10. LCD驱动程序 ——框架分析

引言：

由LCD的硬件原理及操作（可参看韦哥博客：第017课 LCD原理详解及裸机程序分析）

我们知道只要LCD控制器的相关寄存器正确配置好，就可以在LCD面板上显示framebuffer中的内容。

若应用程序需要在LCD屏幕上显示文字或图像时，只需要把相应的显示内容以正确的格式写到Framebuffer中即可。

（Framebuffer，中文名字是帧缓冲，这个帧也就是一副图像所需要的数据。因此，帧缓冲其实就是LCD设备的驱动程序）

一.LCD驱动程序框架

根据上述思路，Linux LCD 驱动程分为两个层次，如下图所示

类似于Platform 平台驱动框架，也将驱动程序分为相对稳定的算法驱动，即fb总线驱动，与易变的设备驱动，即fb设备驱动

1.底层为LCD硬件驱动层

　　负责对LCD硬件相关寄存器进行初始化；

2.上层为帧缓冲区层

　　主要用来为应用程序提供操作LCD屏的接口，应用程序要在LCD上显示时，只需把内容写到帧缓冲区中即可。

　　在帧缓冲区层，主要把内核空间的一块内存虚拟为一个字符设备，并实现文件接口操作函数（open/read/write）

　    然后把帧缓冲注册为一个字符设备，这样在应用层就可以像访问普通字符设备一样来访问帧缓冲，从而实现显示。

二、驱动源码分析

以s3c2440 CPU为例：

FrameBuffer设备驱动基于如下两个文件：

　　1) linux/include/linux/fb.h

　　2) linux/drivers/video/fbmem.c

下面分析这两个文件。

一）fb.h

帧缓冲主要的数据结构几乎都是在这个中文件定义的。这些结构包括：

1）fb_var_screeninfo

2) fb_fix_screeninfon

3) fb_cmap

4) fb_info

5) struct fb_ops

6) structure map

详见：【Linux开发】全面的framebuffer详解

二）.fbmem.c

　　fbmem.c 处于Framebuffer设备驱动技术的中心位置.它为上层应用程序提供系统调用，

也为下一层的特定硬件驱动提供接口；那些底层硬件驱动需要用到这儿的接口来向系统内核注册它们自己.

　　fbmem.c 为所有支持FrameBuffer的设备驱动提供了通用的接口，避免重复工作.

　　内核中的frambuffer在drivers/video/fbmem.c

1.  进入fbmem.c找到它的入口函数:

 fbmem_init(void)
 {
     create_proc_read_entry("fb", , NULL, fbmem_read_proc, NULL);

     if (register_chrdev(FB_MAJOR,"fb",&fb_fops))  //创建字符设备
         printk("unable to get major %d for fb devs\n", FB_MAJOR);

     fb_class = class_create(THIS_MODULE, "graphics");  //创建类
     if (IS_ERR(fb_class)) {
         printk(KERN_WARNING "Unable to create fb class; errno = %ld\n", PTR_ERR(fb_class));
         fb_class = NULL;
     }
     return ;
 }

（1）create_proc_read_entry在/proc下也会有fb文件

（2）创建字符设备"fb", FB_MAJOR=29,主设备号为29,我们cat /proc/devices 也能找到这个字符设备:

　　　与之前的驱动程序一样，但是没有使用创建设备节点,为什么?

　　　因为需要注册了LCD驱动后，才会有设备节点

（3）class_create 注册了一个类 graphics， 具体的设备文件不在此处创建

2.进入结构体fb_fops

　　此处注册的是字符设备驱动，结构为默认的file_operations = fb_fops， 从 open = fb_open 开始分析

　　分析一下应用层是如何打开驱动、读取驱动数据

　　2.1 fb_open函数如下:

 static int fb_open(struct inode *inode, struct file *file)
 {
        int fbidx = iminor(inode);      //获取设备节点的次设备号
        struct fb_info *info;           //定义fb_info结构体，其中包含帧缓冲相关信息
        int res = ;
        ... ...

 if (!(info = registered_fb[fbidx]))   //(1) info= registered_fb[fbidx],获取此设备号的lcd驱动信息
               try_to_load(fbidx);
        ... ... 

        if (info->fbops->fb_open) {     ////判断此结构体中是否有fb_open
               res = info->fbops->fb_open(info,);  //调用registered_fb[fbidx]->fbops->fb_open
               if (res)
                      module_put(info->fbops->owner);
        }

        return res;
 }

　　 1）.registered_fb[fbidx] 这个数组也是fb_info结构体,其中fbidx等于次设备号id,显然这个数组就是保存我们各个lcd驱动的信息。

　　 2）.根据次设备号在 registered_fb 中寻找对应的 fb_info中的 fb_ops中的open，有就调用，无则返回

#define FB_MAX 32  //次设备号最大为32,最多支持32个fb设备
extern struct fb_info *registered_fb[FB_MAX];

　　2.1 fb_read函数如下:

 static ssize_t fb_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
 {
        unsigned long p = *ppos;
        struct inode *inode = file->f_path.dentry->d_inode;
        int fbidx = iminor(inode);                       //获取次设备号
        struct fb_info *info = registered_fb[fbidx];     //获取次设备号的lcd驱动的信息
        u32 *buffer, *dst;
        u32 __iomem *src;
        int c, i, cnt = , err = ;
        unsigned long total_size;
        ... ...
        if (info->fbops->fb_read)　　//如果自定义了驱动层的read，则调用自定义的，否则调用默认的
               return info->fbops->fb_read(info, buf, count, ppos);

        total_size = info->screen_size;     //获取屏幕长度

        ... ...
 　　　　
        buffer = kmalloc((count > PAGE_SIZE) ? PAGE_SIZE : count,GFP_KERNEL); //分配缓冲区
        if (!buffer)
               return -ENOMEM;

        src = (u32 __iomem *) (info->screen_base + p);         //获取显存物理基地址
        if (info->fbops->fb_sync)
               info->fbops->fb_sync(info); 

        while (count) {
               c  = (count > PAGE_SIZE) ? PAGE_SIZE : count;   //获取页地址
               dst = buffer;

          /*因为src是32位,一个src等于4个字节,所以页地址c >> 2*/
               for (i = c >> ; i--; )
                      *dst++ = fb_readl(src++);    //读取显存每个像素点数据,放到dst地址上

               if (c & ) {
                      u8 *dst8 = (u8 *) dst;
                      u8 __iomem *src8 = (u8 __iomem *) src;
                      for (i = c & ; i--;)
                             *dst8++ = fb_readb(src8++);
                      src = (u32 __iomem *) src8;
               }
               if (copy_to_user(buf, buffer, c)) {  //上传数据,长度等于页地址大小
                      err = -EFAULT;
                      break;
               }
               *ppos += c;
               buf += c;
               cnt += c;
               count -= c;
        }
        kfree(buffer);
        return (err) ? err : cnt;
 }

　　从.open和.write函数中可以发现,都依赖于fb_info帧缓冲信息结构体,它从registered_fb[fbidx]数组中得到,这个数组保存我们各个lcd驱动的信息

.3.registered_fb[fbidx]数组在哪里被注册,位于register_framebuffer():

 int register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)
 {
  ... ...
 for (i =  ; i < FB_MAX; i++)    //查找空的数组
         if (!registered_fb[i])
          break;

 fb_info->node = i;
  ... ...

 /*创建设备节点,名称为fdi,主设备号为29,次设备号为i   */
 fb_info->dev = device_create(fb_class, fb_info->device,MKDEV(FB_MAJOR, i), "fb%d", i);
  ... ...

 registered_fb[i] = fb_info;
  ... ...
 }　　

　　register_framebuffer()除了注册fb_info,还创建了设备节点，底层驱动程序即设备驱动，通过调用register_framebuffer来设置硬件

　　所以要注册驱动时就调用这个,如下图所示:

4.再来看看/drivers/video/s3c2410fb.c 中又是怎么实现驱动的

　　4.1先找到入口出口函数:

 int __devinit s3c2410fb_init(void)
 {
      return platform_driver_register(&s3c2410fb_driver);
 }

 static void __exit s3c2410fb_cleanup(void)
 {
      platform_driver_unregister(&s3c2410fb_driver);
 }

入口函数中，注册LCD平台设备驱动的数据结构体到平台总线上。出口函数则卸载。

　　

　　4.2 来看看平台设备驱动 s3c2410fb_driver 如何定义的

 static struct platform_driver s3c2410fb_driver = {
        .probe           = s3c2410fb_probe,    //检测函数,注册设备
        .remove         = s3c2410fb_remove,    //删除设备
        .suspend = s3c2410fb_suspend,          //休眠
        .resume          = s3c2410fb_resume,   //唤醒
        .driver            = {
               .name     = "s3c2410-lcd",       //drv名字
               .owner    = THIS_MODULE,
        },
 };

　　当有对应的设备注册到平台总线上时，就会根据设备名（s3c2410-lcd）或ID，找到相应的设备驱动，调用probe函数来探测设备。

　　4.2 再进入probe函数看看它的处理

　　先看看函数传入的参数  s3c2410fb_probe (struct platform_device *pdev)

 //arch\arm\plat-s3c24xx\devs.c
 struct platform_device s3c_device_lcd = {
     .name          = "s3c2410-lcd", //设备名称
     .id            = -,            //设备ID
     .num_resources = ARRAY_SIZE(s3c_lcd_resource),
     .resource      = s3c_lcd_resource,
     .dev           = {
        .dma_mask      = &s3c_device_lcd_dmamask,
        .coherent_dma_mask    = 0xffffffffUL
     }
 };

 static int __init s3c2410fb_probe(struct platform_device *pdev)
 {
        struct s3c2410fb_info *info; //定义指向s3c2410fb_info的结构体指针
        struct fb_info     *fbinfo; //定义指向fb_info的结构体指针
        struct s3c2410fb_hw *mregs;
        int ret;
        int irq;
        int i;
        u32 lcdcon1;

        mach_info = pdev->dev.platform_data;     //获取LCD设备信息(长宽、类型等)

        if (mach_info == NULL) {
               dev_err(&pdev->dev,"no platform data for lcd, cannot attach\n");
               return -EINVAL;
        }
        mregs = &mach_info->regs;

        irq = platform_get_irq(pdev, );
        if (irq < ) {
               dev_err(&pdev->dev, "no irq for device\n");
               return -ENOENT;
        }

 　　　　/* 1. 分配一个s3c2410fb_info结构体给fbinfo*/
        fbinfo = framebuffer_alloc(sizeof(struct s3c2410fb_info), &pdev->dev);
        if (!fbinfo) {
               return -ENOMEM;
        }

      /*2.设置fb_info*/
        info = fbinfo->par; //par成员用来存放帧缓冲的私有数据，此处为LCD控制器
        info->fb = fbinfo;
        info->dev = &pdev->dev;
        ... ...

     /*3.硬件相关的操作,设置中断,LCD时钟频率,显存地址, 配置引脚... ...*/
        ret = request_irq(irq, s3c2410fb_irq, IRQF_DISABLED, pdev->name, info); //设置中断
        info->clk = clk_get(NULL, "lcd");             //获取时钟
        clk_enable(info->clk);                        //使能时钟
        ret = s3c2410fb_map_video_memory(info);       //显存地址
        ret = s3c2410fb_init_registers(info);         //设置寄存器,配置引脚
        ... ...
 　　 
　　　　　　/* 4.注册一个fb_info结构体，里面包含帧缓冲的相关信息 */
        ret = register_framebuffer(fbinfo);
        if (ret < ) {
               printk(KERN_ERR "Failed to register framebuffer device: %d\n", ret);
               goto free_video_memory;
        }
 ... ...
 return ret;
 }

完成了帧缓冲变量struct s3c2410fb_info初始化之后，调用fbmem.c的接口，即第49行，通过register_framebuffer注册fb_info结构体后，
会根据次设备号将fb_info存入registered_fb[fbidx]数组中，
这样操作函数就可以通过次设备号找到数组中对应的设备信息，进行操作。
参考一下框图

总结

参照drivers\video\s3c2410fb.c来设计这个fb总线下的platform平台驱动,我们这里不使用platform设计,
而是直接写驱动.参考s3c2410fb_probe来进行初始化设置

由上可知要写个LCD驱动程序,需要以下4步:

1) 分配一个fb_info结构体: framebuffer_alloc();

2) 设置fb_info

3) 硬件相关的操作(设置中断,LCD时钟频率,显存地址, 配置引脚... ...)

4 注册fb_info: register_framebuffer()

下一节写LCD驱动程序

参考：

15.linux-LCD层次分析(详解)

lcd驱动框架

Linux的帧缓冲设备

【Linux开发】全面的framebuffer详解

深入理解嵌入式Linux设备驱动程序