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Linux驱动分析之LCD驱动架构
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Framebuffer简介
在Linux设备中，LCD显示采用了帧缓冲(framebuffer)技术，所以LCD驱动也叫Framebuffer驱动，所以LCD驱动框架就是围绕帧缓冲展开工作。帧缓冲（framebuffer）是Linux系统为显示设备提供的一个接口，它将显示缓冲区抽象出来，屏蔽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显示缓冲区进行读写操作。对于帧缓冲设备而言，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显示。帧缓冲为标准字符设备, 主设备号为29，对应于/dev/fbn。
Framebuffer框架结构
核心层代码fbmem.c向上提供了完整的字符设备操作接口，也就是实现注册字符设备，提供通用的open,read,write,ioctl,mmap等接口；向下给硬件设备驱动层提供标准的驱动编程接口。
在linux系统中，一个硬件控制器（显卡）抽象为一个fb_info结构体，要实现一个LCD驱动就是要实现这个结构，并且使用核心层提供的注册函数注册。
重要结构体
内核版本：4.20.12
fb_info
// include/linux/fb.hstruct fb_info { atomic_t count; int node; int flags;
int fbcon_rotate_hint; struct mutex lock; /* open/release/ioctl中使用*/ struct mutex mm_lock; /*fb_mmap和smem_*数据域中使用 */ struct fb_var_screeninfo var; /* LCD屏可变参数 */ struct fb_fix_screeninfo fix; /* LCD屏固定参数 */ struct fb_monspecs monspecs; /* Current Monitor specs */ struct work_struct queue; /* Framebuffer event queue */ struct fb_pixmap pixmap; /* Image hardware mapper */ struct fb_pixmap sprite; /* Cursor hardware mapper */ struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */ struct list_head modelist; /* mode list */ struct fb_videomode *mode; /* current mode */
#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT struct backlight_device *bl_dev; //背光设备
struct mutex bl_curve_mutex; u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS]; //背光水平曲线#endif#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO struct delayed_work deferred_work; struct fb_deferred_io *fbdefio;#endif
struct fb_ops *fbops; /*真正操作硬件寄存器的方法集合*/ struct device *device; struct device *dev; /* fb设备*/ int class_flag; /* private sysfs flags */#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING struct fb_tile_ops *tileops; /* Tile Blitting */#endif union { char __iomem *screen_base; /* LCD虚拟显存地址 */ char *screen_buffer; }; unsigned long screen_size; /* LCD虚拟显存大小 */ void *pseudo_palette; /* 指向16种颜色的调试板，其实就是一块内存*/ #define FBINFO_STATE_RUNNING 0#define FBINFO_STATE_SUSPENDED 1 u32 state; /* Hardware state i.e suspend */ void *fbcon_par;
void *par; //私有数据，用来存放自己的数据的结构地址 struct apertures_struct { unsigned int count; struct aperture { resource_size_t base; resource_size_t size; } ranges[0]; } *apertures;
bool skip_vt_switch; /* no VT switch on suspend/resume required */};使用标准的LCD框架编写，var, fix, fbops, screen_base这四个成员是一定要实现的。
fb_var_screeninfo
struct fb_var_screeninfo { __u32 xres; /* 可见屏幕一行有多少像素点 */ __u32 yres; /*可见屏幕一屏有多少行,也就是列*/ __u32 xres_virtual; /* 虚拟屏幕一行有多少像素点*/ __u32 yres_virtual; /*虚拟屏幕一屏有多少行*/ //显存大小并不一定等于实际屏幕显示对应的区域 __u32 xoffset; /* 虚拟屏到实际屏的水平偏移量 */ __u32 yoffset; /* 虚拟屏到实际屏的垂直偏移量*/
__u32 bits_per_pixel; /* 每个像素的位数即BPP,比如:RGB565则填入16*/ __u32 grayscale; /* 0 = 彩色, 1 = 灰度屏*/ /* >1 = FOURCC */ struct fb_bitfield red; /* 红色的长度和偏移信息 */ struct fb_bitfield green; /* 绿色的长度和偏移信息 */ struct fb_bitfield blue; /* 蓝色的长度和偏移信息 */ struct fb_bitfield transp; /* 透明色的长度和偏移信息*/
__u32 nonstd; /* 不等于0则为非标准像素格式 */ //定义修改参数生效时刻，一般马上生效，对应值是0，宏名是 FB_ACTIVATE_NOW __u32 activate; /* see FB_ACTIVATE_* */ //存放物理屏的物理尺寸，是外观尺寸，单位是mm，可选择填充的项 非重点 __u32 height; /* height of picture in mm */ __u32 width; /* width of picture in mm */
__u32 accel_flags; /* (OBSOLETE) see fb_info.flags */ //下面是LCD屏的工作时序，参数从datasheet来 __u32 pixclock; /* pixel clock in ps (pico seconds) */ __u32 left_margin; /* time from sync to picture */ __u32 right_margin; /* time from picture to sync */ __u32 upper_margin; /* time from sync to picture */ __u32 lower_margin; __u32 hsync_len; /* length of horizontal sync */ __u32 vsync_len; /* length of vertical sync */ __u32 sync; /* see FB_SYNC_* */ __u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */ __u32 rotate; /* angle we rotate counter clockwise */ __u32 colorspace; /* colorspace for FOURCC-based modes */ __u32 reserved[4]; /* Reserved for future compatibility */};上面结构体的参数大部分都是要从LCD屏的datasheet中获取。
fb_fix_screeninfo
struct fb_fix_screeninfo { char id[16]; /* LCD标识名 填写一个16字符以内字符串即可 */ unsigned long smem_start; /* 显存的物理起始地址，不是虚拟地址*/ /* (physical address) */ __u32 smem_len; /* 显存的内存长度 */ __u32 type; /* 表示像素类型 see FB_TYPE_* */ __u32 type_aux; /* Interleave for interleaved Planes */ __u32 visual; /* 表示颜色类型 see FB_VISUAL_* */ __u16 xpanstep; /* 如果没有硬件panning就赋值为0 */ __u16 ypanstep; /* 如果没有硬件panning就赋值为0 */ __u16 ywrapstep; /* 如果没有硬件panning就赋值为0 */ //一行的字节数 ,例:(RGB565)240*320,那么这里就等于240*16/8 __u32 line_length; /* length of a line in bytes */ unsigned long mmio_start; /* Start of Memory Mapped I/O */ /* (physical address) */ //独立显卡相关的,基本不用 __u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O */ __u32 accel; /* Indicate to driver which */ /* specific chip/card we have */ __u16 capabilities; /* see FB_CAP_* */ __u16 reserved[2]; /* Reserved for future compatibility */};fb_ops
struct fb_ops { /* open/release and usage marking */ struct module *owner; int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user); int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);
/* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not * work with normal memory mapped access */ ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos); ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos);
/* checks var and eventually tweaks it to something supported, * DO NOT MODIFY PAR */ int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
/* set the video mode according to info->var */ int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);
/* set color register */ int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green, unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);
/* set color registers in batch */ int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);
/* blank display */ int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);
/* pan display */ int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
/* Draws a rectangle */ void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect); /* Copy data from area to another */ void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region); /* Draws a image to the display */ void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);
/* Draws cursor */ int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);
/* wait for blit idle, optional */ int (*fb_sync)(struct fb_info *info);
/* perform fb specific ioctl (optional) */ int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd, unsigned long arg);
/* Handle 32bit compat ioctl (optional) */ int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd, unsigned long arg);
/* perform fb specific mmap */ int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);
/* get capability given var */ void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps, struct fb_var_screeninfo *var);
/* teardown any resources to do with this framebuffer */ void (*fb_destroy)(struct fb_info *info);
/* called at KDB enter and leave time to prepare the console */ int (*fb_debug_enter)(struct fb_info *info); int (*fb_debug_leave)(struct fb_info *info);};常用的重要成员：
fb_open:当你的lcd不需要做什么特殊的初始化操作，这个方法可以不实现
fb_release:当你的应用程序不使用lcd设备的时候，需要做的事情在这里实现
fb_read：当你的lcd控制器使用的内存是独立显存的时候才需要使用，直接使用核心层read
fb_write：当你的lcd控制器使用的内存是独立显存的时候才需要使用，直接使用核心层write
fb_check_var：检测应用程序传递下来的可变参数是否合法。当你不提供给应用程序通过ioctl命令动态修改LCD可变参数时不需要实现。
fb_set_par：实现的功能是把可变参数设置到硬件寄存器中去
fb_blank：实现屏幕的黑屏白屏模式（开屏，关屏）
fb_fillrect：实现功能是填充矩形
fb_copyarea：实现功能是区域复制
fb_imageblit：实现功能是绘制位图
fb_mmap：实现的功能是把内核空间的分配的显存映射到用户空间中对应的mmap系统调用，当你的控制器是独显的时候才需要
API函数
/*函数功能：注册fb_info*/int register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
/*函数功能：注销fb_info*/int unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
/*函数功能：动态分配DMA内存，同时可以得到分配内存的虚拟地址和物理地址 参数说明： dev：设备指针如果没有赋值NULL size:内存大小 dma_handle：作为输出参数使用，存放分配到的内存对应的物理地址 flag：内存分配方式 返回值：分配到的内存的首地址*/void *dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
/*功能：释放由dma_alloc_writecombine分配的dma内存 参数： dev:设备指针如果没有赋值NULL size:内存大小 cpu_addr：dma_alloc_writecombine得到的虚拟地址首地址 dma_handle：作为输出参数使用，存放分配到的内存对应的物理地址 */ void dma_free_writecombine(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle) lcd每屏显示的数据量很大，所以lcd一般是利用DMA来搬运数据，而DMA模块只会使用物理地址，所以LCD驱动中需要记录物理地址。
总结
上面的结构体中有很多参数，对于一些普通的LCD屏，需要用到的参数并不多。主要就是从数据手册中获取屏幕参数信息，填充fb_info，然后注册。另一部分就LCDC的寄存器配置。目前很多原厂会将这两部分进行分离，这样就更方便客户进行定制。
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