s3c2410 linux LCD驱动程序分析
//*******************************************************
//* 2007.6.18
//*******************************************************
在/kernel/include/asm-arm/arch-s3c2410/bitfield.h 文件中：
#ifndef __ASSEMBLY__
#define UData(Data) ((unsigned long) (Data))
#else
#define UData(Data) (Data)
#endif
例：UData(5); = 5
/*
* MACRO: Fld
*
* Purpose
* The macro "Fld" encodes a bit field, given its size and its shift value
* with respect to bit 0.
*
* Note
* A more intuitive way to encode bit fields would have been to use their
* mask. However, extracting size and shift value information from a bit
* field\'s mask is cumbersome and might break the assembler (255-character
* line-size limit).
*
* Input
* Size Size of the bit field, in number of bits.
* Shft Shift value of the bit field with respect to bit 0.
*
* Output
* Fld Encoded bit field.
*/
#define Fld(Size, Shft) (((Size) << 16) (Shft))
例：Fld(2,5); = 0x20005
/*
* MACROS: FSize, FShft, FMsk, FAlnMsk, F1stBit
*
* Purpose
* The macros "FSize", "FShft", "FMsk", "FAlnMsk", and "F1stBit" return
* the size, shift value, mask, aligned mask, and first bit of a
* bit field.
*
* Input
* Field Encoded bit field (using the macro "Fld").
*
* Output
* FSize Size of the bit field, in number of bits.
* FShft Shift value of the bit field with respect to bit 0.
* FMsk Mask for the bit field.
* FAlnMsk Mask for the bit field, aligned on bit 0.
* F1stBit First bit of the bit field.
*/
#define FSize(Field) ((Field) >> 16)
例：FSize(0x20005); = 2
#define FShft(Field) ((Field) & 0x0000FFFF)
例：FShft(0x20005); = 5
/*
* MACRO: FInsrt
*
* Purpose
* The macro "FInsrt" inserts a value into a bit field by shifting the
* former appropriately.
*
* Input
* Value Bit-field value.
* Field Encoded bit field (using the macro "Fld").
*
* Output
* FInsrt Bit-field value positioned appropriately.
*/
#define FInsrt(Value, Field) \\
(UData (Value) << FShft (Field))
例：FInsrt(0x3, 0x20005); = 0x3 << 0x0005 = 0x60
------------------------------------------------------------------------
在/kernel/include/asm-arm/arch-s3c2410/hardware.h 文件中：
/*
* S3C2410 internal I/O mappings
*
* We have the following mapping:
* phys virt
* 48000000 e8000000
*/
#define VIO_BASE 0xe8000000 /* virtual start of IO space */
#define PIO_START 0x48000000 /* physical start of IO space */
#define io_p2v(x) ((x) | 0xa0000000)
#define io_v2p(x) ((x) & ~0xa0000000)
# define __REG(x) io_p2v(x)
# define __PREG(x) io_v2p(x)
这里，在实际的寄存器操作中，都用__REG(x) 宏将物理地址转换为了虚拟地址，然后再对这些虚拟地址进行读写操作。
------------------------------------------------------------------------
当应用程序对设备文件进行ioctl操作时候会调用它们。对于fb_get_fix()，应用程序传入的是fb_fix_screeninfo结构，在函数中对其成员变量赋值，主要是smem_start（缓冲区起始地址）和smem_len（缓冲区长度），最终返回给应用程序。
在/kernel/drivers/video/s3c2410fb.c 文件中的s3c2410fb_map_video_memory 函数中：
fbi->fb.fix.smem_len = fbi->max_xres * fbi->max_yres *
fbi->max_bpp / 8;
fbi->map_size = PAGE_ALIGN(fbi->fb.fix.smem_len PAGE_SIZE);
fbi->map_cpu = consistent_alloc(GFP_KERNEL, fbi->map_size,
&fbi->map_dma);
if (fbi->map_cpu)
{
fbi->screen_cpu = fbi->map_cpu PAGE_SIZE;
fbi->screen_dma = fbi->map_dma PAGE_SIZE;
fbi->fb.fix.smem_start = fbi->screen_dma;
}
在/kernel/include/asm-arm/proc-armo/page.h 文件中：
/* PAGE_SHIFT determines the page size. This is configurable. */
#if defined(CONFIG_PAGESIZE_16)
#define PAGE_SHIFT 14 /* 16K */
#else /* default */
#define PAGE_SHIFT 15 /* 32K */
#endif
在/kernel/include/asm-arm/page.h 文件中：
#define PAGE_SIZE (1UL << PAGE_SHIFT)
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))
/* to align the pointer to the (next) page boundary */
#define PAGE_ALIGN(addr) (((addr) PAGE_SIZE-1)&PAGE_MASK)
在/kernel/arch/arm/mm/consistent.c 文件中：
/*
* This allocates one page of cache-coherent memory space and returns
* both the virtual and a "dma" address to that space. It is not clear
* whether this could be called from an interrupt context or not. For
* now, we expressly forbid it, especially as some of the stuff we do
* here is not interrupt context safe.
*
* Note that this does *not* zero the allocated area!
*/
void *consistent_alloc(int gfp, size_t size, dma_addr_t *dma_handle)
这里首先计算出需要视频缓冲区的大小（LCD屏的宽度 * LCD屏的高度 * 每像素的位数 / 每字节的位数）
fbi->fb.fix.smem_len = 240*320*16/8 = 0x25800 =150K（9.375个PAGE）
PAGE_SHIFT = 14
PAGE_SIZE = 1<<14 = 0x4000 = 16K （1个PAGE）
PAGE_MASK = 0xFFFFC000
fbi->map_size = PAGE_ALIGN(fbi->fb.fix.smem_len PAGE_SIZE) = PAGE_ALIGN(150K 16K) = PAGE_ALIGN(166K)
= (166K 16K - 1) & 0xFFFFC000 = 0x2D7FF & 0xFFFFC000 = 0x2C000 =176K
consistent_alloc(GFP_KERNEL, 176K, &fbi->map_dma);
最后得到：
framebuffer（物理地址）
|---------------|
| ... |
-------|---------------| <-- fbi->map_dma
| 16K |
分配了|---------------| <-- fbi->screen_dma = fbi->fb.fix.smem_start
176K| |
共11个| | 160K = 10个PAGE
PAGE | 160K | 可以容下所需的150K 视频缓冲区大小
(16K) | |
| |
-------|---------------|-------
| ... |
|---------------|
-- 作者：asan-xu
-- 发布时间：2007-10-11 8:49:10
--
//*******************************************************
//* 2007.6.19
//*******************************************************
在/kernel/drivers/video/s3c2410fb.c 文件中的s3c2410fb_activate_var 函数中：
unsigned long VideoPhysicalTemp = fbi->screen_dma;
这里已经得到了framebuffer 在内存中的起始地址为VideoPhysicalTemp，地址数据位为A[30:0]。
new_regs.lcdcon1 = fbi->reg.lcdcon1 & ~LCD1_ENVID;
new_regs.lcdcon2 = (fbi->reg.lcdcon2 & ~LCD2_LINEVAL_MSK)
| LCD2_LINEVAL(var->yres - 1);
/* TFT LCD only ! */
new_regs.lcdcon3 = (fbi->reg.lcdcon3 & ~LCD3_HOZVAL_MSK)
| LCD3_HOZVAL(var->xres - 1);
new_regs.lcdcon4 = fbi->reg.lcdcon4;
new_regs.lcdcon5 = fbi->reg.lcdcon5;
LCDCON1 首先需要禁止视频输出才能进行寄存器的设置，然后对LCDCON2，LCDCON3 进行设置，主要是增加LINEVAL 和HOZVAL 这两个显示尺寸的参数。LCDCON4，LCDCON5 按原来配置设置。
LCDBANK[29:21] 为系统内存中视频缓冲区在系统存储器内的段地址的A[30:22]
LCDBASEU[20:0] 为LCD framebuffer 的起始地址的A[21:1]
LCDBASEL[20:0] 为LCD framebuffer 的结束地址的A[21:1]
OFFSIZE[21:11] 为某一行的第一个半字与前一行最后一个半字之间的距离（单位：半字数，即2个字节）
PAGEWIDTH[10:0] 为显示存储区的可见帧宽度（单位：半字数，即2个字节）
new_regs.lcdsaddr1 =
LCDADDR_BANK(((unsigned long)VideoPhysicalTemp >> 22))
| LCDADDR_BASEU(((unsigned long)VideoPhysicalTemp >> 1));
new_regs.lcdsaddr2 = LCDADDR_BASEL(
((unsigned long)VideoPhysicalTemp (var->xres * 2 * (var>yres))) >> 1);
这里LCDADDR_BASEL 的计算方法为用framebuffer 在内存中的起始地址VideoPhysicalTemp，加上framebuffer 的大小（LCD屏的宽度 * LCD屏的高度 * 每像素的位数 / 每字节的位数），得到framebuffer 在内存中的结束地址，然后右移1位。
new_regs.lcdsaddr3 = LCDADDR_OFFSET(0) | (LCDADDR_PAGE(var->xres));
这里PAGEWIDTH 的计算方法为：LCD屏的宽度*每像素的位数/16位 （半字）。
问题：以上这些操作是否已经对DMA 控制器进行了设置？
我认为这里将framebuffer 在内存中的起始地址为VideoPhysicalTemp 变换后载入LCDADDR1，LCDADDR2，LCDADDR3 中就已经完成了对LCDCDMA 控制器的源数据的基地址设置，当打开LCDCON1 |= LCD1_ENVID; 后就可以由LCDCDMA 控制器自动从framebuffer 中传数据到LCD 屏幕了。
------------------------------------------------------------------------
在/kernel/drivers/video/s3c2410fb.c 文件中的xxx_stn_info 结构体初始化中：
lcdcon5 : LCD5_FRM565 | LCD5_INVVLINE | LCD5_INVVFRAME | LCD5_HWSWP | LCD5_PWREN,
INVVCLK ， INVLINE ， INVFRAME ， INVVD ：通过前面的时序图，我们知道，CPU的LCD控制器输出的时序默认是正脉冲，而LCD需要VSYNC（VFRAME）、VLINE（HSYNC）均为负脉冲，因此 INVLINE 和 INVFRAME 必须设为“1 ”，即选择反相输出。 INVVDEN ， INVPWREN ， INVLEND 的功能同前面的类似。
PWREN 为LCD电源使能控制。在CPU LCD控制器的输出信号中，有一个电源使能管脚LCD_PWREN，用来做为LCD屏电源的开关信号。
其中LCD5_HWSWP 一项，设置了LCD从内存中显示数据时，经过了半字交换。
16BPP Display
(BSWP = 0, HWSWP = 0)
D[31:16] D[15:0]
000H P1 P2
004H P3 P4
008H P5 P6
...
(BSWP = 0, HWSWP = 1)
D[31:16] D[15:0]
000H P2 P1
004H P4 P3
008H P6 P5
...
像素显示顺序如下：
P1 P2 P3 P4 P5 ...
例如：内存地址的数据为：0x11223344 （32位）
系统存储器采用Big-Endian（大端模式）存储格式，地址数据格式如下：
D[31:16] D[15:0]
00 01 02 03
00H 0x11 0x22 0x33 0x44
(0x1122) (0x3344)
04H ...
08H ...
则首先显示0x3344 的数据到第一个像素，然后再显示0x1122 到第二个像素。
系统存储器采用Little-Endian（小端模式）存储格式，地址数据格式如下：
D[31:16] D[15:0]
03 02 01 00
00H 0x11 0x22 0x33 0x44
(0x1122) (0x3344)
04H ...
08H ...
则首先显示0x3344 的数据到第一个像素，然后再显示0x1122 到第二个像素。
-- 作者：asan-xu
-- 发布时间：2007-10-11 8:49:58
--
//*******************************************************
//* 2007.6.20
//*******************************************************
在/kernel/arch/arm/mm/consistent.c 文件中的consistent_alloc 函数中：
void *consistent_alloc(int gfp, size_t size, dma_addr_t *dma_handle)
{
...
virt = page_address(page);
*dma_handle = virt_to_bus(virt);
ret = __ioremap(virt_to_phys(virt), size, 0);
...
}
这里调用该函数来分配一段内存空间有两个返回值，一个返回值返回给了ret 指针，另一个返回值返回给了dma_handle 指针。virt_to_bus 和virt_to_phys 函数的调用可以参考下面的分析。经过分析这两个函数作用一样，都是将virt 这个虚拟地址转换为物理地址。所以返回给指针dma_handle 的是所分配内存的起始地址（物理地址）。__ioremap 函数的调用也可以参考下面的说明，该函数也返回所分配内存的起始地址（虚拟地址），不过是经过I/O 内存映射的，把物理地址转换为了虚拟地址。
这样一来就很清楚了，返回的framebuffer 的物理地址给了指针dma_handle，也就是fbi->map_dma，到fbi->screen_dma，再到fbi->fb.fix.smem_start，最后到了指针VideoPhysicalTemp，这样写入到LCDADDR1，LCDADDR2 寄存器中的framebuffer 的地址其实都是物理地址。而返回的framebuffer 的虚拟地址给了指针ret，也就是fbi->map_cpu，到fbi->screen_cpu，最后到了display->screen_base（见/kernel/drivers/video/s3c2410fb.c 文件中的s3c2410fb_set_var 函数）。
------------------------------------------------------------------------
在/kernel/drivers/video/fbmem.c 文件中:
/**
* register_framebuffer - registers a frame buffer device
* @fb_info: frame buffer info structure
*
* Registers a frame buffer device @fb_info.
*
* Returns negative errno on error, or zero for success.
*
*/
int
register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
/**
* unregister_framebuffer - releases a frame buffer device
* @fb_info: frame buffer info structure
*
* Unregisters a frame buffer device @fb_info.
*
* Returns negative errno on error, or zero for success.
*
*/
int
unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
static int
fb_open(struct inode *inode, struct file *file)
static int
fb_release(struct inode *inode, struct file *file)
static ssize_t
fb_read(struct file *file, char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
static ssize_t
fb_write(struct file *file, const char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
static int
fb_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,
unsigned long arg)
static int
fb_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct * vma)
在该文件中包含了所有驱动LCD 的函数.在fb_read 和fb_write 这两个函数中,都对framebuffer 进行了操作.
fb_read 函数中:
char *base_addr;
base_addr = info->disp->screen_base;
count -= copy_to_user(buf, base_addr+p, count);
fb_write 函数中:
char *base_addr;
base_addr = info->disp->screen_base;
count -= copy_from_user(base_addr+p, buf, count);
所读写的framebuffer 的基地址就是disp->screen_base,也就是fbi->screen_cpu 所指的framebuffer 的虚拟地址.
从而得到:
framebuffer(虚拟地址)
|---------------|
| ... |
-------|---------------| map_cpu
| 16K |
分配了 |---------------| screen_cpu = display->screen_base
176K | |
共11个 | | 160K = 10个PAGE
PAGE | 160K | 可以容下所需的150K 视频缓冲区大小
(16K) | |
| |
-------|---------------|-------
| ... |
|---------------|
其中display->screen_base 结构在/kernel/include/video/fbcon.h 文件中定义.
得出结论,在分配framebuffer 时一共返回两个指针,虽然是同一块内存空间,但一个返回的是实际的物理地址,另一个返回的是经过地址转换的虚拟地址.在设置LCD 控制器中framebuffer 起始地址寄存器时,用的是所分配内存的物理地址;而当要对framebuffer 进行读写操作时,用的是同一块内存的物理地址所转换后的虚拟地址.由此可以知道,内核在对每个I/O 地址进行读写操作时用的都是经过转换的虚拟地址.
------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------
在/kernel/include/asm-arm/arch-s3c2410/memory.h 文件中:
/*
* Page offset: 3GB
*/
#define PAGE_OFFSET (0xc0000000UL)
#define PHYS_OFFSET (0x30000000UL)
/*
* We take advantage of the fact that physical and virtual address can be the
* saem. Thu NUMA code is handling the large holes that might exist between
* all memory banks.
*/
#define __virt_to_phys__is_a_macro
#define __phys_to_virt__is_a_macro
#define __virt_to_phys(x) ((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)
#define __phys_to_virt(x) ((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)
由此可见: 起始点地址 PHYS_OFFSET PAGE_OFFSET
| |
|--0x30000000--|------间隔------|
PHYS_OFFSET(物理地址起始点): |--------------|...........................
|
|-----------0xc0000000----------|
PAGE_OFFSET(虚拟地址起始点): |-------------------------------|..........
物理地址与虚拟地址的间隔为:PAGE_OFFSET - PHYS_OFFSET.这样一来,以上对物理地址和虚拟地址之间转换的宏定义就很好理解了.
虚拟地址转为物理地址宏:__virt_to_phys(x)
= (x) - (PAGE_OFFSET - PHYS_OFFSET) = (x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET
物理地址转为虚拟地址宏:__phys_to_virt(x)
= (x) + (PAGE_OFFSET - PHYS_OFFSET) = (x) + PAGE_OFFSET - PHYS_OFFSET
内核虚拟地址和实际物理地址仅仅是相差一个偏移量(PAGE_OFFSET),可以很方便的将其转化为物理内存地址,同时内核也提供了virt_to_phys() 函数将内核虚拟空间中的物理影射区地址转化为物理地址.
/*
* Virtual view DMA view memory address translations
* virt_to_bus: Used to translate the virtual address to an
* address suitable to be passed to set_dma_addr
* bus_to_virt: Used to convert an address for DMA operations
* to an address that the kernel can use.
*/
#define __virt_to_bus__is_a_macro
#define __bus_to_virt__is_a_macro
#define __virt_to_bus(x) __virt_to_phys(x)
#define __bus_to_virt(x) __phys_to_virt(x)
这里注意:__virt_to_bus(x) 就等于__virt_to_phys(x)
------------------------------------------------------------------------
在/kernel/include/asm-arm/memory.h 文件中:
/*
* These are *only* valid on the kernel direct mapped RAM memory.
*/
static inline unsigned long virt_to_phys(volatile void *x)
{
return __virt_to_phys((unsigned long)(x));
}
/*
* Virtual DMA view memory address translations
* Again, these are *only* valid on the kernel direct mapped RAM
* memory.
*/
#define virt_to_bus(x) (__virt_to_bus((unsigned long)(x)))
由上面的分析可知:virt_to_bus(x) 和virt_to_phys(volatile void *x) 这两个函数调用的都是__virt_to_phys(x) 即((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET).所以这两个调用都是将虚拟地址转换为了物理地址.
------------------------------------------------------------------------
在/kernel/arch/arm/mm/ioremap.c 文件中:
/*
* Remap an arbitrary physical address space into the kernel virtual
* address space. Needed when the kernel wants to access high addresses
* directly.
*
* NOTE! We need to allow non-page-aligned mappings too: we will obviously
* have to convert them into an offset in a page-aligned mapping, but the
* caller shouldn't need to know that small detail.
*
* 'flags' are the extra L_PTE_ flags that you want to specify for this
* mapping. See include/asm-arm/proc-armv/pgtable.h for more information.
*/
void * __ioremap(unsigned long phys_addr, size_t size, unsigned long flags)
ioremap 函数的作用是将physical address以及bus address映射为kernel的
virtual adrress.
ioremap 的作用是把I/O 内存地址(物理地址)映射到虚拟地址空间,使用之前需要分配I/O 内存区域.但是,ioremap 函数的内部实现并不是简单的((IO的物理地址)-0x10000000 +0xE4000000).所以,得到的虚拟地址可能是不同的.
因为linux 用的是页面映射机制,CPU 不能按物理地址来访问存储空间,而必须使用虚拟地址,所以必须反向的从物理地址出发找到一片虚存空间并建立起映射.
//*******************************************************
//* 2007.6.22
//*******************************************************
在/kernel/drivers/video/fbmem.c 文件中:
static struct file_operations fb_fops = {
owner: THIS_MODULE,
read: fb_read,
write: fb_write,
ioctl: fb_ioctl,
mmap: fb_mmap,
open: fb_open,
release: fb_release,
#ifdef HAVE_ARCH_FB_UNMAPPED_AREA
get_unmapped_area: get_fb_unmapped_area,
#endif
};
这个结构中定义了对LCD 所分配的framebuffer 进行读写操作,以及一些内存映射之类的函数,这些源函数都在该文件中.
/**
* register_framebuffer - registers a frame buffer device
* @fb_info: frame buffer info structure
*
* Registers a frame buffer device @fb_info.
*
* Returns negative errno on error, or zero for success.
*
*/
int
register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
这个是对LCD 的framebuffer 设备进行注册时调用到的注册函数,该函数在/kernel/drivers/video/s3c2410fb.c 文件的s3c2410fb_init 函数里的最后部分被调用.
fb_info->devfs_handle =
devfs_register (devfs_handle, name_buf, DEVFS_FL_DEFAULT,
FB_MAJOR, i, S_IFCHR | S_IRUGO | S_IWUGO,
&fb_fops, NULL);
在注册函数的最后部分,将前面的fb_fops 结构里的各个驱动函数的入口点传入到devfs_register()设备注册函数中.
//*******************************************************
//* 2007.6.26
//*******************************************************
上面这个devfs_register 函数(原型在/kernel/fs/devfs/base.c 文件中)执行前,在fbmem_init 函数中调用了函数:
devfs_handle = devfs_mk_dir (NULL, "fb", NULL);
在/kernel/fs/devfs/base.c 文件中:
/**
* devfs_mk_dir - Create a directory in the devfs namespace.
* @dir: The handle to the parent devfs directory entry. If this is %NULL the
* new name is relative to the root of the devfs.
* @name: The name of the entry.
* @info: An arbitrary pointer which will be associated with the entry.
*
* Use of this function is optional. The devfs_register() function
* will automatically create intermediate directories as needed. This function
* is provided for efficiency reasons, as it provides a handle to a directory.
* Returns a handle which may later be used in a call to devfs_unregister().
* On failure %NULL is returned.
*/
devfs_handle_t devfs_mk_dir (devfs_handle_t dir, const char *name, void *info)
这个devfs_mk_dir 函数会在设备文件系统中创建一个名为fb 的目录,并返回一个带有devfs 设备文件系统目录结构的数据结构变量devfs_handle.然后把这个数据结构作为下一步调用devfs_register 函数时的参数,该参数在调用设备文件系统注册清除函数devfs_unregister 时也要作为参数传入.
/**
* devfs_register - Register a device entry.
* @dir: The handle to the parent devfs directory entry. If this is %NULL the
* new name is relative to the root of the devfs.
* @name: The name of the entry.
* @flags: A set of bitwise-ORed flags (DEVFS_FL_*).
* @major: The major number. Not needed for regular files.
* @minor: The minor number. Not needed for regular files.
* @mode: The default file mode.
* @ops: The &file_operations or &block_device_operations structure.
* This must not be externally deallocated.
* @info: An arbitrary pointer which will be written to the @private_data
* field of the &file structure passed to the device driver. You can set
* this to whatever you like, and change it once the file is opened (the next
* file opened will not see this change).
*
* Returns a handle which may later be used in a call to devfs_unregister().
* On failure %NULL is returned.
*/
devfs_handle_t devfs_register (devfs_handle_t dir, const char *name,
unsigned int flags,
unsigned int major, unsigned int minor,
umode_t mode, void *ops, void *info)
函数devfs_register 是设备文件系统的主册函数,会在刚才创建的目录下再创建一个名为name 的设备文件节点.返回的devfs_handle_t 数据结构变量会在调用设备文件系统注册清除函数devfs_unregister 时作为参数传入.
fb_info->devfs_handle =
devfs_register (devfs_handle, name_buf, DEVFS_FL_DEFAULT,
FB_MAJOR, i, S_IFCHR | S_IRUGO | S_IWUGO,
&fb_fops, NULL);
调用该函数后,会在刚才创建的fb 目录下再创建一个名为0 (name_buf)的设备文件节点,并赋予相应的权限,以及主次设备号和file_operations 结构的函数入口.
这样一来,Linux 设备文件的创建,删除和目录层次等都由各设备驱动程序管理,再也不用手工创建设备文件节点了,再也不需要mknod 时查找对应的主设备号了,也不用依靠复杂的脚本来管理设备文件了.