[系统运维] Linux驱动开发: FrameBuffe(LCD)驱动开发

在linux系统中LCD这类设备称为帧缓冲设备，英文frameBuffer设备。

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，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。用户不必关心物理显示缓冲区的具体位置及存放方式，这些都由帧缓冲设备驱动本身来完成。

framebuffer机制模仿显卡的功能，将显卡硬件结构抽象为一系列的数据结构，可以通过framebuffer的读写直接对显存进行操作。用户可以将framebuffer看成是显存的一个映像，将其映射到进程空间后，就可以直接进行读写操作，写操作会直接反映在屏幕上。

1.2 帧缓冲的理解

用户可以将Framebuffer看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间之后，就可以直接进行读写操作，而写操作可以立即反应在屏幕上。

这种操作是抽象的、统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。

1.3 了解帧缓冲设备文件

framebuffer的设备文件一般是 /dev/fb0、/dev/fb1等，最多支持32个设备。

framebuffer是个字符设备，主设备号为29，对应于/dev/fb%d设备文件。

注意，这个命令保存下来的仅是rgb数据，并不是图片格式，Window下是打不开的。

1.4 如何去操作这个设备文件

对程序员和Linux系统来说，framebuffer设备与其他的文件没有区别；可以通过配置对framebuffer设备文件完成对硬件的参数设置。

二、LCD知识介绍

2.1 了解LCD显示的色深

?? 1bpp :一个像素使用 1 个二进制位表示它的颜色,可以有两种色，这种屏单色屏。

?? 2bpp ：一个像素使用 2 个二进制位表示它的颜色,可以有4种色，恢阶。

?? 8BPP : 一个像素使用 8 个二进制位表示它的颜色,可以有256种色。

?? 16BPP: 一个像素使用 16 个二进制位表示它的颜色,可以有65536种色,伪彩色。

?? 24BPP: 一个像素使用 24 个二进制位表示它的颜色,可以有16M种色,真彩色。

?? 32BPP: 一个像素使用 32 个二进制位表示它的颜色。增加了透明度控制。

?? 所有颜色都由RGB三原色组成。通过调节三者比例程现不同颜色。

2.2? LCD屏的时序

? ??? 要驱动一个TFT屏，首先来认识一下LCD工作时序图。在（芯片数据手册）Exynos 4412 SCP_Users Manual_Ver.0.10.00_Preliminary0.pdf的1816页，第41.3.11.2章节LCD RGB Interface Timing。

? ? ?可以把LCD看成一个二维数据。从左到右，从上到下，一个点一点描绘（逐行扫描）。当最后一个点描绘完成，循环扫描。所有显示器显示图像的原理都是从上到下，从左到右的。

? ??? 发起帧同步信号-->行同步信号-->像素时钟信号（三种信号是同步出现）。

2.3? LCD时序参数的值

? 除了以上的时序参数外，还要注意LCD控制器的默认时序极性和LCD屏的时序极性是否相同，不同则配置为相同。（VSYNC,HSYNC,DEN,像素采样边沿）。

三、应用层FrameBuffer 帧缓冲设备编程(LCD屏编程)

3.1?编程步骤

(1)??打开/dev/fbX

? ? ?Open的第一个参数：/dev/fbx,打开lcd设备文件，lcd设备文件在dev目录下都是以fb*存在的。

(2) 获取可变参数、固定参数

? ? ?既然我们要获取参数，那么ioctl方向肯定是从内核到应用空间；

? ? ?根据FBIOGET_VSCREENINFO命令，从fbX设备文件中获取对应的数据，存放在vinfo指向的结构中。

? ? 具体是什么结构的数据就看从内核传递上来是什么数据了。

(3) 计算屏幕大小(字节为单位)

计算屏幕大小是为了后面的mmap函数使用，这个屏幕大小是根据可变参数来计算的，公式如下：

其中Bpp/8意义是每一个像素占用了多少个字节。即32/8=4byte。

这个screensize有何用处呢，就是给mmap函数去映射空间时使用的。

(4) 内存映射（mmap函数）

Linux下一切都是文件，我们在对Lcd设备文件操作就是对lcd屏进行了操作。

我们一般想到对屏的操作方法:

1- LCD操作可以像其他字符设备一样可以调用read,write,对lcd屏进行操作；

??????????????? 但是出于效率考虑，一般不这样操作。

??????????????? 例如：我要让屏幕实现黑白切换。 (驱动层需要实现read和write函数)

While(1){
		Memset(buf,0,screensize);
		Write(fp,buf,screensize);
		Msleep(1);
		Memset(buf,0,screensize);
		Write(fp,buf,screensize);
		Msleep(1);
	}

?????? 分析这里为什么会出现效率低的问题：

??????????????????????? 我要把数据给内核，write就会调用copy_from_user传递数据；

??????????????????????? 如果屏容量1024*768*4 约有3M左右的数据，我在屏上刷一幅图片要传递3M左右 ?????????? 的数据，1S要刷50次呢，就要在1s内传递150M左右的数据；

??????????????????????? memset函数也传递了一次数据，一个2次数据传递，150*2=300M。

??????????????????????? 那么主频低cpu在这样短时间里处理就会卡顿等。

??????????????? 不用read，write原因：

??????????????????????? 我们在调用memset的时候，传递了一次数据给缓冲区；然后再使用write的copy_fr/

?????? om_user又传递了一次数据，一共就传递数据了2次。

??????????????????????? 那么是mmap又是怎么样子的呢？

??????????????????????? 只要值映射的时候传递了一次数据，在效率上提高了一倍。

2- 内核一般对LCD屏操作是通过内存映射（mmap）方式来实现。

? ???????????? 这是一种常见的文件操作方法，系统编程课程会有提到。

我们需要知道lcd编程的概念:

把lcd看成是一块内存，使用mmap函数把它的缓冲区映射到进程空间中，然后通过映射后的地址直接操作驱动中的显示缓冲区，往这块缓冲写数据，lcd就会按数值转换成相应颜色显示在LCD屏上。

那么就需要把lcd设备文件映射到进程的地址空间中。

首先来介绍mmap函数：（man 2 mmap可以查看该函数的用法）

void *mmap(void *addr, 
			size_t length,
			int prot, 
			int flags,
			int fd, 
			off_t offset);

功能：把文件的内存映射到进程的地址空间中。

参数：

addr: 设置一个可用的地址，一般情况你不知道哪个地址是可用的。

?????? 所以，给0表示由系统自动分配。

length：映射的长度。单位是字节

prot：属性。如PROT_READ（可读），PROT_WRITE（可写）等。

?????? ? PROT_EXEC ??????? 映射后的地址空间可以执行代码.

?????? ? PROT_READ? ???? 映射后可以读.

?????? ? PROT_WRITE ???? 映射后可以写

?????? ? PROT_NONE ?????? 映射后不能访问???

flags：保护标志。常用的是共享方式 MAP_SHARED。

fd ：open返回的文件描述符。

offset：是从文件的哪个地方开始映射。???

返回值：映射后的首地址指针。

如下：

fbp =(unsigned char *) mmap (0, 					//表示系统自动分别可以映射地址
						 screensize, 			//映射大小（字节）
						 PROT_READ | PROT_WRITE, //映射得到的空间属性
						 MAP_SHARED, 			// 保护标志
						 fp,						//要映射的文件描述符
						 0);						//从文件的那个地方开始映射

把lcd设备文件映射到进程的地址空间，从映射开始0开始、大小为 screensize 的内容，得到一个指向这块空间首地址的指针fbp。

(5) 使用映射后的地址对屏进行操作

?? 使用上面得到的 fbp 指针，我们就可以来操作lcd的显示缓冲区了。

? ?示例1：要在(100,200) 处画一个点。

1- 计算偏移(固定的)地址：

?????? off = (800*200+100) * 4; ?

屏幕上的点是呈(x,y)坐标形式，而进程地址空间呈一块连续的地址内存。所以要计算由屏上的点对于进程空间的地址。

写成通用的表示:

?????? Off = (xres*y + x) * bpp/8;

2- 写入颜色数据（是一个32位的数据）：

*(unsigned int *)(fbp+off) = 0x00ff0000;//低地址存低字节（小端格式）
或：
* (fbp+off)   = 0x00;  //B(蓝色)
* (fbp+off+1) = 0x00; 	//G(绿色)
* (fbp+off+2) = 0xff;	//R(红色)
* (fbp+off+3) = 0x00; //透明色

*(fbp+off)就是我们要写入颜色值的地方。

Fbp就是屏的起始点地址指针，fbp+off是指定点的地址指针。

这里的颜色表示是32bpp色深形式，rgb+透明色形式。

从低地址到高地址为B(蓝色)、G(绿色)、透明色。

我们可以把以上两个步骤封装成一个函数：

void show_pixle(int x,int y,unsigned int c)
{
    location = x * (vinfo.bits_per_pixel / 8) + y * finfo.line_length;
    *(unsigned int*)(fbp + location) = c;    
}

参数：

X:要画的点(x,y)的x坐标

Y:要画的点(x,y)的y坐标

C:要写入的颜色值

(6) 释放映射

知道映射的首地址指针，映射的大小就可以把之前映射的进程地址空间释放，还给系统作其他用途。

munmap (fbp, screensize);

(7) 关闭文件

然后就是把你打的设备文件关闭了。

close (fp);

OK，到此，你对这个文件的操作就结束了。

3.2 示例代码: 获取屏幕信息

3.3 示例代码: 显示一个中文字符

四、MMAP驱动实现

4.1 mmap简介

mmap函数用于将一个文件或者其它对象映射进内存，通过对这段内存的读取和修改，来实现对文件的读取和修改，而不需要再调用read,write等操作。

4.2 mmap系统调用接口参数说明

MAP_SHARED：写入映射区的数据会复制回文件，且允许其他映射该文件的进程共享。

MAP_PRIVATE：对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy_on_write)，对此区域所做的修改不会写回原文件。

offset:以文件开始处的偏移量，必须是分页大小的整数倍，通常为0，表示从文件头开始映射。

功能：取消参数start所指向的映射内存，参数length表示欲取消的内存大小。

4.3 Linux内核的mmap接口

Linux内核中使用结构体vm_area_struct来描述虚拟内存的区域，其中几个主要成员如下：

其中：VM_IO表示对设备IO空间的映射，M_RESERVED表示该内存区不能被换出，在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的，应该保留起来，不能随便被别的虚拟页换出（取消）。

在字符设备的文件操作集合（struct file_operations）中有mmap函数的接口。原型如下：

其中第二个参数struct vm_area_struct *相当于内核找到的，可以拿来用的虚拟内存区间。mmap内部可以完成页表的建立。

4.5 实现mmap映射

? ? ? ?映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上，当程序读写这段用户空间的地址时，它实际上是在访问设备。这里需要做的两个操作：

其中的buf就是在内核中申请的一段空间。使用kmalloc函数实现。

4.6 remap_pfn_range函数

? ? ? 其中vma是内核为我们找到的虚拟地址空间，addr要关联的是虚拟地址，pfn是要关联的物理地址，size是关联的长度是多少。

ioremap是用来为IO内存建立映射的，它为IO内存分配了虚拟地址，这样驱动程序才可以访问这块内存。

4.7 示例代码

五、FrameBuffer帧缓冲驱动框架

使用帧缓冲相关函数与数据结构需要添加头文件: #include <linux/fb.h>

5.1??帧缓冲注册与注销函数

1. FrameBuffer注册函数

说明: 注册成功之后，会在/dev目录下生成fb开头的设备文件。

2. FrameBuffer注销函数

5.2 struct fb_info结构介绍

LCD屏专属的文件操作接口,在fb.h定义，以下列出了常用的几个函数接口:

5.3?分配显存地址

功能介绍:分配一块物理地址连续的内存，供后续 DMA 传输使用。

返回值: 物理地址对应的虚拟地址，内核代码本身只能操作虚拟地址。

5.4? 帧缓冲框架注册示例代码

以下演示了帧缓冲的驱动框架，剩下事情可以直接加入硬件代码。

1. 帧缓冲驱动代码

2. 应用层代码

六、OLED显示屏驱动+帧缓冲驱动模板

6.1 OLED简介

OLED，即有机发光二极管（ Organic Light Emitting Diode）。 OLED 由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

LCD 都需要背光，而 OLED 不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示 OLED 效果要来得好一些。以目前的技术，OLED 的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。在此我们使用的是中景园电子的 0.96 寸 OLED 显示屏，该屏有以下特点：

1）0.96 寸 OLED 有黄蓝，白，蓝三种颜色可选；其中黄蓝是屏上 1/4 部分为黄光，下 3/4 为蓝；而且是固定区域显示固定颜色，颜色和显示区域均不能修改；白光则为纯白，也就是黑底白字；

3）多种接口方式；OLED 裸屏总共种接口包括：6800、8080 两种并行接口方式、3 线或 4 线的串行 SPI 接口方式、 IIC 接口方式（只需要 2 根线就可以控制 OLED 了！），这五种接口是通过屏上的 BS0~BS2 来配置的。

4）OLED屏开发了两种接口的 Demo 板，接口分别为七针的 SPI/IIC 兼容模块，四针的IIC 模块。

6.2 OLED驱动代码示例

6.3 应用层测试代码示例

6.4 OLED显示效果图

七、LCD驱动编写

7.1 编写S70屏幕驱动

? ? ?如果自己编写了LCD驱动(S720屏幕)，测试LCD驱动之前，先去除内核自带的LCD驱动，编译烧写内核:

7.2 增加自己的LCD驱动

下面步骤演示，在内核自带的LCD驱动框架上增加自己的LCD信息。