本文介紹了液晶顯示器（LCD）的基本工作原理和Intel Xscale PXA270的內(nèi)置LCD控制器。設(shè)計(jì)了PXA270與LCD模塊的硬件電路和針對LCD的具體參數(shù)配置了LCD控制器中的相關(guān)寄存器，最后在嵌入式的Linux操作系統(tǒng)中編寫和加載了LCD的驅(qū)動程序。
引言
Xscale處理器是Intel公司推出的基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的ARM處理器。PXA270是該公司于2003年第四季度推出一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的Xscale處理器，其最高主頻可達(dá)624MHz。
PXA270擁有的 Quick Capture（快速拍攝）、Wireless MMX（無線MMX指令）和Wireless Speed Step（無線動態(tài)節(jié)能）技術(shù)，大大提升了多媒體處理能力；同時(shí)在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動設(shè)備功耗。
嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對標(biāo)準(zhǔn)Linux經(jīng)過小型化裁減處理之后，能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB的存儲器芯片或者單片機(jī)中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用Linux操作系統(tǒng)。在目前已經(jīng)開發(fā)成功的嵌入式系統(tǒng)中，大約
有一半使用的是Linux。
1 LCD液晶顯示原理
嵌入式系統(tǒng)一般采用液晶顯示屏LCD。本系統(tǒng)采用的是LG Philiph的TFT6.4寸的真彩顯示屏LP064V02。
液晶顯示的原理是液晶在不同電壓的作用下會呈現(xiàn)出不同的光特性。TFT是薄膜晶體管Thin Film Transitor的縮寫。FB（Frame Buffer）是幀緩沖器。
顯示屏所顯示的一幅完整畫面就是一個(gè)幀(Frame)，其整個(gè)顯示區(qū)域，在系統(tǒng)內(nèi)會有一段存儲空間與之對應(yīng)，通過改變該存儲空間的內(nèi)容，從而改變顯示屏的內(nèi)容，該存儲空間被稱為Frame Buffer。顯示屏上的每一點(diǎn)都必然與Frame Buffer里的某一位置對應(yīng)。而計(jì)算機(jī)顯示的顏色是通過RGB值來表示的，因此如果要在屏幕某一點(diǎn)顯示某種顏色，則必須給出相應(yīng)的RGB值。Frame Buffer就是用來存放整個(gè)顯示的編碼和像點(diǎn)值的外部存儲器區(qū)域。幀緩沖器的每一個(gè)字節(jié)對應(yīng)著LCD中的一個(gè)像素，例如LP064V02顯示屏有640×480=307200個(gè)像素。
2 PXA270中內(nèi)置的LCD控制器
2.1 LCD控制器介紹
Frame Buffer和LCD顯示屏之間的數(shù)據(jù)傳輸很頻繁，完全由CPU通過程序直接驅(qū)動顯然不合適。因此，為減輕CPU的負(fù)擔(dān)，在Frame Buffer與顯示屏之間還需要一個(gè)中間件，該中間件負(fù)責(zé)從Frame Buffer里提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并傳輸?shù)斤@示屏上。
LCD控制器由以下部分組成：LCD DMAC（本文提出的DMAC都是指集成在LCDC內(nèi)部的DMAC），輸入/輸出FIFO，內(nèi)部調(diào)色板，TMED抖動（幀速率控制），寄存器組。
LCDC的內(nèi)部操作方式會因?yàn)樗覮CD類型的不同而有所不同。本系統(tǒng)采用的是主動16位像點(diǎn)模式。在這種主動彩色模式中，LCDC內(nèi)部的工作方式相對簡單，F(xiàn)rame Buffer內(nèi)的數(shù)據(jù)是16位的像素?cái)?shù)據(jù)，此時(shí)，LCDC無需加載數(shù)據(jù)到內(nèi)部調(diào)色板，并且數(shù)據(jù)無需經(jīng)過幀速率控制單元的處理，直接發(fā)送至LCD控制器的數(shù)據(jù)腳，通過DMAC傳輸?shù)捷斎?FIFO后，數(shù)據(jù)又立刻被傳送到輸出 FIFO。
2.2 LCD模塊的硬件連接
PXA270與LCD模塊的硬件連接如圖1所示。各信號引腳的說明如下：
圖1 LCD接口框圖
- L_DD[15：0]：數(shù)據(jù)線。16位數(shù)據(jù)線可以顯示紅、綠、藍(lán)像點(diǎn)，使用5位紅、6位綠和5位藍(lán)就能實(shí)現(xiàn)不同顏色的顯示。
- L_PCLK：像點(diǎn)時(shí)鐘。用于把彩色數(shù)據(jù)輸入到LCD顯示器中的移位寄存器中。被動模式下，像點(diǎn)時(shí)鐘僅在數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)有效時(shí)才發(fā)生跳變；主動模式下，像點(diǎn)時(shí)鐘連續(xù)跳變。
- L_LCLK：行掃描時(shí)鐘。用于LCD顯示器行顯示的結(jié)束和把移位寄存器的行數(shù)據(jù)送到顯示器中，并且將行指針加1。主動模式下，它是水平同步信號。
- L_FCLK：幀掃描時(shí)鐘。用于LCD顯示器新的幀像點(diǎn)的開始。顯示器復(fù)位時(shí)行指針指向顯示屏的頂部。在主動模式下，它是垂直同步信號。
- L_BIAS：AC偏置。主動方式下，它是數(shù)據(jù)使能信號。
3 LCD驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
PXA270嵌入式系統(tǒng)對LCD顯示屏的驅(qū)動分成兩方面：一方面是對LCD及相關(guān)部件的初始化，包括幀緩沖區(qū)的創(chuàng)建和對DMA通道的設(shè)置；另一方面就是對幀緩沖區(qū)的讀寫，將幀緩沖區(qū)的內(nèi)容輸送到LCD顯示屏由硬件完成，對于驅(qū)動來說是透明的。
3.1 幀緩沖器的初始化
主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
struct pxafb_info：主要用于幀緩沖區(qū)設(shè)備驅(qū)動框架的搭建，也是Linux為幀緩沖設(shè)備定義的驅(qū)動層接口。它不僅包含了底層函數(shù)，而且還記錄了幀緩沖器設(shè)備的全部信息。每個(gè)幀緩沖設(shè)備都必須與一個(gè)fb_info結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。其中成員變量modename為設(shè)備名稱，fontname為顯示字體，fbops為指向底層操作的函數(shù)的指針。
struct pxafb_fix_screeninfo：記錄用戶不能修改的顯示控制器參數(shù)。它包括屏幕緩沖區(qū)的物理地址和長度。
struct pxafb_var_screeninfo：記錄用戶可以修改的顯示控制器參數(shù)。它包括顯示屏幕的分辨率、每個(gè)像素的比特?cái)?shù)和一些時(shí)序變量。其中變量xres定義了屏幕一行所占的像素?cái)?shù)，yres定義了屏幕一列所占的像素?cái)?shù)，bits_per_pixel定義了每個(gè)像素用多少個(gè)位來表示。
幀緩沖區(qū)的初始化函數(shù)在/drivers/video/pxafb.c文件中，結(jié)構(gòu)如下：
int __init pxafb_init(void)
{
struct pxafb_info *fbi;
int ret;
…………
fbi = pxafb_init_fbinfo(); //初始化一些重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
…………
/* Initialize video memory */
ret = pxafb_map_video_memory(fbi); //在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)圖像緩存區(qū)
…………
pxafb_set_var(&fbi->fb.var, -1, &fbi->fb);
…………
ret = register_framebuffer(&fbi->fb); //登記，使畫面緩沖區(qū)與控制臺設(shè)備驅(qū)動的高層掛鉤
…………
/ * Ok, now enable the LCD controller */
set_ctrlr_state(fbi, C_ENABLE);
…………
return ret;
}
首先是pxafb_init_fbinfo()的調(diào)用，目的在于對幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，并設(shè)置有關(guān)的基本的參數(shù)，例如所用的字
體、顯示屏的規(guī)格等，還有為了搭建幀緩沖器的設(shè)備驅(qū)動框架做一些準(zhǔn)備。接著通過pxafb_map_video_memory()函數(shù)在內(nèi)存中創(chuàng)建幀緩沖區(qū)，實(shí)際上是為一個(gè)內(nèi)存區(qū)間另外建立一個(gè)映射。這里分配用于幀緩沖區(qū)的內(nèi)存區(qū)間應(yīng)該是不經(jīng)高速緩存、不加寫緩沖的，這樣才可以一經(jīng)寫入便立即反映在顯示屏上，而無需先對高速緩存進(jìn)行刷新。
pxafb_set_var()函數(shù)是為控制臺設(shè)備驅(qū)動的高層提供一個(gè)驅(qū)動幀緩沖區(qū)的界面。同時(shí)也確定一些與畫面緩沖區(qū)有關(guān)的參數(shù)，并記錄在一個(gè)fb_var_screeinfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。確定了這些參數(shù)以后，如果目標(biāo)幀緩沖區(qū)屬于當(dāng)前選定的控制臺設(shè)備，就通過pxa_activate_var()函數(shù)把這些參數(shù)分門別類地組合生成PXA270各有關(guān)寄存器的映像，并最終設(shè)置到PXA270的各個(gè)LCD控制寄存器中。
這里用到6個(gè)寄存器：
- DBAR1：DMA通道1的基地址寄存器，用于調(diào)色板；
- DBAR2：DMA通道2的基地址寄存器，用于畫圖；
- LCCR0：黑白/彩色模式選擇，單畫面/雙畫面顯示方式、被動/主動顯示模式選擇；
- LCCR1：控制著水平方面的掃描，包括每行的像素、水平同步脈沖寬度、在水平掃描行的開頭和末尾各空出幾個(gè)像素等參數(shù)；
- LCCR2：控制著垂直方面的掃描，包括每個(gè)畫面的行數(shù)、垂直同步脈沖寬度、在畫面的頂部和底部各空出幾行等參數(shù)；
- LCCR3：控制著像素時(shí)鐘的頻率以及各種同步脈沖的極性。
這些宏操作都在/drivers/video/pxafb.h文件里。
#if defined(CONFIG_FB_LB064v02)
#define LCD_PIXCLOCK 250000//54000//150000
#define LCD_BPP 16
#define LCD_XRES 640
#define LCD_YRES 480
#define LCD_HORIZONTAL_SYNC_PULSE_WIDTH 46
#define LCD_VERTICAL_SYNC_PULSE_WIDTH 1
#define LCD_ BEGIN_OF_LINE_WAIT_COUNT 96
#define LCD_BEGIN_FRAME_WAIT_COUNT 35
#define LCD_END_OF_LINE_WAIT_COUNT 4
#define LCD_END_OF_FRAME_WAIT_COUNT 0
#define LCD_SYNC (FB_SYNC_HOR_HIGH_ACT | FB_SYNC_VERT_HIGH_ACT)
#define LCD_LCCR0 (LCCR0_OUC | LCCR0_CMDIM | LCCR0_RDSTM | LCCR0_OUM | LCCR0_BM | LCCR0_QDM | LCCR0_PAS |LCCR0_EFM | LCCR0_IUM | LCCR0_SFM | LCCR0_LDM )
#define LCD_LCCR3 (LCCR3_PCP | LCCR3_HSP | LCCR3_VSP)
#endif
最后是通過register_framebuffer()進(jìn)行各項(xiàng)登記，使幀緩沖區(qū)與控制臺設(shè)備驅(qū)動的高層相連。參數(shù)fbi是一個(gè)指向fb_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，通過這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使幀緩沖區(qū)與文件系統(tǒng)連接起來。
3.2 幀緩沖區(qū)的操作
對幀緩沖區(qū)的操作，應(yīng)用程序首先要打開代表幀緩沖區(qū)的設(shè)備文件，幀緩沖區(qū)的file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是fb_fops。
static struct file_operations fb_fops = {
owner: THIS_MODULE,
read: fb_read, // 讀操作
write: fb_write, // 寫操作
ioctl: fb_ioctl, // 控制操作
mmap: fb_mmap, // 映射操作
open: fb_open, // 打開操作
release: fb_release, // 關(guān)閉操作
#ifdef HAVE_ARCH_FB_UNMAPPED_AREA
get_unmapped_area: get_fb_unmapped_area,
#endif
};
應(yīng)用程序?qū)訉彌_設(shè)備的訪問同對文件的訪問操作類似。在應(yīng)用程序中，對幀緩沖設(shè)備（dev/fb）的操作只需調(diào)用
文件層的操作函數(shù)。首先打開/dev/fb設(shè)備文件；隨后用ioctl操作取得屏幕的分辨率和bpp值，從而計(jì)算出屏幕緩沖區(qū)的大小，并將屏幕的緩沖區(qū)映射到用戶空間；最后就可直接對屏幕緩沖區(qū)進(jìn)行圖片顯示。對幀緩沖區(qū)的打開文件操作是由fb_open()完成等。
驅(qū)動程序編寫完成后，開發(fā)者可以將其編譯為動態(tài)加載模式，或靜態(tài)地編譯入內(nèi)核中。
4 結(jié)束語
隨著后PC時(shí)代的到來，嵌入式系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)一般都需要提供圖形化的人機(jī)界面。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定。在實(shí)際產(chǎn)品中取得了比較滿意的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
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3. 王同洋，熊偉 嵌入式Linux中圖形用戶界面的研究與設(shè)計(jì) 微計(jì)算機(jī)信息 2006年第3-2期
4. 深圳市億道電子技術(shù)有限公司內(nèi)部資料