怎样写 Linux LCD 驱动程序

作者: 刘鹏

日期: 2008-12-27

本文分析了frame buffer 设备驱动的主要数据结构，在此基础上介绍了LCD驱动程序的开发。

基本原理

通过 framebuffer ，应用程序用 mmap 把显存映射到应用程序虚拟地址空间，将要显示的数据写入这个内存空间就可以在屏幕上显示出来；
驱动程序分配系统内存作为显存；实现 file_operations 结构中的接口，为应用程序服务；实现 fb_ops 结构中的接口，控制和操作 LDC 控制器；
驱动程序将显存的起始地址和长度传给 LCD 控制器的寄存器 (一般由 fb_set_var 完成) ， LDC 控制器会自动的将显存中的数据显示在 LCD 屏上。

写 framebuffer 驱动程序要做什么

简单的讲，framebuffer 驱动的功能就是分配一块内存作显存，然后对 LCD 控制器的寄存器作一些设置。
具体来说：
1. 填充一个 fbinfo 结构
2. 用 reigster_framebuffer (fbinfo*) 将 fbinfo 结构注册到内核
对于 fbinfo 结构，最主要的是它的 fs_ops 成员，需要针对具体设备实现 fs_ops 中的接口
考虑是否使用中断处理
考虑内存访问方式
1. 显卡不自带显存的，分配系统内存作为显存
2. 显卡自带显存的，用 I/O 内存接口进行访问 (request_mem_region / ioremap)，
关于如何写驱动的参考资料，在网站 http: /linux-fbdev.sourceforge.net/HOWTO/index.html 可以找到 "Linux Frame buffer Driver Writing HOWTO"

LCD 模块 \ 驱动程序 \ 控制器

关于LCD 设备资料可参考如下资料：

Datasheet of LCD device
书：液晶显示技术
书：液晶显示器件

什么是 frame buffer 设备

frame buffer 设备是图形硬件的抽象，它代表了图形硬件的侦缓冲区，允许应用程序通过指定的接口访问图形硬件。因此，应用程序不必关心底层硬件细节。

设备通过特定的设备节点访问，通常在 /dev 目录下，如 /dev/fb*。

更多关于 frame buffer device 的资料可以在以下两个文件中找到： linux /Documentation/fb/framebuffer.txt 和 linux /Documentation/fb /interal.txt，但这些资料内容不多，还需要看看结合代码具体分析。

Linux Frame Buffer 驱动程序层次结构

Frame Buffer 设备驱动可以从三个层次来看：

应用程序与系统调用；
适用于所有设备的通用代码，避免重复，包括 file_operations 结构、register/unregister framebuffer 接口等；
操作具体硬件的代码，主要是 fs_ops 结构。

在 Linux 内核中，Frame Buffer 设备驱动的源码主要在以下两个文件中，它们处于 frame buffer 驱动体系结构的中间层，它为上层的用户程序提供系统调用，也为底层特定硬件驱动提供了接口:

linux/inlcude/fb.h
linux/drivers/video/fbmem.c

数据结构

头文件 fb.h 定义了所有的数据结构：

fb_var_screeninfo：描述了一种显卡显示模式的所有信息，如宽、高、颜色深度等，不同的显示模式对应不同的信息；
fb_fix_screeninfo：定义了显卡信息，如 framebuffer 内存的起始地址，地址长度等；
fb_cmap：设备独立的 colormap 信息，可以通过 ioctl 的 FBIOGETCMAP 和 FBIOPUTCMAP 命令设置 colormap；
fb_info：包含当前 video card 的状态信息，只有 fb_info 对内核可见；
fb_ops ：应用程序使用 ioctl 系统调用操作底层的 LCD 硬件，fb_ops 结构中定义的方法用于支持这些操作；
这些结构相互之间的关系如下所示：

framebuffer 驱动主要数据结构

接口

fbmem.c 实现了所有驱动使用的通用代码，避免了重复。

全局变量：

     struct fb_info *registered_fb [FB_MAX]
     int num_registered_fb;

这个两个变量用于记录正在使用的 fb_info 结构实例。fb_info 代表 video card 的当前状态，所有的 fb_info 结构都放在数组中。当一个 frame buffer 在内核中登记时，一个新的 fb_info 结构被加入该数组，num_registered_fb 加 1。

fb_drivers 数组：

static struct {
    const char *name;
    int (*init)(void);
    int (*setup)(void);
} fb_drivers[] __initdata= { ....};

若 frame buffer 驱动程序是静态链接到内核中，一个新的 entry 必须要加到这个表中。若该驱动程序是使用 insmod/rmmod 动态加载到内核，则不必关心这个结构。

static struct file_operations fb_ops ={
    owner: THIS_MODULE,
    read: fb_read,
    write: fb_write,
    ioctl: fb_ioctl,
    mmap: fb_mmap,
    open: fb_open,
    release: fb_release
};

这是用户应用程序的接口，fbmem.c 实现了这些函数。

 register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
 unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info)

这是底层 frame buffer 设备驱动程序的接口。驱动程序使用这对函数实现注册和撤销操作。底层驱动程序的工作基本上是填充 fb_info 结构，然后注册它。

一个 LCD controller 驱动程序

实现一个 LCD controller 驱动程序主要做如下两步：

分配系统内存作显存
根据具体的硬件特性，实现 fb_ops 的接口
在 linux/drivers/fb/skeletonfb.c 中有一个 frame buffer 驱动程序的框架，它示例了怎样用很少的代码实现一个 frame buffer 驱动程序。

分配系统内存作为显存

由于大多数 LDC controller 没有自己的显存，需要分配一块系统内存作为显存。这块系统内存的起始地址和长度之后会被存放在 fb_fix_screeninfo 的 smem_start 和 smem_len 域中。该内存应该是物理上连续的。

对于带独立显存的显卡，使用 request_mem_region 和 ioremap 将显卡外设内存映射到处理器虚拟地址空间。

实现 fb_ops 结构

目前还没有讨论的 file_operations 方法是 ioctl ()。用户应用程序使用 ioctrl 系统调用操作 LCD 硬件。fb_ops 结构中定义的方法为这些操作提供支持。注意， fb_ops 结构不是 file_operations 结构。fb_ops 是底层操作的抽象，而 file_operations 为上层系统调用接口提供支持。

下面考虑需要实现哪些方法。ioctl 命令和 fb_ops 结构中的接口之间的关系如下所示：

    FBIOGET_VSCREENINFO fb_get_var
    FBIOPUT_VSCREENINFO fb_set_var
    FBIOGET_FSCREENINFO fb_get_fix
    FBIOPUTCMAP fb_set_cmap
    FBIOGETCMAP fb_get_cmap
    FBIOPAN_DISPLAY fb_pan_display

只要我们实现了那些 fb_XXX 函数，那么用户应用程序就可以使用 FBIOXXXX 宏来操作 LDC 硬件了。那怎么实现那些接口呢？可以参考下 linux/drivers/video 目录下的驱动程序。

在众多接口中， fb_set_var 是最重要的。它用于设置 video mode 等信息。下面是实现 fb_set_var 函数的通用步骤：

检查是否有必要设置 mode
设置 mode
设置 colormap
根据上面的设置重新配置 LCD controller 寄存器

其中第四步是底层硬件操作。