謝 聰

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

通信顯示終端是通信系統(tǒng)及設(shè)備的重要組成部分，通常具有一定的信息處理能力和對外通信網(wǎng)絡(luò)接口，提供相關(guān)設(shè)備信息的顯示功能以及人機交互功能。目前觸屏顯示設(shè)備主要基于X86系列處理器，其驅(qū)動及應(yīng)用軟件系統(tǒng)與PC系統(tǒng)類似具有良好的復(fù)用性只需部署即可使用，作為通信設(shè)備的顯示終端為兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性、低功耗、小型化等特性，為此需選用嵌入式處理器開發(fā)通信智能控制顯示終端，來更好的滿足上述要求，但在嵌入式終端設(shè)備的軟件平臺及系統(tǒng)應(yīng)用方面沒有成熟的商業(yè)化平臺，因此，通用通信智能控制顯示終端的軟件系統(tǒng)開發(fā)是設(shè)備實現(xiàn)的關(guān)鍵，而底層的驅(qū)動開發(fā)及移植是實現(xiàn)的軟件基礎(chǔ)。本文主要就通信領(lǐng)域的智能控制顯示終端的觸屏顯示設(shè)備的LCD原理及其驅(qū)動開發(fā)等方面進行了詳細介紹，重點分析了終端設(shè)備顯示控制器的寄存器設(shè)置以及控制器顯示模塊的驅(qū)動實現(xiàn)方法，結(jié)合選型的工業(yè)液晶屏?xí)r序要求在嵌入式系統(tǒng)上進行移植和測試驗證，為實現(xiàn)具有自主可控的智能通信控制顯示終端及平臺提供基礎(chǔ)支撐和技術(shù)保障。

2 顯示終端原理概述

2.1 顯示屏原理

TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器），成為目前最為主流的液晶顯示器類型，廣泛應(yīng)用于桌面顯示器、筆記本電腦和眾多嵌入式設(shè)備中。邏輯上顯示屏所顯示的一幅完整畫面即一個幀（frame），在系統(tǒng)內(nèi)存中用一段存儲空間（幀緩沖設(shè)備）與整個顯示區(qū)域?qū)?yīng)，應(yīng)用通過改變該幀緩沖（FrameBuffer）的內(nèi)容，從而改變顯示屏的顯示內(nèi)容；顯示屏上的每一像素點都與幀緩沖設(shè)備里的某一位置對應(yīng)，鑒于計算機顯示的顏色是通過RGB值來表示的，則必須給出相應(yīng)的幀緩沖中RGB碼值來實現(xiàn)顯示屏在屏幕某一像素點顯示某種顏色的效果［1～2］。物理上TFT-LCD液晶屏由顯示屏、信號驅(qū)動部件、背光源等組成，其最重要的信號驅(qū)動部件由LCD控制器、LCD時序控制器、源驅(qū)動器/柵極驅(qū)動器構(gòu)成，目前LCD控制器多集成在處理器中，專門用于液晶屏的接口，可以獨立地對屏提供同步時序信號和顯示數(shù)據(jù)信號；時序控制器是信號驅(qū)動部件中負責(zé)時序管理的控制單元，它直接控制著屏中的驅(qū)動部件（LCD驅(qū)動器）保證其輸出正確的控制時序，實現(xiàn)LCD控制器與LCD驅(qū)動器間的信號時序轉(zhuǎn)換功能；LCD驅(qū)動器主要用來生成屏所需要的各種驅(qū)動信號，分為柵極驅(qū)動器（Gate Driver）和源驅(qū)動器（Source Driver）［3］，其物理組成框圖見圖1。

圖1 顯示屏物理組成示意框圖

一般LCD驅(qū)動器所需要的輸入時序信號眾多，且不同的LCD驅(qū)動器所需要的輸入時序信號不盡相同，以下信號是所有LCD驅(qū)動器所必需的，如表1。

表1 LCD信號功能表

2.2 顯示終端平臺組成

本文涉及的通信終端采用目前主流ARM Cor?tex處理器、液晶觸摸顯示屏、嵌入式Linux操作系統(tǒng)等構(gòu)建顯示終端基礎(chǔ)平臺，為上層基于QT等GUI工具開發(fā)的通信監(jiān)控應(yīng)用提供運行環(huán)境。

2.2.1 硬件組成

硬件平臺采用三星公司的S5PV210芯片為微處理器，S5PV210采用的是主頻可達到1G Hz的ARM Cortex-A8內(nèi)核，具有64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存，512KB的二級緩存，可實現(xiàn)每秒2億條指令集的運算能力。支持XGA（1027*768）級別LCD顯示，其內(nèi)置LCD控制器可以傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號，接口包含行掃/時鐘/使能控制信號和RGB數(shù)據(jù)信號，通過I2C和中斷腳方式支持電容和電阻屏［4～6］；液晶屏選用日立工業(yè)屏KOE TX18D200VM0EAA，它是由JDI公司生產(chǎn)的5寸TFT類型的LCD，支持VGA接口，4：3格式，分辨率為640*480像素，262K色（R、G、B 6BIT），顯示響應(yīng)時間不大于45ms［7］。

2.2.2 基礎(chǔ)軟件組成

底層基礎(chǔ)軟件基于嵌入式Linux內(nèi)核和Fram?buffer機制進行驅(qū)動設(shè)計與移植。

3 軟件設(shè)計

3.1 顯示屏數(shù)據(jù)組織

LCD上一副畫面稱為一幀，每幀由多個行組成，多個像素組成了一行，多位（bit）數(shù)據(jù)組成了每個像素的顏色。對于262K色的KOE TX13D200VM5BAA LCD，每個像素由18bit來表示R、G、B各6bit，稱為18BPP。當(dāng)VSYNC信號到來，顯示器從屏幕的最左上方開始，從左往右一行行的顯示每個像素的數(shù)據(jù)，當(dāng)顯示到一行最右邊時，HSYNC信號到來，隨即跳到下一行的最左邊開始顯示下一行；當(dāng)所有行顯示完后，VSYNC信號重新到來，跳到最左上方顯示下一幀［8］。

3.2 內(nèi)存數(shù)據(jù)組織

通常LCD控制器支持多種幀緩沖區(qū)的內(nèi)存格式，如：25BPP Display（A888）、32BPP（8888）、24BPP Display（A887）、24BPP Display（888）等，實際上在Linux驅(qū)動程序里用得比較多的是32BPP（8888）的內(nèi)存格式組織圖象數(shù)據(jù)，即用32位數(shù)據(jù)來表示一個像素的顏色，每種原色（R、G、B）使用8位，還有8位分配給ALPHA。（ALPHA用于實現(xiàn)圖形漸變效果、半透明效果：0xff全透明0x00不透明）其32BPP（8888）格式在內(nèi)存中像素的排列格式如表2。

表2 32BPP內(nèi)存格式WSWP無效

控制器中的VDMA自動地從幀緩沖區(qū)中獲取視頻數(shù)據(jù)（如上述的32BPP（8888）內(nèi)存格式），再由VPRCS接受來自VDMA的視頻數(shù)據(jù)后并將它們組合成指定的數(shù)據(jù)格式（例如24bpp或16bpp模式），經(jīng)由控制器數(shù)據(jù)端口（RGB_VD，or SYS_VD）發(fā)送到LCD顯示，像素顏色值與VD［23：0］引腳的對應(yīng)關(guān)系。

結(jié)合文獻［9］中介紹時序關(guān)系，LCD屏根據(jù)其時序設(shè)置，按這些信號有序并不停地讀取總線數(shù)據(jù)并顯示；

3.3 S5PV210顯示控制器寄存器設(shè)置

通過設(shè)置S5PV210的顯示控制器的寄存器，配置顯示緩沖區(qū)、時序、窗口、坐標等參數(shù)后，便可將所顯示的內(nèi)容從顯示緩沖區(qū)中讀出屏中顯示［10］，其寄存器說明見表3。

表3 CPU顯控寄存器組成表

寄存器的配置在操作系統(tǒng)內(nèi)核中文件路徑為

/drivers/video/samsung/S3cfb_fimd6x.c中實現(xiàn)。其具體相關(guān)實現(xiàn)函數(shù)如下：

函數(shù)s3cfb_set_output：配置VIDCON0寄存器，實現(xiàn)視頻控制器的輸出格式（RGB）；

函數(shù)s3cfb_set_display_mode：配置 VIDCON0寄存器，實現(xiàn)RGB的模式（Parallel RGB）；

函數(shù) s3cfb_set_timing：配置VIDTCON0、VIDT?CON1寄存器，根據(jù)實際LCD的時序圖設(shè)定VBPDE（YVU）、VBPD 、VFPD、VSPW、VFPDE（YVU）、HB?PD、HFPD、HSPW；

函 數(shù) s3cfb_set_window_position：配 置 VI?DOSD0C和VIDOSD0B寄存器，設(shè)置窗口的左上角和右下角的位置；

函數(shù)s3cfb_set_window_size：配置 VIDOSD0C寄存器，設(shè)置窗口的大?。℉eight*Width）；

函數(shù)s3cfb_set_buffer_size：配置VIDWxxADD2寄存器，設(shè)置虛擬屏幕的頁寬度（字節(jié)）。

3.4 幀緩沖驅(qū)動框架分析

幀緩沖設(shè)備驅(qū)動采用分層的設(shè)計方式，在內(nèi)核空間里第一層是對幀緩沖設(shè)備文件層接口file_op?erations結(jié)構(gòu)體進行填充（代碼實現(xiàn)在/drivers/video/fbmem.c），它向用戶空間提供/dev/fb*設(shè)備的訪問接口，用戶空間通過它繪制圖形。在內(nèi)核空間里第二層是對幀緩沖設(shè)備驅(qū)動層接口fb_info結(jié)構(gòu)體進行填充（代碼實現(xiàn)在/drivers/video/samsung/s3cfb.c），這是與架構(gòu)相關(guān)代碼，初始化LCD控制器，注冊/注銷幀緩沖設(shè)備等，其中fb_ops結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)實現(xiàn)對LCD控制器硬件寄存器操作［11］，具體示意圖見圖2。

圖2 函數(shù)組成圖

3.5 驅(qū)動設(shè)計和移植

幀緩沖設(shè)備驅(qū)動最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有定義在/include/linux/fb.h文件中的 fb_info、fb_var_screenin?fo、fb_fix_screeninfo、fb_ops等結(jié)構(gòu)，以及定義在/linux/drivers/vedio/fbmem.c文件中的file_operations結(jié)構(gòu)。

圖3 LCD初始化流程示意

fb_info結(jié)構(gòu)中描述了幀緩沖設(shè)備全部內(nèi)容，例如屬性、狀態(tài)和操作等，每個幀緩沖設(shè)備都有一個對 應(yīng) 的 fb_info結(jié) 構(gòu) ，fb_var_screeninfo、fb_fix_screeninfo、fb_ops都包含在該結(jié)構(gòu)中。其中fb_var_screeninfo結(jié)構(gòu)描述了用戶可修改的顯示控制器參數(shù)，包括LCD分辨率、BPP、內(nèi)存中像素顏色組織方式和時序參數(shù)等；fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)描述了用戶不能修改的顯示控制器參數(shù)，包括屏幕緩沖區(qū)的物理地址、長度等，該結(jié)構(gòu)的成員需要在驅(qū)動程序中初始化和設(shè)置，其初始化過程見圖3；fb_ops結(jié)構(gòu)是指向底層操作的函數(shù)指針結(jié)構(gòu)體，它類似于file_operations結(jié)構(gòu)實現(xiàn)文件設(shè)備操作；file_opera?tions結(jié)構(gòu)是幀緩沖設(shè)備驅(qū)動的文件層操作接口［12］。在s3cfb_probe函數(shù)中，描述了LCD驅(qū)動實現(xiàn)的全部內(nèi)容。s3cfb_lcd是描述LCD屏密切相關(guān)參數(shù)的結(jié)構(gòu)體，在arch/arm/mach-s5pv210/mini210-lcds.c中實現(xiàn)，mini210_machine_init函數(shù)（定義在arch/arm/mach-s5pv210/mach-mini210.c），通 過 調(diào) 用mini210_get_lcd完成LCD屏密切相關(guān)參數(shù)的傳遞，那么移植LCD驅(qū)動的關(guān)鍵內(nèi)容就在于修改s3cfb_lcd結(jié)構(gòu)中的成員。s3cfb_lcd結(jié)構(gòu)如下：

struct s3cfb_lcd｛

int width；

int height；

int p_width；

int p_height；

int bpp；

int freq；

struct s3cfb_lcd_timing timing；

struct s3cfb_lcd_polarity polarity；

void（*init_ldi）（void）；

void（*deinit_ldi）（void）；

unsigned long args；

｝；

根據(jù)KOE TX13D200VM5BAA LCD屏的時序、像素、BPP、極性、頻率等參數(shù)，在arch/arm/mach-s5pv210/mini210-lcds.c中增加如下內(nèi)容：

static struct s3cfb_lcd wvga_s70=｛

.width=640，

.height=480，

.p_width=102，//LCD屏的有效區(qū)域，非物理尺寸

.p_height=77，//LCD屏的有效區(qū)域，非物理尺寸

.bpp=32，

.freq=60，//刷新率

.timing=｛

.h_fp=100，

.h_bp=50，

.h_sw=10，

.v_fp=40，

.v_fpe=1，

.v_bp=4，//guess 4

.v_bpe=1，

.v_sw=1，//guess 1

｝，

.polarity=｛

.rise_vclk=0，//下降沿鎖寸數(shù)據(jù)（此參數(shù)是數(shù)據(jù)圖象清晰的關(guān)鍵參數(shù)）

.inv_hsync=0，

.inv_vsync=0，

.inv_vden=0，

｝

｝

4 測試驗證

4.1 編譯

完成以上內(nèi)核代碼修改后，必須完成編譯才能進行測試。由于移植LCD屏并沒有涉及到驅(qū)動結(jié)構(gòu)的變動，所以勿需修改Makefile、Kconfig文件，執(zhí)行“make menuconfig”，出現(xiàn)配置內(nèi)核界面，在主菜單里選擇＜Exit＞退出，輸入以下命令，開始編譯內(nèi)核：#make zImage，編譯結(jié)束后，會在arch/arm/boot目錄下生成linux內(nèi)核映象文件：zImage。

4.2 測試

將編譯好的LCD設(shè)備驅(qū)動下載到目標板，編寫應(yīng)用測試程序lcd_test；進入測試程序源代碼目，使用命令行進行手工交叉編譯測試程序，生成lcd_test可執(zhí)行文件：

#arm-linux-gcc-o lcd_test lcd_test.c

通過FTP，將編譯好的可執(zhí)行文件下載到目標板。進入目標板上可執(zhí)行文件所

測試結(jié)果如下圖，打開了5個FB，使用了透明度功能，5個窗口疊加效果如下在的目錄，改變可執(zhí)行文件屬性：

#chmod+x lcd_test

執(zhí)行文件：./lcd_test，窗口輸出的信息如下：

open framebuffer ok.

640，480，32bpp

［1511.469789］ s3cfb s3cfb： win 0：pmem_start=0x3c331000

［1511.469803］ s3cfb s3cfb： ［fb0］ dma：0x3c331000，cpu：0xe3000000，size：0x00465000

［1511.476159］ s3cfb s3cfb： ［fb1］ dma：0x3a200000，cpu：0xffc00000，size：0x00177000

［1511.485200］ s3cfb s3cfb： ［fb3］ dma：0x39c00000，cpu：0xffa00000，size：0x00177000

［1511.489190］ s3cfb s3cfb： ［fb4］ dma：0x39e00000，cpu：0xff800000，size：0x00177000

set screeninfo ok

draw color ok

show window ok

實際LCD顯示圖型如圖4所示。

5 結(jié)語

LCD屏顯示及Linux幀緩沖架構(gòu)在嵌入式Linux顯示中已廣泛應(yīng)用，幀緩沖創(chuàng)建的不僅僅是面底層設(shè)備和上層應(yīng)用的抽象，更是一種設(shè)計思想架構(gòu)與應(yīng)用模型，本文通過分析LCD屏以及控制器的原理、特點，結(jié)合嵌入式通信應(yīng)用環(huán)境提出基于最新ARM-CcortexA8架構(gòu)LCD控制器和觸屏的驅(qū)動移植開發(fā)方法，并在實際工作中有所應(yīng)用與實現(xiàn)，隨著后續(xù)研發(fā)實現(xiàn)此驅(qū)動開發(fā)方法和相關(guān)技術(shù)適用于多種智能顯示終端的設(shè)計實現(xiàn)，具有較好的技術(shù)推廣和應(yīng)用價值。

圖4 LCD顯示圖型

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