帧缓冲设备驱动的基本原理和框架

davymin

长期以来，常见的掌上电脑(PDA)等小型手持式设备上，由于硬件条件的限制，我们看到的显示器件通常是单色LCD，用户界面也非常简单，几乎看不到PC机上美观整齐的图形界面(GUI)支持。因为早期嵌入式处理器的速度有限，在处理图形和多媒体数据方面显得力不从心。
随着高性能嵌入式处理器的普及和硬件成本的不断降低，尤其是ARM系列处理器的推出，嵌入式系统的功能也越来越强。在多媒体应用的推动下，彩色LCD也越来越多地应用到了嵌入式系统中，如新一代掌上电脑(PDA)多采用TFT显示器件，支持彩色图形界面，图片显示和视频媒体播放。掌上电脑(PDA)的操作系统有微软Window CE，PalmOS等。而Linux做为开放源代码的操作系统也在市场中占据了一席之地。由于Linux成本低廉，任何人都可以得到其源代码并在其基础上进行开发，成为各家厂商极力发展的操作系统，加上其核心小，潜力可观。
  在应用需求的推动下，Linux下也出现了许多图形界面软件包，如MiniGUI、Trolletech公司的Embedded QT等，其图形界面及开发工具与Windows CE不相上下。在图形软件包的开发和移植工作中都牵涉到底层LCD的驱动问题。笔者参与了一个很有代表性的项目，是基于ARM9的PDA系统的开发，用的是Motorola公司龙珠系列的MC9328MX1。软件采用Linux 2.4.18平台，编译器为gcc的ARM交叉编译器。在移植QT的过程中牵涉到了底层驱动的开发，本文就对相关问题作一探讨。
  
  硬件平台
  MC9328MX1(以下简称MX1)是Motorola公司基于ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式应用。内部采用ARM920T内核，并集成了SDRAM/Flash，LCD，USB，蓝牙，多媒体闪存卡(MMC/SD, Memory Stick)，CMOS摄像头等控制器。
  LCD控制器的功能是产生显示驱动信号，驱动LCD显示器。用户只需要通过读写一系列的寄存器，完成配制和显示控制。MX1中的LCD控制器可支持单色/彩色LCD显示器。支持彩色TFT时，可提供4/8/12/16位颜色模式，其中16位颜色模式下可以显示64k种颜色。配置LCD控制器重要的一步是指定显示缓冲区，显示的内容就是从缓冲区中读出的，其大小由屏幕分辨率和显示颜色数决定。在本例中，笔者采用的是夏普LQ035Q2DD54 TFT 显示模块，在240×320分辨率下可提供16位彩色显示。
  
  Linux下的设备驱动
  Linux将设备分为最基本的两大类，字符设备和块设备。字符设备是以单个字节为单位进行顺序读写操作，通常不使用缓冲技术，如鼠标等，驱动程序实现比较简单；而块设备则是以固定大小的数据块进行存储和读写的，如硬盘，软盘等。为提高效率，系统对于块设备的读写提供了缓存机制，由于涉及缓冲区管理，调度，同步等问题，实现起来比字符设备复杂得多。
  Linux的设备管理是和文件系统解密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件。应用程序可以打开，关闭，读写这些设备文件，完成对设备的操作，就象操作普通的数据文件一样。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备，而次设备号用来区分同一类型的多个设备。对于常用设备，Linux有约定俗成的编号，如硬盘主设备号是3。
  Unix / Linux的特点之一，是为所有的文件，包括设备文件，提供了统一的操作函数接口，定义如下：
  struct file_operations {
  struct module *owner;
  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
  ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
  ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
  int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
  unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
  int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
  int (*open) (struct inode *, struct file *);
  int (*flush) (struct file *);
  int (*release) (struct inode *, struct file *);
  int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
  int (*fasync) (int, struct file *, int);
  int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
  ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
  ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
  ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
  unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
  };
  结构体中的成员为一系列的接口函数，如用于读/写的read/ write函数，用于控制的ioctl等。打开一个文件就是调用这个文件file_operations中的open操作。不同类型的文件有不同的file_operations成员函数。如普通的磁盘数据文件，接口函数完成磁盘数据块读写操作；而对于各种设备文件，则最终调用各自驱动程序中的I/O函数进行具体设备的操作。这样，应用程序根本不用考虑操作的是设备还是普通文件，可一律当作文件处理，具有非常清晰统一的I/O接口。所以file_operations是文件层次的I/O接口。
  但是，由于外设的种类繁多，操作方式也各不相同。如声音设备驱动要使用DMA通道，显示设备驱动要提供对显存的操作，硬盘驱动要处理复杂的缓冲区结构，网络设备驱动和socket联系紧密。如果file_operations中的函数都让驱动程序的开发人员来写，则就要处理大量的细节，几乎是不可能的。为了解决设备多样性的问题，Linux采用了特殊情况特殊处理的办法，为不同设备定义好了文件层次file_operations结构中的接口函数，其中处理了大多数设备相关的操作，如各种缓冲区的申请和释放等等，而具体操作底层硬件的一小部分则留给开发人员。所以Linux另外提供一个文件层到底层驱动程序的接口，通常为一个结构体，其中包含成员变量和函数指针。不同的设备驱动有不同的结构体。这样，一方面保证了文件层I/O接口file_operations的一致性，另一方面驱动程序的开发人员也不用了解太多细节，只专注于硬件相关的I/O操作就可以了。例如，一个有代表性的特殊设备是声音设备，其文件层的file_operations定义如下：
  struct file_operations oss_sound_fops = {
  owner: THIS_MODULE,
  llseek: sound_lseek,
  read: sound_read,
  write: sound_write,
  poll: sound_poll,
  ioctl: sound_ioctl,
  mmap: sound_mmap,
  open: sound_open,
  release: sound_release,
  };
  其中的sound_read，sound_write等函数Linux都已提供，处理了与声音设备相关的许多细节，如DMA的申请，释放和操作等。而文件层到驱动程序的接口为audio_driver结构，其中包含底层操作函数。文件层的sound_read，sound_write会在需要时调用audio_driver中的函数。开发人员只要编写audio_driver中的函数就可以了。这样，最大程度地减小了驱动开发的工作量。下面我们将看到，Linux为显示设备提供的帧缓冲驱动也是这种“文件层 - 驱动层”的接口方式。

RTL77

支持啊，期待你的下文
另外想请教一些问题：
我现在用的是ARM9开发板+ARM-LINUX操作系统，操作系统里带有LCD的驱动程序，并且支持多种类型的TFT和STN液晶屏，现在我想把一块自己的12位TFT液晶屏接到开发板上，但我不知道文该怎么修改操作系统的配置，以支持我自己的液晶
在编译内核的时候，运行menuconfig 可以选择液晶屏的尺寸，如320*240、640*480等，也可以选择帧缓冲区的格式如2/4/8/16bit等，但怎样选择STN或TFT呢，它们的驱动信号完全不一样啊
如蒙赐教，不胜感激啊

winster

谢谢，不错

clifff

不错！
坚持底层技术路线

weijj

很好，期待下文

sbmnm95

thanks