嵌入式系統(tǒng)中LCD驅(qū)動的實現(xiàn)原理：

　　結(jié)合三星公司ARM9系列嵌入式處理器S3C2410，講解如何進行LCD驅(qū)動程序模塊化編程及如何將驅(qū)動程序靜態(tài)加載進系統(tǒng)內(nèi)核。

　　LCD （液晶顯示）模塊滿足了嵌入式系統(tǒng)日益提高的要求，它可以顯示漢字、字符和圖形，同時還具有低壓、低功耗、體積小、重量輕和超薄等很多優(yōu)點。隨著嵌入式系 統(tǒng)的應用越來越廣泛，功能也越來越強大，對系統(tǒng)中的人機界面的要求也越來越高，在應用需求的驅(qū)使下，許多工作在Linux下的圖形界面軟件包的開發(fā)和移植 工作中都涉及到底層LCD驅(qū)動的開發(fā)問題。因此在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)LCD驅(qū)動得以廣泛運用。

　　本文以三星公司ARM9內(nèi)核芯片S3C2410的LCD接口為基礎，介紹了在Linux平臺上開發(fā)嵌入式LCD驅(qū)動程序的一般方法。

　　本文硬件采用三星公司的S3C2410芯片的開發(fā)板，軟件采用Linux 2.4.19平臺，編譯器為arm-linux-gcc的交叉編譯器，使用640×480分辨率的TFT彩色LCD，通過對其Linux驅(qū)動程序進行改寫和調(diào)試，成功地實現(xiàn)了對該種屏的驅(qū)動和顯示。

　　嵌入式驅(qū)動的概念

　　設備驅(qū) 動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口，設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操 作普通文件一樣對硬件設備進行操作。設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它主要完成的功能有：對設備進行初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù) 據(jù)；讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)、回送應用程序請求的數(shù)據(jù)以及檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。

　　Linux 將設備分為最基本的兩大類：一類是字符設備，另一類是塊設備。字符設備和塊設備的主要區(qū)別是：在對字符設備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接 著發(fā)生了。字符設備以單個字節(jié)為單位進行順序讀寫操作，通常不使用緩沖技術(shù)；塊設備則是以固定大小的數(shù)據(jù)塊進行存儲和讀寫的，如硬盤、軟盤等，并利用一塊 系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)。為提高效率，系統(tǒng)對于塊設備的讀寫提供了緩存機制，由于涉及緩沖區(qū)管理、調(diào)度和同步等問題，實現(xiàn)起來比字符設備復雜得多。LCD是以 字符設備方式加以訪問和管理的，Linux把顯示驅(qū)動看做字符設備，把要顯示的數(shù)據(jù)一字節(jié)一字節(jié)地送往LCD驅(qū)動器。

　　Linux 的設備管理是和文件系統(tǒng)緊密結(jié)合的，各種設備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為設備文件。應用程序可以打開、關閉和讀寫這些設備文件，完成對設備 的操作，就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。為了管理這些設備，系統(tǒng)為設備編了號，每個設備號又分為主設備號和次設備號。主設備號用來區(qū)分不同種類的設備，而次 設備號用來區(qū)分同一類型的多個設備。對于常用設備，Linux有約定俗成的編號，如硬盤的主設備號是3。Linux為所有的設備文件都提供了統(tǒng)一的操作函 數(shù)接口，方法是使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括許多操作函數(shù)的指針，如open（）、close（）、read（）和write（）等，但由于外設 的種類較多，操作方式各不相同。Struct file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員為一系列的接口函數(shù)，如用于讀/寫的read/write函數(shù)和用于控制的ioctl等。打開一個文件就是 調(diào)用這個文件file_operations中的open操作。不同類型的文件有不同的file_operations成員函數(shù)，如普通的磁盤數(shù)據(jù)文件， 接口函數(shù)完成磁盤數(shù)據(jù)塊讀寫操作；而對于各種設備文件，則最終調(diào)用各自驅(qū)動程序中的I/O函數(shù)進行具體設備的操作。這樣，應用程序根本不必考慮操作的是設 備還是普通文件，可一律當作文件處理，具有非常清晰統(tǒng)一的I/O接口。所以file_operations是文件層次的I/O接口。

　　LCD控制器

　　LCD 控制器的功能是顯示驅(qū)動信號，進而驅(qū)動LCD。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，完成配置和顯示驅(qū)動。在驅(qū)動LCD設計的過程中首要的是配置LCD控制 器，而在配置LCD控制器中最重要的一步則是幀緩沖區(qū)（FrameBuffer）的指定。用戶所要顯示的內(nèi)容皆是從緩沖區(qū)中讀出，從而顯示到屏幕上的。幀 緩沖區(qū)的大小由屏幕的分辨率和顯示色彩數(shù)決定。驅(qū)動幀緩沖的實現(xiàn)是整個驅(qū)動開發(fā)過程的重點。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT兩種液 晶。對于STN 液晶平板，該LCD控制器可支持4位雙掃描、4位單掃描和8位單掃描三種顯示類型，支持4級和16級灰度級單色顯示模式，支持256色和4096色顯示， 可接多種分辨率的LCD，例如640×480、320×240和160×160等，在256色顯示模式時，最大可支持4096×1024、2048× 2048和1024×4096顯示。TFT液晶平板可支持1-2-4-8bpp（bits per pixel）調(diào)色板顯示模式和16bpp非調(diào)色板真彩顯示。

　　幀緩沖區(qū)是出現(xiàn)在Linux 2.2.xx及以后版本內(nèi)核當中的一種驅(qū)動程序接口，這種接口將顯示設備抽象為幀緩沖區(qū)設備區(qū)。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設備提供了一種抽象化處理，它代表了一 些視頻硬件設備，允許應用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設備。這樣軟件無須了解任何涉及硬件底層驅(qū)動的東西（如硬件寄存器）。它允許上層應用程序 在圖形模式下直接對顯示緩沖區(qū)進行讀寫和I/O控制等操作。通過專門的設備節(jié)點可對該設備進行訪問，如/dev/fb*。用戶可以將它看成是顯示內(nèi)存的一 個映像，將其映射到進程地址空間之后，就可以進行讀寫操作，而讀寫操作可以反映到LCD。

　　幀緩沖設備對應的設備文件是/dev/fb*。如果系統(tǒng)有多個顯卡，Linux還支持多個幀緩沖設備，最多可達32個，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb則指向當前的幀緩沖設備，通常情況下，默認的幀緩沖設備為/dev/fb0。

　　幀緩沖設備也屬于字符設備，采用“文件層-驅(qū)動層”的接口方式。在文件層為之定義了以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　Static struct file_operations fb_fops={

　　ower： THIS_MODULE，

　　read： fb_read， /*讀操作*/

　　write： fb_write， /*寫操作*/

　　ioct1： fb_ioct1， /*I/O操作*/

　　mmap： fb_mmap， /*映射操作*/

　　open： fb_open， /*打開操作*/

　　release： fb_release， /*關閉操作*/

　　}

　　其成員函數(shù)都在linux/driver/video/fbmem.c中定義，其中的函數(shù)對具體的硬件進行操作，對寄存器進行設置，對顯示緩沖進行映射。主要結(jié)構(gòu)體還有以下幾個。

　　● Struct fb_fix_screeninfo：記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的不可修改信息。它包含了屏幕緩沖區(qū)的物理地址和長度。

　　● Struct fb_var_screeninfo：記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的可修改信息。它包括顯示屏幕的分辨率、每個像素的比特數(shù)和一些時序變量。其中變量 xres定義了屏幕一行所占的像素數(shù)，yres定義了屏幕一列所占的像素數(shù)，bits_per_pixel定義了每個像素用多少個位來表示。

　　● Struct fb_info：Linux為幀緩沖設備定義的驅(qū)動層接口。它不僅包含了底層函數(shù)，而且還有記錄設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)。每個幀緩沖設備都與一個fb_info結(jié) 構(gòu)相對應。其中成員變量modename為設備名稱，fontname為顯示字體，fbops為指向底層操作的函數(shù)的指針。

　　LCD驅(qū)動開發(fā)的主要工作

　　1 編寫初始化函數(shù)

　　初始化函數(shù)首先初始化LCD 控制器，通過寫寄存器設置顯示模式和顏色數(shù)，然后分配LCD顯示緩沖區(qū)。在Linux中可以用kmalloc（）函數(shù)分配一段連續(xù)的空間。緩沖區(qū)大小為： 點陣行數(shù)×點陣列數(shù)×用于表示一個像素的比特數(shù)/8。緩沖區(qū)通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制寄存器中。本文采用的LCD顯 示方式為640×480，16位彩色，則需要分配的顯示緩沖區(qū)為640×480×2=600kb。最后是初始化一個fb_info結(jié)構(gòu)，填充其中的成員變 量，并調(diào)用register_framebuffer（&fb_info），將fb_info登記入內(nèi)核。

　　2 編寫成員函數(shù)

　　編寫結(jié)構(gòu)fb_info中函數(shù)指針fb_ops對應的成員函數(shù)，對于嵌入式系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)，只需要下列三個函數(shù)就可以了。

　　struct fb_ops{

　　……

　　int （*fb_get_fix）（struct fb_fix_screeninfo *fix， int con， struct fb_info *info）;

　　int （*fb_get_var）（struct fb_var_screeninfo *var， int con， struct fb_info *info）;

　　int （*fb_set_var）（struct fb_var_screeninfo *var， int con， struct fb_info *info）;

　　……}

　　Struct fb_ops在include/linux/fb.h中定義。這些函數(shù)都是用來設置/獲取fb_info結(jié)構(gòu)中的成員變量的。當應用程序?qū)υO備文件進行 ioctl操作時候會調(diào)用它們。對于fb_get_fix（），應用程序傳入的是fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)，在函數(shù)中對其成員變量賦值，主 要是smem_start（緩沖區(qū)起始地址）和smem_len（緩沖區(qū)長度），最終返回給應用程序。而fb_set_var（）函數(shù)的傳入?yún)?shù)是 fb_var_screeninfo，函數(shù)中需要對xres、yres和bits_per_pixel賦值。

　　對于/dev/fb，對顯示設備的操作主要有以下幾種。

　　● 讀/寫（read/write）/dev/fb：相當于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。

　　● 映射（map） 操作：由于Linux工作在保護模式，每個應用程序都有自己的虛擬地址空間，在應用程序中是不能直接訪問物理緩沖區(qū)地址的。為此，Linux在文件操作 file_operations結(jié)構(gòu)中提供了mmap函數(shù)，可將文件的內(nèi)容映射到用戶空間。對于幀緩沖設備，則可通過映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)的物理地址 映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上繪圖了。

　　● I/O控制：對于幀緩沖設備，對設備文件的ioctl操作可讀取/設置顯示設備及屏幕的參數(shù)，如分辨率、顯示顏色數(shù)和屏幕大小等。ioctl的操作是由底 層的驅(qū)動程序來完成的。在應用程序中，操作/dev/fb的一般步驟如下：打開/dev/fb設備文件；用ioctrl操作取得當前顯示屏幕的參數(shù)，如屏 幕分辨率和每個像素的比特數(shù)，根據(jù)屏幕參數(shù)可計算屏幕緩沖區(qū)的大??；將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間；映射后即可直接讀寫屏幕緩沖區(qū)，進行繪圖和圖片顯示了。

　　LCD模塊化驅(qū)動

　　在對S3C2410 的LCD編寫模塊化驅(qū)動程序時，首先要從內(nèi)核中去除LCD驅(qū)動。這里需要做一些改動，系統(tǒng)調(diào)用被加在以下文件中，需去除： /root/usr/src/arm/linux/kernel/sys.c；/root/usr/src/arm/linux/include/arm -arm下的unistd.h和lcd.h；/root/usr/src/arm/linux/arch/arm/kernel下的calls.s。

　　編寫模塊化驅(qū)動程序，有以下幾個關鍵的函數(shù)。

　　● lcd_kernel_init（void）//當模塊被載入時執(zhí)行

　　● lcd_kernel_exit（void）//當模塊被移出內(nèi)核空間時被執(zhí)行

　　● lcd_kernel1_ioctl（struct*inode， struct*file， unsigned int cmd， unsigned longarg） //其他功能

　　每當裝配設備驅(qū)動程序時，系統(tǒng)自動調(diào)用初始化模塊lcd_kernel_init（void）。

　　另一個必須提供的函數(shù)是lcd_kernel_exit（void），它在模塊被卸載時調(diào)用，負責進行設備驅(qū)動程序的工作。

　　執(zhí)行insmod lcd.o命令即可將LCD驅(qū)動添加到內(nèi)核中，執(zhí)行rmmod lcd命令即可從內(nèi)核中刪除LCD驅(qū)動。

　　靜態(tài)加載LCD驅(qū)動

　　將寫好的lcd 驅(qū)動程序lcd.c放到arm/linux/drivers/char目錄下，修改arm/linux/drivers/char/config.in文 件，加上一行：Bool‘LCD driver support‘CONFIG_LCD；修改arm/linux/drivers/char/Makefile文件，加上一行：obj-$ （CONFIG_LCD）+=lcd.o。

　　這樣，當再進行make xconfig時，就會選擇是否將LCD驅(qū)動編譯進內(nèi)核。同樣的辦法也可用在其他設備上。

　　LCD怎樣維護？

　　顯示器發(fā)展至今天，在消費級領域已經(jīng)真正地進入到液晶時代了。對價格較為敏感的國內(nèi)市場，降價不斷的事實也使得LCD走進了千家萬戶家中。甚至更前衛(wèi)的液晶電視也正在受到越來越多用戶的關注。LCD或者液晶電視，它們都是屬于消耗型產(chǎn)品，同時也是屬于有點嬌氣的電器設備，不少用戶由于缺乏一定的知識，在平時的使用中采用了一些不當?shù)牟僮魇侄我灾掠绊懥薒CD的顯示效果甚至人為地損壞了LCD，所以要想讓您的LCD總能保持好的效果，又能延年益壽的話，那么良好的使用習慣和定期保養(yǎng)就顯得比較重要了。

　　一、如何清潔LCD屏幕？

　　這是眾多用戶所關注的一個問題。液晶顯示器在工作時會對周圍的灰塵有一定的吸力，所以我們可以發(fā)現(xiàn)LCD屏幕在使用一段時間后就會沾上較多的灰塵。在這里先不說正確的操作方法，我們來看一看一些錯誤的清潔方法：1、用手掌或者手指直接擦試LCD。要知道，LCD是不允許受到壓迫的，用手掌或者手指去擦試的時候，用力很難做到恰到好處的程度，如果用力過猛，會有可能引起LCD液晶分子永久性物理損害，從而出現(xiàn)了壞點甚至會發(fā)生小區(qū)域異常的情況，所以切勿用手掌或者手指去直接擦試LCD屏幕。2、用較粗糙的毛巾擦試LCD屏幕。筆者曾經(jīng)看到過某些用戶直接用家里平時擦試桌子的毛巾來擦LCD屏幕，這種情況發(fā)生的機率其實還不少，因為有些用戶在用毛巾清潔電腦桌的時候順便也給LCD屏幕來個清潔，雖然知道這樣似乎不太好，但是圖方便就不管了。

　　3、用筆或者其它硬物“指指點點”LCD屏幕。很多用戶要在電腦屏幕前商量研究一些事情，有時就避免不了要在屏幕上指指劃劃，用手指、筆或者其它硬物直接接觸LCD屏幕，這個是一個很不好的習慣，會給LCD屏幕刮上不可恢復的傷痕從而影響顯示效果。

　　LCD擦試專用紙巾

　　那么正確的清潔LCD屏幕的方法是怎么樣的呢？我們知道，液晶面板主要是由兩塊無鈉玻璃夾著一個由偏光板、液晶層和彩色慮光片構(gòu)成的夾層所組成。液晶屏幕的表面看似一片堅固的黑色屏幕，其實在這層屏幕上廠商都會加上一層特殊的涂層。這層特殊涂層的主要功能就在于防止使用者在使用時所受到其它光源的反光以及炫光，同時加強液晶屏幕本身的色彩對比效果。清潔這個層有三種方法，第一種是最正規(guī)但也是最麻煩的：購買LCD專用清潔劑或者專用的清潔紙巾來對屏幕進行清潔。這種方法的效果最好，但是要出錢購買，維護成本不為零，不少消費者對此反感，而且覺得麻煩而不去做。第二種方法是采用柔軟的鏡頭軟布稍微沾點兒水后擰干，輕輕地對屏幕進行擦試；第三種方法最為簡單，就是用干燥的軟毛刷來輕輕擦掉灰塵即可。另外注意一點，是在清潔時要送行LCD電源，不要加電清潔LCD。

　　消費者關注的三個問題：

　　1、使用紙巾來擦LCD屏幕可以嗎？

　　答：按照專家的回答，這個是不推薦的做法。但是在實際操作中這種其實是LCD用戶最常見的清潔方式，在這里筆者強調(diào)一下，應該使用面巾紙來清潔，因為面巾紙多數(shù)是較柔軟的，在擦試的時候注意不要把面巾紙搓成一團來擦，而是要保持平整地去輕輕擦試。

　　2、使用眼鏡布來擦LCD屏幕為什么不好？

　　答：其實使用眼鏡布來擦LCD屏幕應該是可以的，但是有一點要注意的是，眼鏡布其實一般都不怎么干凈，因為眼鏡本身就是沾滿了灰塵的，很多用戶的眼鏡布很久都不清洗一次，如此一來眼鏡布的灰塵就可想而知了，用它來擦LCD屏幕的話非旦不容易擦干凈，而且還可能帶上一些更臟的灰塵上去。

　　3、可以使用帶酒精等有機溶劑來清潔LCD屏幕嗎

　　答：不可以，液晶屏幕有較強的透水性，原則是不允許用用機溶劑來進行清潔的，所以不要以為用清潔磁頭的清潔來清潔LCD屏幕是通過的，這個是錯誤的做法。

　　二、避免LCD受潮

　　所有的電子器件都要求工作在一定的濕度環(huán)境下，如果濕度過大了就會引起元件的快速老化甚至出現(xiàn)異常，一般濕度保持在30%～80%之間顯示器就能正常工作，超過80%后就有可能會出現(xiàn)異常了。LCD顯示器就更是如此了，如果長期工作在濕度較大的環(huán)境下，LCD顯示聚焦會出現(xiàn)異常，嚴重的話可能會無法恢復。對于普通消費者來說，在日常使用中要注意如下幾點：

　　1、不要經(jīng)常性地用嘴對著LCD“呵氣”以擦試清潔屏幕。因為不少的用戶都有著對眼鏡“呵氣”來用眼鏡布來清潔眼鏡的經(jīng)驗，所以對LCD也采用同樣的方法。上面其實也說到了，LCD屏幕是不應該用有機溶劑或者水來進行清潔的，當中還有一個理由就是受潮問題，如果經(jīng)常性地采用“呵氣”方法來清潔的話，屏幕表面常常受到水氣的熏染，濕度自然就增大了，久而久之的話會影響到LCD的聚焦問題的。

　　2、對于南方的用戶來說，特別是在清明時期的梅雨天氣空氣濕度比較大，此時如果有條件的話盡可能每天都使用LCD半小時以上，利用LCD自身的加電發(fā)熱來驅(qū)走水氣。就算不需要使用LCD，在梅雨天氣時期最好能保持每星期致少使用一次以上。另外，專家建議可以采用一些較高功率的電燈泡放在屏幕附近對其“驅(qū)寒”也可以達到干燥LCD水氣的目的。

　　3、如果長時間不開啟LCD，發(fā)現(xiàn)LCD上已經(jīng)有受潮的跡象的話，要用鏡頭軟布將其輕輕地擦去，然后才能打開電源。如果水氣很嚴重，已經(jīng)進入LCD了，就必須將LCD放置到較溫暖的地方，以便讓其中的水分和有機化物蒸發(fā)掉。如果對含有濕度的LCD加電，容易導致液晶電極腐蝕，進而造成永久性損壞。

　　另外，LCD不能受潮，但并不意味著越干燥就越好。有些用戶在梅雨時期等到有太陽的時候，就趕緊拿到太陽底下直射以驅(qū)掉水氣。這種做法是錯誤的，強光照射會加快LCD老化，液晶分子最好不要經(jīng)受太陽的猛射以保證其壽命。

　　三、平時使用LCD應該注意的幾大習慣問題

　　1、不要24小時不間斷使用LCD

　　不少用戶以為LCD的發(fā)熱量比CRT小很多，同時也很節(jié)省電，所以經(jīng)常性地24小時讓其工作。其實這種做法是不正確的。專家指出，LCD在連續(xù)48小時不間斷地高強度工作后，其老化的速度會明顯比普通正常間歇性地使用要快得多。其實這種是一種超負荷的使用狀態(tài)，廠商并不會指出嚴禁如此使用，但是LCD的壽命是一定的，老化的速度與使用的強度自然是息息相關的，高強度地使用肯定會加速LCD的老化，甚至容易出現(xiàn)一些問題。

　　所以平時使用過程中，最好是設置成20分鐘后不操作電腦就自動關閉顯示器，其實這個在Windows操作系統(tǒng)中是默認了的，只要不去更改它就行了。而平時使用電腦時如果是較長時間地離開座位的話建議順手把LCD的電源關掉，這些都是一些良好的使用習慣。

　　2、不要長時間地使用高亮度高對比度

　　目前LCD有些產(chǎn)品是有高亮功能的，高亮及高對比度對于游戲、電影等環(huán)境確實起到了較好的視覺效果作用，但是其負面作用也是不小，長期使用高亮度對LCD是有害無益的，會加速LCD老化的進程，同時對于人體健康來說，過高的亮度對于人眼是不健康的。特別是使用普通的上網(wǎng)、辦公文字處理界面時更不應該啟用高亮模式，否則對LCD、對人都是有害的。

　　四、一些有利于LCD的措施

　　1、經(jīng)常要“指指點點”的用戶建議增添一個液晶保護屏，建議采用一些透光率較佳的產(chǎn)品，保護屏有抗擦傷、抗靜電、抗油污、耐腐蝕等特點，對LCD來說還是能起到一定的保護作用的。不過液晶保護屏不可能做到百分百的透光，所以在實際作用中對效果會有一定的影響，只要用戶能夠承受，這個也不成問題，關于這個效果影響的問題因人而異的。

　　2、長期不使用LCD顯示器的話，最好把電源拔開，用塑料袋將顯示器封起來以阻擋灰塵，可能的話建議在袋子里面加上防潮的干燥劑。

　　3、不要讓音箱中的低音炮或者其它能產(chǎn)生強磁場的物體太過靠近LCD。強磁場對于顯示器來說是有害的，會加速老化過程甚至會引起顯示異常，所以在擺設這些物體時就要考慮到這個問題。一些用戶為了調(diào)節(jié)音量方便，就把低音炮放到桌面，這樣離LCD就比較近，雖然說很多音箱產(chǎn)品都是防磁的，但是防磁產(chǎn)品能做百分百永久防磁的情況還是不多的，用戶要注意了。