护模式下，Linux抽象出FrameBuffer这个设备来供用户态进程实现直接写屏。
\qquad Framebuffer机制模仿显卡的功能，将显卡硬件结构抽象掉，可以通过Framebuffer的读写直接对显存进行操作。用户可以将Framebuffer看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间之后，就可以直接进行读写操作，而写操作可以立即反应在屏幕上。这种操作是抽象的，统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。这些都是由Framebuffer设备驱动来完成的。
1.2 内存映像
\qquad 显示画面的输出，实际是通过往显存里面写像素数据来实现的。由于显存实际是处于内核态的物理内存，所以下一步要把这块物理内存映射到用户态，这样应用程序就可以直接操作这块物理内存了。
\qquad 内存的映像是在使用时，由使用者通过mmap命令实现的。
1.3 输出画面数据
\qquad 我们有了显存之后，要如何才能将画面数据写入显存了？
\qquad 假设我们当前的环境， xres_virtual、yres_virtual分别为800，960；bpp（像素深度）为32位；所以每个像素用一个int来表示，虚拟屏幕尺寸为800*960像素。
\qquad 显存中，数据排布的顺序就是按照虚拟屏幕中像素数据从上到下，从左到右的数据来排布。而每一个像素数据则按照A（透明度）、R（红）、G（绿）、B（蓝）的顺序排布的。
1.4 用户态下操作屏显
1.4.1 用文件I / O 操作屏显
在Linux环境下,可以通过framebuffer设备文件(/dev/fb0等)来操作LCD屏幕。具体步骤如下:
- 打开framebuffer设备文件:
int fbfd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
- 通过ioctl()来获取framebuffer参数,如屏分辨率,像素格式等:
struct fb_var_screeninfo vinfo;
ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
- 通过mmap()来映射LCD屏幕的显存到用户空间,得到一个指针fbp:
void *fbp = mmap(0 , vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8 ,
PROT_READ | PROT_WRIT E, MAP_SHARED, fbfd, 0);
- 可以通过fbp指针来直接操作显存,实现画点,画线,填充等功能。
- 通过ioctl(FBIOPUT_VSCREENINFO)来修改vinfo参数,实现Resolution修改,色深变化等功能。
- unmap显存:
munmap(fbp, vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8);
- 关闭framebuffer设备文件:
close(fbfd);
总之,通过framebuffer设备,我们可以获得屏幕信息,映射显存,直接操作显存来刷屏,这就是不使用GUI的原生LCD屏幕操作方法。
1.4.2 mmap() 函数
\qquad mmap是Linux系统调用,用于映射设备(如文件)的权限到进程的地址空间。对于framebuffer设备,我们可以通过mmap来映射LCD屏幕的显存到进程的用户空间,然后就可以直接操作显存来刷新屏幕。
mmap的原型如下:
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
参数说明:
- addr: 要映射的内存块的起始地址,一般设为NULL让系统选择地址
- length: 要映射的内存块的大小
- prot: 设定内存块的访问权限,如PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC等
- flags: 设定映射类型,如MAP_SHARED、MAP_PRIVATE等
- fd: 要映射的文件描述符
- offset: 文件映射的偏移量
对于framebuffer,主要步骤如下:
- 打开/dev/fb0获取文件描述符fd
- 通过ioctl获取屏参数,如分辨率、色深等,计算映射大小length
- mmap映射:
void *fbp = mmap(0, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
- 这里我们要读写显存,所以权限为PROT_READ | PROT_WRITE
- 映射类型为MAP_SHARED,因为多个进程可能要同时访问屏幕
- 偏移量offset为0,从文件开始映射
- fbp就是映射到用户空间的显存指针,可以直接操作它来刷屏
- 用munmap释放映射:
munmap(fbp, length);
mmap的优点是可以直接操作物理内存,速度快;优点是会占用内存空间,并且映射和unmap也需要时间。
所以简单来说,mmap实现的是文件(物理内存)到进程虚拟地址空间的映射,我们可以通过虚拟地址直接操作文件(物理内存)。
1.4.3 ioctl()函数
\qquad ioctl()系统调用用于在用户空间和驱动空间之间传递信息。对于framebuffer设备,我们可以通过ioctl来获取和修改LCD屏的相关参数。主要的ioctl命令如下:
- 1、 FBIOGET_VSCREENINFO: 获取可变屏幕参数,如分辨率、色彩模式等.
从字面上可以理解为“fb ioctl, get variable screen info”：获取应用程序可改变的参数（如设定的分辨率）
用法:
#include 用法:
ioctl(fbfd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &vinfo);
- 3、 FBIOGET_FSCREENINFO:获取固定屏参数,对应的数据结构是fb_fix_screeninfo,包括帧缓冲区大小等信息。
从字面上理解“fb ioctl, get fixed screen info”：获取固定的参数（如屏幕的分辨率）
用法:
struct fb_fix_screeninfo finfo;
ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo);
- 4、 FBIOBLANK: 设置屏幕的blanking参数,用于开启或关闭屏幕显示。
用法:
int blank_mode = FB_BLANK_UNBLANK; //开屏
ioctl(fbfd, FBIOBLANK, blank_mode);
- 5、 FBIOGETCMAP: 获取颜色映射表
用法:
struct fb_cmap cmap;
ioctl(fbfd, FBIOGETCMAP, &cmap);
-
6、 FBIOPUTCMAP: 设置颜色映射表
**用法:**同 FBIOGETCMAP -
7、 FBIOGET_CON2FBMAP: 获取虚拟控制台到framebuffer的映射
用法:
__u32 console_fb_map[MAX_NR_CONSOLES];
ioctl(fbfd, FBIOGET_CON2FBMAP, console_fb_map);
-
8、 FBIOPUT_CON2FBMAP: 设置虚拟控制台到framebuffer的映射
**用法:**同FBIOGET_CON2FBMAP -
9、. FBIOGET_VBLANK: 获取垂直空白中断相关参数
用法:
struct fb_vblank vblank;
ioctl(fbfd, FBIOGET_VBLANK, &vblank);
1.4.5 用命令操作屏
framebuffer的设备文件一般是/dev/fb0、/dev/fb1等等。
可以用命令: dd if=/dev/zero of=/dev/fb 清空屏幕.
如果显示模式是1024x768-8 位色，用命令：
dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=1024 count=768 清空屏幕；
用命令: dd if=/dev/fb0 of=fbfile 可以将fb中的内容保存下来；
可以重新写回屏幕: dd if=fbfile of=/dev/fb；
在使用Framebuffer时，Linux是将显卡置于图形模式下的。
1.4.6 测试程序
在测试前，可以先在系统中查看lcd参数
输入 cat /sys/class/graphics/fb0/modes即可查看分辨率
输入cat /dev/urandom > /dev/fb0即可知晓fb是否能正常工作
fb_test.c
该程序在用户态打开fb0，然后，用ioctl函数读出fb可变参数与固定参数。然后用两个函数在framebuff上绘制背影和线条
编译正确后，需要切换到tty模式运行测试程序：
1、按ctrl+alt+F1 进入tty模式
2、登录，进入工作目录内
3、运行./fb_test.efl
4、运行结束后，按ctrl+alt+F7退出，回到x server状态
2、Framebuffer总体框架
2.1 框架要点
- Framebuffer(帧缓冲）是Linux系统为显示设备提供的一个接口，它将显示缓冲区抽象，并屏蔽图像硬件的底层差异，允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。
-
- framebuffer帧缓冲（简称fb）是一个platform类型设备，设备文件位于/dev/fbn。（n或以是0，1，…）
-
- framebuffer向应用层提供一个统一标准接口的显示设备。不论最终输出是通过hdmi还是lcd控制器，可以认为所有的GUI都是向fb输出画面的。
- 对于帧缓冲设备而言，只要在显示缓冲区中与显示点对应的区域内写入着色值，对应的着色会自动在屏幕上显示。
-
- 实际上是frambuffer就是linux内核驱动申请的一片内存空间，然后lcd内有一片sram，cpu内部有个lcd控制器，它有个单独的dma用来将frambuffer中的数据拷贝到lcd的sram中去，拷贝到lcd的sram中的数据就会显示在lcd上，具体数据的内容是由应用程序控制的。
-
- LCD驱动和framebuffer驱动没有必然的联系，它只是驱动LCD正常工作的，比如有信号传过来，那么LCD驱动负责把信号转成显示屏上的内容，至于什么内容，怎么显示，它根本不关心也不知道。
-
- 对于现代LCD，有一种“多屏叠加”的机制，即一个LCD设备可以有多个独立虚拟屏幕，以达到画面叠加的效果。所以fb与LCD不是一对一的关系，在常见的情况下，一个LCD对应了fb0~fb4。像QT这种GUI会默认把画面输出到fb0
\qquad 上图是Linux帧缓冲设备驱动结构是一个四层结构。从下到上分别为硬件（LCD控制器）、设备驱动（需要使用者开发）、fbmem层（系统已完成）、应用层（需要使用者开发应用程序）。而与驱动框架密切相关的就是中间这两层fbmem层和设备驱动层。
\qquad fb的结构由内核中的fb框架实现一部分（上图中的fbmem.c），然后再由设备驱动本身实现一部分（图中的xxxfb.c）。设备驱动本身就是一个普通的platform总线驱动 。
- f b m e m 层 \color{red}{fbmem层} fbmem层主要完成了“上传下达”的任务：
-
- 1、向下获buffer地址。
-
- 2、创建设备类（graphics）。
-
- 3、注册字符设备主设备号。
-
- 4、向上提供操作函数接口。
- 驱动设备层主要完成了“驱动”的任务：
-
- 1、创建buffer。
-
- 2、构建设备模型（完成数据结构fb_info填写）
-
- 3、设置LCD控制器的寄存器。
-
- 4、实现设备的操作接口fb_ops。
下面这图是另一个角度来描述分层的概念。更宏观一点，有助于参考：
2.2 fbmem.c分析
\qquad fbmem.c实质也是一个驱动模块，是在linux系统启动时自动加载的。对于驱动模块，我们分为两个方面来分析，一是驱动的启动入口__init函数，启动时做了什么。二是fbmem提供了什么接口和能力，为LCD的驱动模块提供了哪些能力。
2.2.1 fbmem的入口分析
对于驱动程序首先从其入口的__init 函数分析起，这个__init 入口函数是在该驱动被加载时首先运行的。源码如下：
上图可以看出，fbmem启动时只做了几个简单的工作：
- 1、创建了/proc/fb文件，并关联了struct file_operations fb_proc_fops结构体，用于绑定/proc中操作fb文件的相关函数。
- 2、创建了一个主设备号为29的主设备（注意，这里只是建立了主设备，没有具体的fb设备），并关联了fb_fops，用于向用户层使用/dev/fbx设备提供接口。
- 3、创建了一个设备类，生成一个类文件/sys/class/graphics
（具体的上面的三个函数 可以看下面的4.2.3节。）
\qquad fbmem在启动初始化阶段只做了一些很简单的共性的工作。重要的是创建了主设备号29，并向用户层提供了两个操作接口。
2.2.2 fbmem的接口功能
fbmem的接口，有对上（用户层）的接口，也有对（LCD控制器）向下的接口。
2.2.2.1 向上的接口
提供了用户层操作的接口函数：
向上的接口有两个，一个是与用户操作相关的fb_fops这个结构体变量。提供了默认的open，read，ioctrl等操作接口。因此下面主要讨论的是这个接口。另一个向上接口是对内存文件系统/proc中的fb进行操作的接口。
在fbmem.c中，fb_fops和fb_proc_fops是两个不同的结构体变量，分别用于不同的用途，源码中定义如下：
| fb_fops作用 | fb_proc_fops作用 |
|---|---|
| \qquad fb_fops是用于定义fb设备在文件系统中的普通文件操作的结构体变量，它定义了打开、读取、写入、寻址等操作的回调函数。这个结构体变量被用于处理用户对fb设备文件的操作，例如通过open()函数打开设备文件、通过read()函数读取设备文件的内容等。 | \qquad 而fb_proc_fops是用于定义fb设备在/proc文件系统中的文件操作的结构体变量。在Linux内核中，/proc文件系统是一种特殊的文件系统，用于提供内核和进程的运行时信息。/proc/fb是一个特殊的文件，它提供了有关帧缓冲设备的一些信息，如设备名称、设备类型、设备大小等。 |
\qquad 可以看到，fb_fops和fb_proc_fops是用于不同的文件系统和不同的操作类型的结构体变量。它们分别定义了对应于不同文件系统中的fb设备的文件操作。这样设计的目的是为了能够根据不同的文件系统和操作类型，提供不同的文件操作处理方式，以满足不同的需求和场景。
提供了用户层操作的数据接口：
struct fb_info *registered_fb[FB_MAX]
\qquad struct fb_info *registered_fb[FB_MAX]是一个全局数组，用于存储已注册的帧缓冲设备的帧缓冲信息结构体。
\qquad 在Linux的帧缓冲设备框架中，struct fb_info结构体代表了一个帧缓冲设备的信息。该结构体包含了帧缓冲设备的各种属性和状态，如设备名称、设备类型、设备大小、显存地址、像素格式等。
\qquad registered_fb数组的作用是用于管理已注册的帧缓冲设备。当一个帧缓冲设备被成功注册时（在帧缓冲设备框架中，通过register_framebuffer()函数将一个帧缓冲设备注册到内核中，并将其struct fb_info结构体存储在registered_fb数组中的一个位置上。），内核就可以通过访问registered_fb数组来获取已注册的帧缓冲设备的信息。
当需要访问已注册的帧缓冲设备时，可以通过遍历registered_fb数组来获取相应的帧缓冲信息。
\qquad registered_fb数组的大小是由宏FB_MAX定义的，它表示系统中最大支持的帧缓冲设备数量。通过限制registered_fb数组的大小，可以限制系统中可以注册的帧缓冲设备的数量。
\qquad 在实际过程中，不同的帧缓冲设备的fb_info结构体是存入以次设备号做为下标的registered_fb数组中。例如/dev/fb0的fb_info信息是存在registered_fb[0]中。
2.2.2.2 向下的接口
fbmem.c向lcd的驱动层提供了一个重要的注册接口register_framebuffer()，该函数主要功能是将其参数info指向的帧缓冲设备信息添加到内核的帧缓冲设备列表中并进行注册。
\qquad 具体来说，register_framebuffer()函数执行以下操作：
- 1.检查帧缓冲设备信息的有效性，比如检查是否提供了必需的回调函数（如刷新屏幕函数fb_ops->fb_pan_display、设置显示模式函数fb_ops->fb_set_par等）。
- 2.为帧缓冲设备信息分配内存，并将设备信息的指针存储在内核中的帧缓冲设备列表（registered_fb[]）的一个位置上。
- 3.调用设备驱动程序的初始化函数（如果存在的话），完成设备的初始化工作。
- 4.根据设备信息中指定的显存地址和大小等信息，为帧缓冲设备分配显存空间。
- 5.注册帧缓冲设备到内核的帧缓冲子系统，使得应用程序可以使用对应设备的帧缓冲操作接口。 通过registered_fb[]数组，内核可以追踪已注册的帧缓冲设备，并提供对它们进行管理、控制和访问的功能。 需要注意的是，注册帧缓冲设备需要具有相应的权限，通常需要在内核初始化期间或者使用特权用户执行才能成功注册。
2.2.3 相关函数详解
2.2.3.1 proc_create()函数
\qquad 在Linux内核中，函数proc_create()是用于创建/proc这个内存文件系统中的文件的函数。它的声明位于
struct proc_dir_entry *proc_create(const char *name,
umode_t mode,
struct proc_dir_entry *parent,
const struct file_operations *proc_fops);
函数的参数：
-
1. name：要创建的文件的名称。这应该是一个唯一的字符串，作为文件在/proc目录下的名称。
- 2. mode：文件的访问权限模式（例如，S_IRUGO | S_IWUGO表示可读写文件）。这些模式定义在
-
3. parent：指向父目录的指针，即/proc中包含新文件的目录。
-
4. proc_fops：指向struct file_operations结构体的指针，它包含文件在被读/写时将调用的回调函数。该结构体包含了一个文件的各种操作函数，例如读取（read()）、写入（write()）和关闭（release()）。
函数的功能:
\qquad 创建一个新的文件，并将其添加到/proc文件系统中。创建的文件将在通过parent参数指定的目录中可见。通过设置适当的回调函数来响应文件的读取和写入操作。
通过proc_create()函数创建的文件将在/proc中出现为一个虚拟的文件，并且可以通过相应的读写操作进行处理。这样，用户空间程序可以通过读取/proc文件系统来获取内核状态和信息。
需要注意的是，proc_create()函数已经被标记为弃用，并不推荐在新的内核代码中使用。代替的推荐方法是使用proc_create_data()函数或更高级的proc_create_single_data()函数，它们提供了更丰富的功能和更好的安全性。
2.2.3.2 fb_proc_fops结构体变量
原型：
static const struct file_operations fb_proc_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = proc_fb_open,
.read = seq_read,
.llseek = seq_lseek,
.release = seq_release,
};
\qquad 在Linux内核版本3.14中，fbmem.c文件中定义了一个名为fb_proc_fops的结构体变量，其类型为struct file_operations。
\qquad 这个结构体变量用于定义对应于在/proc文件系统中的fb设备请求的文件操作。
\qquad 在这个特定的结构体变量中，定义了以下几个函数指针：
- .owner：指向fb设备对应的内核模块的指针。
- .open：打开设备的回调函数，用于处理打开设备的操作。
- .read：读取设备的回调函数，用于处理从设备中读取数据的操作。
- .llseek：寻址设备的回调函数，用于在设备中寻址位置的操作。
- .release：释放设备的回调函数，用于处理释放设备的操作。
\qquad 其中，THIS_MODULE宏作为.owner参数，表示当前fb设备模块是这个文件操作的所有者。其他的回调函数则是指向相应的处理函数。
\qquad 这个结构体变量fb_proc_fops在fbmem.c文件中的作用是定义了对应于fb设备在/proc文件系统中的操作。当用户在/proc文件系统中访问fb设备时，内核将按照这个结构体变量中指定的函数来处理相应的操作，例如打开、读取、寻址和释放等。 通过这个结构体变量，fb设备模块可以响应相关的文件操作，以对用户的请求做出适当的响应。这种机制允许用户通过文件系统的方式与设备进行交互，提供了一种统一的接口来管理和控制fb设备。
2.2.3.3. register_chrdev()函数
\qquad 在Linux内核3.14中，函数register_chrdev()用于注册字符设备驱动程序。它的声明位于
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops);
参数解释如下：
-
1. major：设备的主设备号。如果指定为0，则会由内核动态分配可用的主设备号。
-
2. name：设备的名称。这个名称将作为设备的标识，可以在/dev目录下找到相应的设备文件。
-
3. fops：指向struct file_operations结构体的指针，其中包含了为设备定义的各种操作函数。
返回值
\qquad 表示注册结果，返回一个负值表示注册失败，返回一个非负值表示注册成功，并返回已分配或动态分配的主设备号。
功能：
\qquad register_chrdev()函数的功能是向内核注册字符设备驱动程序。注册后，操作系统将分配一个设备文件并将其与驱动程序关联起来，这将使其可以与用户程序进行通信。
字符设备驱动程序通常涉及到文件操作，例如打开、关闭、读取和写入。通过提供适当的回调函数，例如open()、release()、read()和write()，驱动程序可以响应这些操作。
需要注意
\qquad register_chrdev()函数已经被标记为弃用，并不推荐在新的内核代码中使用。代替的推荐方法是使用register_chrdev_region()函数或更高级的alloc_chrdev_region()函数，它们提供更灵活的设备号管理方式。此外，还可以使用字符设备框架中的设备模型进行设备注册和管理。
2.2.3.4 class_create()函数
在Linux内核3.14中，函数class_create()用于在/sys/class目录下创建和注册一个新的设备类。它的声明位于
struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);
参数解释如下：
1、owner：指向拥有该类的内核模块的指针。通常使用THIS_MODULE宏作为参数，表示当前模块是该类的所有。
2、name：设备类的名称。这个名称将作为设备类的标识，会出现在/sys/class目录下。
返回值：
\qquad 是一个指向struct class结构体的指针，代表创建的设备类。如果创建失败，将返回一个错误指针。
函数的功能：
\qquad 是创建并注册一个新的设备类。设备类是用于管理一组相关设备的集合。通过创建设备类，可以将一组具有相似功能或属性的设备进行分组，并在/sys/class目录下创建相应的子目录。
创建设备类后，可以使用device_create()函数在设备类下创建具体的设备实例，并将其与相应的设备文件进行关联。
需要注意的是，class_create()函数在创建并注册设备类时，还会自动在/sys/class目录下创建与设备类同名的子目录，用于存放该类的具体设备实例。同时，该函数会创建和注册相关的属性文件，用于获取和设置设备类的属性。
对于设备驱动开发者来说，使用设备类是一种将相关设备进行组织和分类的有效方式，可以更好地管理和控制设备。
2.2.3.5 register_framebuffer()函数
在Linux 3.14中，register_framebuffer()函数用于注册一个帧缓冲设备，并将其添加到内核的帧缓冲设备列表中。
函数原型：
int register_framebuffer(struct fb_info *info);
参数：
- info：指向帧缓冲设备信息的指针，类型为struct fb_info。帧缓冲设备信息结构体struct fb_info包含了与该设备相关的各种信息，例如显存地址、显存大小、像素格式、分辨率等。
返回值：
- 成功时，函数返回值为0，表示设备注册成功。
- 失败时，函数返回值为负数，表示设备注册失败。
功能：
\qquad register_framebuffer()函数的主要功能是将其参数info指向的帧缓冲设备信息添加到内核的帧缓冲设备列表中并进行注册。
2.3 LCD驱动分析（设备树匹配的platform平台驱动）
\qquad LCD驱动是platform平台驱动。框架难度不大，麻烦的是LCD有大量的硬件配置需要设置。
\qquad LCD驱动的核心能力在lcd_probe（）函数，而初始化的 lcd_init()函数则是简单调用platform_driver_register()注册平台设备。本驱动采用platform的设备树匹配模式。驱动模块在切尔西成功则去调用lcd_probe()函数，完成驱动的主要能力。
这里主要参考了这编文章来详细说明LCD 驱动，由于都是用了exynos4412内核，因此参数的设置有很多相同，同时更正了文章中的一些错误以及增加了fs4412主板上的相应适配的内容。
2.3.1 设备树相关内容
\qquad 由于驱动采用的是设备树匹配。因此，驱动的第一步是正确设置设备树相关的节点。
由于exynos4412的设备树节点分布在几个不同的dtsi文件中，显得比较分散，这里一一列出，阅读时，注意节点的层次。
以上的树节点需要一一对照，没有的要一一补上。这里不再细说。因为以上内容，要细说，可以单独再开一篇了。
2.3.2 数据结构及函数
struct fb_info
这个结构体fb_info定义了Linux内核中关于帧缓冲设备(Framebuffer)的所有信息。
头文件/include/linux/fb.h
struct fb_info {
atomic_t count; 这个原子计数器记录了当前打开此帧缓冲设备的进程数
int node; numenode节点编号。对于支持NUMA的系统来说,这个值定义了帧缓冲设备所在的节点。
int flags; 一些标志位,定义此帧缓冲设备的一些属性
int fbcon_rotate_hint; 一个提示值,默认情况下为-1，由驱动器设置为FB_ROTATE_*值，如果它知道lcd没有垂直安装，fbcon应该旋转进行补偿。
struct mutex lock; 两个互斥锁,lock用于open/release/ioctl操作
struct mutex mm_lock; mm_lock用于fb_mmap和smem_*字段的访问。
struct fb_var_screeninfo var; 可变参数结构体
struct fb_fix_screeninfo fix; LCD固定参数结构体
struct fb_monspecs monspecs; LCD显示器规格描述了当前显示器的规格信息,如制造商、型号等。
struct work_struct queue; 帧缓冲事件队列一个工作队列,用于在中断上下文中排队和调度非中断上下文的Framebuffer事件。
struct fb_pixmap pixmap; 图像硬件mapper， pixmap用于硬件上映射的图像,
struct fb_pixmap sprite; 光标硬件mapper ，sprite用于光标的硬件映射。
struct fb_cmap cmap; 当前的颜色表cmap用于描述帧缓冲设备的当前色彩映射表。
struct list_head modelist; /* mode list */
struct fb_videomode *mode; 当前的显示模式*/
#if IS_ENABLED(CONFIG_FB_BACKLIGHT)
struct backlight_device *bl_dev ; 帧缓冲区注册前设置的指定背光设备，注销后删除
struct mutex bl_curve_mutex; 背光水平曲线
u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS]; 背光调整
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
struct delayed_work deferred_work;
struct fb_deferred_io *fbdefio;
#endif
struct fb_ops *fbops; 对底层硬件操作的函数指针
struct device *device; 父设备指针
struct device *dev; 本fb设备
int class_flag; /* private sysfs flags */
#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
struct fb_tile_ops *tileops; 图块Blitting(位图)
#endif
union {
char __iomem *screen_base; 虚拟基地址
char *screen_buffer; “联合体，这两个互相覆盖”
};
unsigned long screen_size; LCD IO映射的虚拟内存大小，重新映射的VRAM数量或0
void *pseudo_palette; 伪16色颜色表
#define FBINFO_STATE_RUNNING 0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED 1
u32 state; LCD的挂起或恢复状态，值为上面这两个宏之一
void *fbcon_par; /* fbcon use-only private area */
从这里开始，往下，一切都依赖于设备
void *par;
我们需要PCI或类似的光圈基础/大小，而不是smem_start/size，因为smem_start可能只是分配在光圈内部的对象，因此实际上可能不会重叠
struct apertures_struct {
unsigned int count;
struct aperture {
resource_size_t base;
resource_size_t size;
} ranges[0];
} *apertures;
bool skip_vt_switch; /* no VT switch on suspend/resume required */
};
在fb_info结构体中,flags字段是一个整数,它包含一些标志位,用于表示Framebuffer设备的某些属性。
标志位定义在
#define FBINFO_MODULE 0x0001 /* Low-level driver is a module *//*低级驱动器是一个模块*/
#define FBINFO_HWACCEL_DISABLED 0x0002 /*设置FBINFO_HWACCEL_DISABLED时：*硬件加速被关闭。所需函数（copyrea（）、fillrect（）和imageblit（））的软件实现 取而代之；加速发动机应处于静止状态*/
#define FBINFO_VIRTFB 0x0004 /*FB是系统RAM，而不是设备*/
#define FBINFO_PARTIAL_PAN_OK 0x0040 /*otw只使用pan进行双重缓冲*/
#define FBINFO_READS_FAST 0x0080 /* soft-copy 比渲染快 /*硬件支持的操作*/
/*语义：当设置了一个位时，表示硬件加速了操作。即使未设置位，所需的功能仍将工作。*如果没有设置标志位，则可选功能甚至可能不存在。*/
#define FBINFO_HWACCEL_NONE 0x0000 表示帧缓冲设备不支持硬件加速。
#define FBINFO_HWACCEL_COPYAREA 0x0100 表示帧缓冲设备支持copyarea硬件加速，用于高效地复制区域。
#define FBINFO_HWACCEL_FILLRECT 0x0200 表示帧缓冲设备支持fillrect硬件加速，用于高效地填充矩形区域。
#define FBINFO_HWACCEL_IMAGEBLIT 0x0400 表示帧缓冲设备支持imageblit硬件加速，用于高效地传输图像数据。
#define FBINFO_HWACCEL_ROTATE 0x0800 表示帧缓冲设备支持旋转操作的硬件加速。这是可选的功能。
#define FBINFO_HWACCEL_XPAN 0x1000 /* optional */表示帧缓冲设备支持水平平移的硬件加速。这是可选的功能。
#define FBINFO_HWACCEL_YPAN 0x2000 /* optional */表示帧缓冲设备支持垂直平移的硬件加速。这是可选的功能。
#define FBINFO_HWACCEL_YWRAP 0x4000 /* optional */表示帧缓冲设备支持垂直循环滚动的硬件加速。这是可选的功能。
#define FBINFO_MISC_USEREVENT 0x10000 /* event request来自用户空间*/表示帧缓冲设备接收到的事件请求来自用户空间。
#define FBINFO_MISC_TILEBLITTING 0x20000 /* use tile blitting */表示帧缓冲设备使用瓦片传输进行加速。
#define FBINFO_MISC_ALWAYS_SETPAR 0x40000 此标志用于指示在每次切换控制台时都调用set_par函数。这可以确保在依赖于正确的硬件状态或更改该状态的任何函数之前，set_par函数始终被调用。但如果set_par函数执行较慢，会导致控制台切换的延迟增加。
#define FBINFO_MISC_FIRMWARE 0x80000 /*其中fb是一个固件驱动程序，可以用合适的驱动程序替换*/该标志表示帧缓冲驱动程序是一个固件驱动程序，并可被适当的驱动程序替换。
*/
#define FBINFO_FOREIGN_ENDIAN 0x100000 /*主机和GPU端序不同。*/表示主机和GPU的字节序不同。
#define FBINFO_BE_MATH 0x100000 大端序。这与上面的标志相同，但含义不同，由fb子系统根据FOREIGN_ENDIAN标志和主机端序设置。驱动不应使用此标志。
#define FBINFO_CAN_FORCE_OUTPUT 0x200000 向VT层报告此fb驱动程序可以接受像oopes一样的强制控制台输出
struct fb_var_screeninfo 和 struct fb_fix_screeninfo
在头文件include/uapi/linux/fb.h 中定义
struct fb_var_screeninfo
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：
#include **比较重要的可变参数有： **
- xres、yres：可视画面的x、y轴分辨率（应用层改不了）
- xres_virtual、yres_virtual：虚拟画面（即fb）x、y轴分辨率
- xoffset、yoffset：可视画面相对于虚拟画面的x、y轴偏移量
- bits_per_pixel：像素深度，每个像数的bit位数。
虚拟画面的尺寸
虚拟画面一般可设为可视画面的两倍，这种结构被称之为“双缓冲机制”，这样做的好处是可以一边显示，一边缓冲下一幅画面 。
- activate: 激活设定参数的方式。在fb.h中定义的宏。这些宏在设置帧缓冲设备的属性时，用于激活或改变属性的不同标志。下面是每个宏的具体含义：
-
- FB_ACTIVATE_NOW（0）：立即设置属性的值（或在垂直空白期设置）。
-
- FB_ACTIVATE_NXTOPEN（1）：在下一次打开设备时激活属性。
-
- FB_ACTIVATE_TEST（2）：不设置属性的值，将不可能的值四舍五入。
-
- FB_ACTIVATE_MASK（15）：用于掩码操作的值。
-
- FB_ACTIVATE_VBL（16）：在下一个垂直空白期激活属性的值。
-
- FB_CHANGE_CMAP_VBL（32）：在下一个垂直空白期更改颜色映射表。
-
- FB_ACTIVATE_ALL（64）：更改此帧缓冲设备上的所有虚拟控制台。
-
- FB_ACTIVATE_FORCE（128）：即使没有更改，也强制应用属性的设置。
-
- FB_ACTIVATE_INV_MODE（256）：使当前视频模式无效。
-
- 这些标志可以用来指定在设置帧缓冲设备属性时应采取的行动。可以根据需要组合使用这些标志。
struct fb_fix_screeninfo
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：
struct fb_fix_screeninfo {
char id[16]; 字符串形式的标示符 identification string eg "TT Builtin"
unsigned long smem_start; fb缓存的开始位置 Start of frame buffer mem (physical address)
__u32 smem_len; fb缓存的长度 Length of frame buffer mem
__u32 type; 看FB_TYPE_*
__u32 type_aux; 分界 Interleave for interleaved Planes
__u32 visual; 看 FB_VISUAL_*
__u16 xpanstep; 如果没有硬件panning就赋值为0 zero if no hardware panning
__u16 ypanstep; 如果没有硬件panning就赋值为0 zero if no hardware panning
__u16 ywrapstep; 如果没有硬件ywrap就赋值为0 zero if no hardware ywrap
__u32 line_length; 一行的字节数 length of a line in bytes
unsigned long mmio_start; 内存映射IO的开始位置 /* Start of Memory Mapped I/O */
/* (physical address) */
__u32 mmio_len; 内存映射IO的长度/* Length of Memory Mapped I/O */
__u32 accel; /* Indicate to driver which */
/* specific chip/card we have */
__u16 capabilities; /* see FB_CAP_* */
__u16 reserved[2]; /* Reserved for future compatibility */
};
\qquad 这里比较常用的是:
- smem_len : framebuff的长度
- type : 类型，在fb.h中有如下的宏定义。
-
- #define FB_TYPE_PACKED_PIXELS 0 /* Packed Pixels 表示使用“Packed Pixels”格式的像素数据。在此格式中，像素按照紧密排列的方式存储，每个像素占用固定数量的位或字节。这是一种常见的视频和图形数据存储格式。*/
-
- #define FB_TYPE_PLANES 1 /* Non interleaved planes 表示使用“非交错平面”格式的像素数据。在此格式中，像素数据被分为多个独立的平面，每个平面存储一种颜色分量。这种像素排列方式在某些情况下可以提供更高的灵活性和图像质量。*/
-
- #define FB_TYPE_INTERLEAVED_PLANES 2 /* Interleaved planes 表示使用“交错平面”格式的像素数据。在此格式中，像素数据以交错方式存储在不同的平面中。这种像素排列方式可以提供更高的内存访问效率。*/
-
- #define FB_TYPE_TEXT 3 /* Text/attributes 表示使用“文本/属性”格式的像素数据。在此格式中，像素数据用于显示文本字符和相关属性（如前景色、背景色、样式等）。 */
-
- #define FB_TYPE_VGA_PLANES 4 /* EGA/VGA planes 表示使用“EGA/VGA平面”格式的像素数据。这种格式与 FB_TYPE_PLANES 类似，但特定于 VGA 图形适配器。 */
-
- #define FB_TYPE_FOURCC 5 /* Type identified by a V4L2 FOURCC 表示使用由 V4L2（Video for Linux 2）定义的 FOURCC（Four-Character Code）标识的像素数据类型。这种类型标识可以用于表示各种特定格式和压缩算法的像素数据。*/
- visual : 可视化模式或像素模式，在fb.h中有如下的宏定义
-
- #define FB_VISUAL_MONO01 0 /* Monochr. 1=Black 0=White 表示单色模式，像素值为0表示白色，像素值为1表示黑色。 */
-
- #define FB_VISUAL_MONO10 1 /* Monochr. 1=White 0=Black 表示单色模式，像素值为0表示黑色，像素值为1表示白色。 */
-
- #define FB_VISUAL_TRUECOLOR 2 /* True color 表示真彩色模式， 可以支持高分辨率图像显示。在此模式中，每个像素由红、绿、蓝三个颜色分量组成，可以使用更广泛的颜色范围，以呈现更真实的图像。*/
-
- #define FB_VISUAL_PSEUDOCOLOR 3 /* Pseudo color (like atari) 表示伪彩色模式，类似于Atari ST的显示模式。在此模式中，每个像素的颜色值是通过颜色映射表（调色板）查找来确定的，显卡上的颜色映射表支持有限的颜色范围。*/
-
- #define FB_VISUAL_DIRECTCOLOR 4 /* Direct color 表示直接彩色模式，像素的颜色将由红、绿、蓝三个颜色分量组成，但与真彩色不同，颜色分量的数量可能不同，且混合方式可能不同。此模式在显示彩色图像时提供了更高的位深度和精度。 */
-
- #define FB_VISUAL_STATIC_PSEUDOCOLOR 5 /* Pseudo color readonly 表示静态伪彩色模式，类似于伪彩色模式，但只读，即无法更改像素的颜色映射表。 */
-
- #define FB_VISUAL_FOURCC 6 /* Visual identified by a V4L2 FOURCC 表示被V4L2（Video for Linux 2）标识的特定像素格式。它允许使用V4L2 FOURCC（四字符码）来标识特定的像素编解码器和压缩算法，以支持多种图像格式。 */
struct fb_videomode结构体
（详见2.6.1）
fb_var_to_videomode()与 fb_videomode_to_var()函数
void fb_var_to_videomode(struct fb_videomode *mode,
const struct fb_var_screeninfo *var)
{
u32 pixclock, hfreq, htotal, vtotal;
mode->name = NULL;
mode->xres = var->xres;
mode->yres = var->yres;
mode->pixclock = var->pixclock;
mode->hsync_len = var->hsync_len;
mode->vsync_len = var->vsync_len;
mode->left_margin = var->left_margin;
mode->right_margin = var->right_margin;
mode->upper_margin = var->upper_margin;
mode->lower_margin = var->lower_margin;
mode->sync = var->sync;
mode->vmode = var->vmode & FB_VMODE_MASK;
mode->flag = FB_MODE_IS_FROM_VAR;
mode->refresh = 0;
if (!var->pixclock)
return;
pixclock = PICOS2KHZ(var->pixclock) * 1000;
htotal = var->xres + var->right_margin + var->hsync_len +
var->left_margin;
vtotal = var->yres + var->lower_margin + var->vsync_len +
var->upper_margin;
if (var->vmode & FB_VMODE_INTERLACED)
vtotal /= 2;
if (var->vmode & FB_VMODE_DOUBLE)
vtotal *= 2;
hfreq = pixclock/htotal;
mode->refresh = hfreq/vtotal;
}
void fb_videomode_to_var(struct fb_var_screeninfo *var,
const struct fb_videomode *mode)
{
var->xres = mode->xres;
var->yres = mode->yres;
var->xres_virtual = mode->xres;
var->yres_virtual = mode->yres;
var->xoffset = 0;
var->yoffset = 0;
var->pixclock = mode->pixclock;
var->left_margin = mode->left_margin;
var->right_margin = mode->right_margin;
var->upper_margin = mode->upper_margin;
var->lower_margin = mode->lower_margin;
var->hsync_len = mode->hsync_len;
var->vsync_len = mode->vsync_len;
var->sync = mode->sync;
var->vmode = mode->vmode & FB_VMODE_MASK;
}
struct fb_ops
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:
#include 宏 module_platform_driver
#include #include 实例：
module_platform_driver(s3c_fb_driver)
#define module_driver(__driver, __register, __unregister, ...) \
static int __init s3c_fb_driver_init(void) \
{ \
return platform_driver_register(&(s3c_fb_driver) , ##__VA_ARGS__); \
} \
module_init(s3c_fb_driver_init); \
static void __exit s3c_fb_driver_exit(void) \
{ \
platform_driver_unregister(&(s3c_fb_driver) , ##__VA_ARGS__); \
} \
module_exit(s3c_fb_driver_exit);
2.3.3 LCD驱动的结构与步骤
在FrameBuffer框架下，LCD驱动的编写也是程式化了。
\qquad 首先，LCD驱动是一个标准的platform平台总线驱动，因此其驱动的总体结构就确定下来了，而匹配模式可以采用的是多种匹配方式，本文采用的是设备树匹配。
\qquad 其次，其probe函数是最重要的初始化函数，其具本步骤如下：
- 1、分配一个fb_info
- 2、设置fb_info数据结构
-
- 2.1 设置 fix 固定的参数
-
- 2.2 设置 var 可变的参数
-
- 2.3 设置操作函数
-
- 2.4 其他的设置
- 3、 硬件相关的操作
-
- 3.1 配置GPIO用于LCD
-
- 3.2 根据LCD手册设置LCD控制器
-
- 3.3 分配显存(framebuffer), 并把地址告诉LCD控制器
- 4、注册
这里先给个初步的概念，关键是直接对照去阅读调试后的源码，里面已按上述步骤，又做了相对较细的注释。
3、驱动程序实例
//{% codeblock lang:c [lcd_drv.c] https://github.com/hceng/learn/blob/master/tiny4412/02_lcd_drv/lcd_drv.c %}
#include \qquad 以上内容。细节很多，特别是在probe函数中的寄存器赋值部份还有相当多的细节，但在这里是讲述驱动框架的，因此另开一篇来讲解exynos4412的LCD控制器的寄存器操作。
4、测试LCD显示的应用程序
#include 写在结尾
\qquad 本篇与上一篇是linux下的LCD驱动框架-FrameBuffer框架的完整笔记，框架本身是简单的，但由于涉及到大量LCD的显示原理，LCD控制器的配置，寄存器的配置，时序的分辨等。而这些又与大量的数据结构相对应。在理清上述内容后，又需要在开发板上进行验证，因此这两篇实际写了一个多月。
\qquad 内容又多又杂，难免有诸多遗漏与不足，因此，在以后如有发现缺漏，我将会随时进行修改。
参考
https://blog.csdn.net/qq_28992301/article/details/52727050
https://www.cnblogs.com/armlinux/archive/2011/01/14/2396864.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/598132318
http://www.51hei.com/bbs/dpj-43162-1.html
https://www.ngui.cc/zz/1632478.html?action=onClick