摘  要： 以S3C6410处理器为核心，采用嵌入式Linux操作系统，通过帧缓冲设备的驱动方式，实现了TFT液晶显示器的驱动程序。经过测试字体的放大与旋转及图形的显示，证明该驱动程序稳定，具有很高的实用价值。
关键词： 嵌入式Linux；帧缓冲；TFT驱动程序；Platform机制

　由于Linux具有开放源码、易于移植、内核可裁剪、资源丰富、免费等优点，使它在嵌入式领域越来越流行。随着手持设备的与日俱增，人机交互界面向着更方便、更直观的方向发展。触摸屏的应用让数据的显示和输入结合为一体，使得人机交互界面更简单、友好，已经广泛应用于嵌入式系统当中。在实际工程中，LCD驱动与触摸驱动是分开的，所以本文只涉及LCD驱动。由于ARM核广泛地应用于嵌入式系统中，所以选用的是基于ARM1176JZF-S核的S3C6410 CPU，其频率可以达到667 MHz，对多媒体的处理速度很快。
液晶显示器相对于传统的CRT有很多优点：轻薄、能耗低、辐射少等，市场的占有率也越来越大。LCD有多种类型，比如TN、STN、TFT、LTPS等[1]。TFT型LCD中，晶体管矩阵依显示信号开启或关闭液晶分子的电压，使液晶分子轴转向而成“亮”或“暗”的对比，避免了TN与STN依靠电场效应而造成响应时间长的缺点，而且播放动画或视频不会有STN的拖影现象[2]。背光灯的应用，使其在日光下也能显示图像，应用广泛。LTPS是TFT衍生的新一代技术，价格较贵，所以这里是关于TFT液晶显示器的驱动。
1 设备参数及硬件连接
1.1 TFT液晶显示屏参数
　本文选用的是万鑫的4.3寸的TFT真彩屏，分辨率为480×272，数据格式采用24 bit RGB接口模式，其主要参数如表1所示，参数名后面跟的英文字符串表示在程序中使用的宏。

1.2 TFT与S3C6410的硬件连接
　一块LCD屏显示图像不仅需要LCD驱动器，还需要LCD控制器。通常LCD驱动器会与LCD玻璃基板制作在一起，而S3C6410内部集成了一个LCD控制器，所以LCD与6410之间可以直接连接。图1显示了LCD液晶显示器与LCD插槽之间的连接，图2显示了LCD插槽与S3C6410之间的连接。VD[0：23]是GRB数据线，VDD_LCD接的是LCD的电源，I2CSDA0背光，VDEN表示数据可以传输颜色数据，其他的与表1的名称对应，其中HSYNC、VSYNC、VDEN、VCLK分别与LHSYNC、LVSYNC、LVDEN、LVCLK连接。

2 Platform总线下的LCD驱动
2.1 Platform总线简介
　在Linux2.6后的设备驱动模型中，总线、设备和驱动这三个实体称之为总线设备驱动模型，即为同类的设备设计了一个框架，而框架的核心层实现了该类设备通用的一些功能，而不用程序员自己再去实现；驱动与设备相分离，使得编写主机控制器驱动和外设驱动并行，它们之间不再互相关联，实现分层与分离的思想，从而提高驱动的可移植性。总线将设备和驱动绑定。在系统每注册一个设备的时候，会寻找与之匹配的驱动；同样地，在注册一个驱动的时候，会寻找与之匹配的设备。匹配是通过比较设备和驱动中的名字来确定，匹配工作由总线完成；一般情况下，驱动会使用设备的资源，所以设备常常要比驱动先注册，而且设备一般会放在板文件中。
　在嵌入式系统中，SoC系统中集成的独立的外设控制器，挂接在SoC内存空间的外设不依附于任何总线。在这种情形下，Linux发明了一种虚拟的总线，就是Platform总线，相应的设备称为platform_device，而驱动为platform_driver。而LCD正是挂接在Platform总线下的一个驱动，LCD驱动先构造一个platform_device结构体，然后注册；接着LCD驱动构造一个platform_driver结构体，并注意platform_driver中的名字要与platform_device中的名字相同，这样当注册platform_driver时就能够匹配设备，Platform总线就会调用platform_driver中的probe函数，这个函数是LCD驱动真正注册的函数；同理，卸载函数为platform_driver中的remove函数。
2.2 LCD驱动的platform_device与platform_driver的注册
2.2.1 分配初始化一个platform_device结构体
　使用platform_dev_lcd43=platform_device_alloc（"lcd43"，-1）分配并设置一个platform_device，第一个参数就是platform_device的名字，第二个参数为-1表示设备只有一个。在相应的移除函数中调用platform_device_release（platform_dev_lcd43）函数释放分配的内存，这两个函数都是内核自带的函数。下文中，如果没有特别介绍，都是内核自带的函数。在这里，为了避免在platform_driver的注册中引入太多的内核函数，并没有把资源放入platform_device中，而是要用时再在platform_driver中实现，这里只是简单地演示实际工程中这种platform_device结构的使用；实际工作中，只需把platform_driver的资源放入platform_device的resource中，然后调用platform_get_resource（）函数来取得相应的资源就可以了。
　接下来调用platform_device_register（platform_dev_ lcd43）注册platform_device，在相应的移除函数中调用platform_ device_unregister（platform_dev_lcd43）。
2.2.2 定义初始化一个platform_driver结构体
　platform_driver结构体就是LCD驱动的结构体，把platform_driver中的成员初始化注册后，内核就可以调用这个驱动程序了。
　static struct platform_driver platform_lcd43_driver={
　.probe=lcd43_probe，
　.remove=lcd43_remove，
　.driver={
   .name="lcd43"，
   .owner=THIS_MODULE，
　/*内核的宏，表示当前模块*/
 　  }
　}；
　接下来调用platform_driver_register（&platform_lcd43 _driver）注册platform_driver结构体。
相应的移除函数为platform_driver_unregister（&platform_lcd43_driver）。当调用platform_driver_register（）函数后，内核就自动的去找跟它相匹配的platform_device，如果找到，就调用platform_driver的probe函数。
3 LCD驱动的编写
3.1 帧缓冲的概念
　帧缓冲是Linux系统为显示设备提供的一个接口，它将显示缓冲区进行抽象，屏蔽了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缓冲区进行读写。用户只要在显示缓冲区中与显示点对应的区域写入颜色值，对应的颜色会自动在屏幕上以对应的点显示。帧缓冲驱动的应用非常广泛，Qt/Embedded、X Window、MiniGUI都是利用帧缓冲进行图像的绘制。LCD驱动程序的设计就是写一个帧缓冲驱动程序，它的主设备号为29，当注册一个帧缓冲设备时，会自动地在/dev目录下创建一个fbn设备文件，n为注册前系统帧缓冲设备的个数，当系统中没有帧缓冲设备时，n为0。
3.2 帧缓冲设备probe函数的编写
3.2.1 帧缓冲结构体的初始化
　帧缓冲设备驱动的编写工作主要集中在platform_driver中的probe函数的编写，probe（）函数完成LCD驱动程序真正要做的事情，它需要完成：
　（1）申请一个struct fb_info结构体，根据LCD屏参数并初始化。帧缓冲设备最关键的一个数据结构体是fb_info结构体，它包含帧缓冲设备属性和操作的完整描述。
fb43_info=framebuffer_alloc（0，NULL）；
/*申请一个struct fb_info结构体*/
fb43_info->screen_size=HOZVAL*LINEVAL*4；
/*设置帧缓冲区的大小*/
fb_info结构体成员fb_fix_screeninfo结构的初始化，fb_fix_screeninfo记录用户不可修改的显示器的参数，如屏幕大小、缓冲区地址等。
strcpy（fix43->id，"lcd_4.3"）；/*设置名字*/
fix43->line_length=HOZVAL*4；
/*一行像素占的字节，1像素4字节，高8位丢弃*/
fix43->smem_len=LINEVAL*HOZVAL*4；
/*设置帧缓冲内存的大小*/
fix43->type=FB_TYPE_PACKED_PIXELS；
/*设置LCD的型号*/
fix43->visual=FB_VISUAL_TRUECOLOR；
/*设置显示为真彩色*/
fb_info结构体成员fb_var_screeninfo结构的初始化，fb_var_screeninfo记录用户可以更改的显示器参数，包括屏幕分辨率和每像素点的比特数等。
var43->xres=HOZVAL；
/*x方向实际像素个数，表1中的数值*/
var43->yres=LINEVAL；
/*y方向实际像素个数，表1中的数值*/
var43->xres_virtual=HOZVAL；
/*x方向虚拟像素个数，没实现虚拟*/
var43->yres_virtual=LINEVAL；
/*y方向虚拟像素个数，没实现虚拟*/
var43->xoffset=0；/*x方向实际与虚拟间的偏移像素*/
var43->yoffset=0；/*y方向实际与虚拟间的偏移像素*/
var43->bits_per_pixel=32；
/*每像素32位表示，实际只是24位的RGB*/
var43->red.length=8；/*红占8位*/
var43->red.offset=16；/*红偏移16位*/
var43->green.length=8；/*绿占8位*/
var43->green.offset=8；/*绿偏移8位*/
var43->blue.length=8；/*蓝占8位*/
var43->blue.offset=0；/*蓝偏移0位*/
var43->hsync_len=HSPW；
/*以下都是表1中的数据，硬件相关*/
var43->vsync_len=VSPW；
var43->right_margin=HBPD；
var43->left_margin=HFPD；
var43->lower_margin=VBPD；
var43->upper_margin=VFPD；
clk43=clk_get（NULL，"hclk"）；
hclkval=clk_get_rate（clk43）；
/*获得系统的HCLK，LCD的时钟由它分频得到*/
var43->pixclock=hclkval/（hclkval/9000000）；
/*设置像素时钟，注意C语言会对整型变量除法运算*/
　（2）完成S3C6410的LCD控制器的初始化
　S3C6410自带LCD控制器，只要把LCD控制寄存器设置合适的参数，S3C6410会自动发出控制LCD的时序，而不需要程序员再去关心时序的问题。这部分的设置大都是硬件相关，不同的CPU设置一般不会一样。在Linux系统中，CPU不能直接使用物理地址，所以需要先经过ioremap（）函数建立新页表，使物理地址映射到逻辑地址[3]。后文中出现的与具体寄存器相关的指针变量都是经过ioremap（）重新映射后的地址。
mifpcon=ioremap（0x7410800C，4）；
spcon=ioremap（0x7F0081A0，4）；
*mifpcon&=~（1<<3）；
*spcon&=~（3）；
*spcon|=1；
　根据S3C6410手册要求的设置，要使用LCD控制器，必须把MOFPCON寄存器的第三位置零，SPCON[1：0]位要为“01”，表示为RGB模式。
　regs43->vidcon0=（（hclkval/9000000-1）<<6）|（1<<4）；
/*设置时钟源及分频系数*/
regs43->vidcon1=（1<<6）|（1<<5）；
/*因为S3C6410的行列同步脉冲与TFT屏的相反，所以要设置这两个脉冲反转，要根据具体的TFT屏芯片手册设置*/
/*设置垂直延时参数，LCD硬件相关，见表1内容*/
regs43->vidtcon0=（（VBPD-1）<<16）|（（VFPD-1）<<8）|（VSPW-1）<<0；
/*设置垂直延时参数，LCD硬件相关，见表1内容*/
regs43->vidtcon1=（（HBPD-1）<<16）|（（HFPD-1）<<8）|（HSPW-1）<<0；
regs43->vidtcon2=（（LINEVAL-1）<<11）|（（HOZVAL-1）<<0）；/*设置行与列的分辨率*/
regs43->wincon0&=~（0xf<<2）；
regs43->wincon0|=（0xb<<2）；
/*设置为24位RGB格式*/
regs43->vidosd0a=（0<<11）|（0<<0）；
/*设置左上角开始值，不留黑框*/
regs43->vidosd0b=（（HOZVAL-1）<<11）|（（LINEVAL-1）<<0）；/*设置右下角位置*/
regs43->vidosd0c=HOZVAL*LINEVAL；
/*设置显示框的大小，以字为单位*/
regs43->vidw00add0b0=fb43_info->fix.smem_start；
/*设置物理地址*/
regs43->vidw00add1b0=（fb43_info->fix.smem_start+LINEVAL*HOZVAL*4）&0xffffff；
/*设置帧缓冲内存结束地址的低24位*/
　（3）分配帧缓冲区的内存，同时设置帧缓冲区的虚拟及物理地址。
fb43_info->screen_base=dma_alloc_writecombine（NULL，fb43_info->screen_size，
&fb43_info->fix.smem_start，GFP_KERNEL）；
/*设置帧缓冲区内存，虚拟，物理地址*/
　分配帧缓冲内存，设置固定参数的物理地址以及fb_nfo结构的虚拟地址，第二个参数为帧缓冲区的大小，第三个参数会返回申请的帧缓冲区的开始物理地址，设置为在固定参数中没有设置的物理地址，函数返回值为帧缓冲区的虚拟地址，最后的一个参数为分配内存的标志，设置为最常用的GFP_KERNEL。
　（4）开LCD时钟、电源、背光，并注册帧缓冲设备驱动。函数定义如下：
clk_enable_43lcd（）；
/*打开LCD的时钟，因为S3C6410可以关闭一些外设来省电*/
get_43lcd_ctr（fb43_info，hclkval）；
/*完成S3C6410的LCD控制器的初始化*/
fb43_info->fbops=&fb43_ops；
/*设置帧缓冲的操作函数*/
fb43_info->pseudo_palette=&fb43_pseudo_palette；
/*设置调色板*/
enable_43lcd（）；/*开LCD电源、背光*/
3.2.2 设置LCD与S3C6410的连接设置

　从连接图可以看出，LCD的数据线主要是在通用输入输出I口和J口[4]。由6410的芯片手册如图3所示，I口与J口基本一样。只需要把它们的控制寄存器设置为LCD模式即可，这时S3C6410会根据LCD控制器的一些数据，在恰当的时间发出颜色数据。设置如下：
　*gpicon=0xaaaaaaaa；
　*gpjcon=0xaaaaaaaa；

3.2.3 开LCD电源及背光，注册帧缓冲设备
*gpbcon&=~（0xf<<24）；
*gpbcon|=（0x1<<24）；
/*设置GPB的第6位为输出模式*/
*gpbdat|=（1<<6）；/*开启背光*/
*gpfcon&=~（3<<28）；
*gpfcon|=（1<<28）；
/*设置GPF的第14位为输出模式*/
*gpfdat|=（1<<14）；/*开启LCD电源*/
regs43->vidcon0|=3；/*开LCD显示*/
regs43->wincon0|=1；
/*开窗口0显示，S3C6410可以同时显示5个窗口，本文选择的是窗口0*/
register_framebuffer（fb43_info）；/*注册帧缓冲设备*/
3.2.4 填充fb_ops结构体
　struct fb_info结构中的fb_ops结构体是操纵帧缓冲设备的一些函数的集合，系统调用最后通过它们与LCD控制器硬件打交道。对于其中的fb_fillrect（）、fb_copyarea（）以及fb_imageblit（）成员直接使用通用的cfb_fillrect（）、cfb_copyarea（）以及cfb_imageblit（）就可以了。只需要设置以下几个成员，其他的都用系统默认的函数，LCD驱动就能正确的工作了。
struct fb_ops fb43_ops={
  .owner=THIS_MODULE，/*表示为当前模块*/
  .fb_fillrect=cfb_fillrect，
  .fb_copyarea=cfb_copyarea，
  .fb_imageblit=cfb_imageblit，
  .fb_setcolreg=fb43_setcolreg，
}；
　fb_setcolreg成员是实现伪颜色表和颜色表的填充，虽然使用24 bit RGB颜色格式不需要伪颜色表，但不实现它会出现一些问题。使用伪颜色表（也称调色板）时，发出的颜色值并不是真正要显示的值，而是在一个颜色表中的索引。当使用大于16 bit的颜色表时，颜色表占据的内存过大，所以使用它不划算。它的设置如下，分别取出RGB的索引值，取其低16 bit，接着根据当前颜色在RGB格式中的偏移值，把其他颜色位置零，最后再把取出的3种颜色合成一个颜色值。设置如下：
　colorg&=0xffff；
　colorg>>=16-bf->length；/*bf->length是颜色占据的长度，假如是16位RGB：5：6：5格式，红色就占据最高的5位，所以低11位的值不要*/
　colorg<<bf->offset；
　/*如上，红色占最高5位，所以要右移11位*/
　……./*设置其他两种颜色值*/
　return colorr|colorg|colorb；
4 LCD驱动的测试
　用arm-linux-gcc在交叉编译平台上编译后，把生成的模块文件lcd.ko用insmod加载到S3C6410开发板。把编译好的测试文件也拷入到开发板的文件系统中，运行测试文件[5]，如图4所示用freetype字形引擎显示的放大及旋转的文字，字体大小为40像素，旋转45°角。如图5所示为libjpeg库显示的图片，显示的图片为图4缩小到1/8时的情形（图形上边没有显示是因为libjpeg库只能把图片缩小为1/2、1/4、1/8）。可以看见LCD都能正常工作。

　本文详述了一种TFT液晶显示屏在嵌入式Linux平台开发的方法，实现了其字体及图形的稳定显示，证明了该方法能够在一定条件下，LCD显示性能的满足。
参考文献
[1] 杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2] 宋宝华.Linux设备驱动开发详解（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2010.
[3] JONATHAN CORBET.Linux.设备驱动程序（第3版）[M].北京：中国电力出版社，2006.
[4] STEVENS W R.Unix环境高级编程（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[5] 韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2008.