隨著高性能嵌入式處理器的普及和硬件成本的不斷降低，尤其是ARM 系列處理器的推出，嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)。單色LCD也因?yàn)樯蕟握{(diào)，存儲(chǔ)信息小，處理速度慢而不能符合人們的需求。

　　在多媒體應(yīng)用的推動(dòng)下，彩色LCD越來(lái)越多地應(yīng)用到了嵌入式系統(tǒng)中 如新一代手機(jī)和掌上電腦多采用TFT顯示器件，該顯示器件支持彩色圖形界面和視頻媒體播放。Linux作為開放源代碼的操作系統(tǒng)也在市場(chǎng)中占據(jù)了一席之地。由于Linux成本低廉，源代碼開放，因此成為國(guó)內(nèi)外廠商極力發(fā)展的操作系統(tǒng)。在應(yīng)用需求的推動(dòng)下，Linux下也出現(xiàn)了許多圖形界面軟件包，如MiniGUI、Trolletech公司的Embedded QT等，其圖形界面及開發(fā)工具與Windows CE不相上下。在圖形軟件包的開發(fā)和移植工作中都牽涉到底層LCD的驅(qū)動(dòng)問題。筆者有幸參與了Linux操作系統(tǒng)下LCD部分的開發(fā)，其主要功能是點(diǎn)亮液晶屏，將在攝像頭上采集的BMP圖片在液晶屏上顯示并將BMP 格式壓縮成JPEG格式，使得存儲(chǔ)量減少。因此筆者就在開發(fā)過程中遇到的問題一一闡述。

　　背景知識(shí)

　　在切入正題之前，先來(lái)了解在做驅(qū)動(dòng)過程中需要預(yù)先知道的知識(shí)。

　　1 硬件平臺(tái)

　　MC9328MX1(以下簡(jiǎn)稱MX1)是Motorola 公司基于ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式應(yīng)用。內(nèi)部采用ARM920T內(nèi)核，并集成了SDRAM/Flash、LCD，USB、藍(lán)牙.多媒體閃存卡(MMC/SD、Memory Stick)和CMOS攝像頭等控制器。

　　LCD控制器的功能是產(chǎn)生顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LCD顯示器。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，完成配制和顯示控制。MX1中的LCD控制器可支持單色/彩色LCD 顯示器。支持彩色TFT時(shí)，可提供4/8/12/16位顏色模式，其中16位顏色模式下可以顯示64k種顏色。配置LCD控制器重要的一步是指定顯示緩沖區(qū)，顯示的內(nèi)容就是從緩沖區(qū)中讀出的，其大小由屏幕分辨率和顯示顏色數(shù)決定。在本例中，采用KYocera 公司的KCS057QV1AJ液晶屏，在240×320分辨率下可提供8位彩色顯示，即最大256色位圖。

　　2.Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件類型，一種是字符設(shè)備，另一種是塊設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求讀/寫時(shí)，它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。

　　Linux的設(shè)備管理是和文件系統(tǒng)解密結(jié)合的，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為設(shè)備文件。應(yīng)用程序可以打開、關(guān)閉和讀寫這些設(shè)備文件，完成對(duì)設(shè)備的操作，就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。為了管理這些設(shè)備，系統(tǒng)為設(shè)備編了號(hào)，每個(gè)設(shè)備號(hào)又分為主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)用來(lái)區(qū)分不同種類的設(shè)備，而次設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤，就可以用從設(shè)備號(hào)來(lái)區(qū)分它們。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問到驅(qū)動(dòng)程序。幀緩沖設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)字符設(shè)備，主設(shè)備號(hào)為29，次設(shè)備號(hào)則從0到31。

　　3.Linux的幀緩沖設(shè)備

　　幀緩沖區(qū)是出現(xiàn)在Linux 2.2.xx及以后版本內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口，這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)設(shè)備區(qū)。它允許上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。這種操作是抽象的、統(tǒng)一的，用戶不必關(guān)心物理顯存的位置、換頁(yè)機(jī)制等具體細(xì)節(jié)。這些都由Framebufer設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。幀緩沖設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/fb*，如果系統(tǒng)有多個(gè)顯示卡，Linux下還可支持多個(gè)幀緩沖設(shè)備，最多可達(dá)32個(gè)，分別為/dev/fb0到/dev/fb31，而/dev/fb則為當(dāng)前缺省的幀緩沖設(shè)備，通常指向/dev/fb0。當(dāng)然在嵌入式系統(tǒng)中支持一個(gè)顯示設(shè)備就夠了。在使用Framebufer時(shí)，Linux是將顯卡置于圖形模式下的.在應(yīng)用程序中，一般通過將Frame-Buffer設(shè)備映射到進(jìn)程地址空間的方式使用，對(duì)于幀緩沖來(lái)說(shuō)，可以把它看成是一段內(nèi)存，用于讀寫內(nèi)存的函數(shù)均可對(duì)這段地址進(jìn)行讀寫，只不過這段內(nèi)存被專門用于放置要在LCD上顯示的內(nèi)容，其目的就是通過配置LCDC寄存器在一段指定內(nèi)存與LCD 之間建立一個(gè)自動(dòng)傳輸?shù)耐ǖ?。這樣，任何程序只要修改這段內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，就可以改變LCD 上的顯示內(nèi)容。

　　FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)基于linux/include/linux/fb.h和linux/drivers/video/fbmem.c這兩個(gè)文件，下面就詳細(xì)分析這兩個(gè)文件。

　　首先分析linux/include/linux/fb.h文件，幾乎主要的結(jié)構(gòu)都是在這個(gè)文件中定義的。這些結(jié)構(gòu)包括：

◆ fb_var_screeninfo 這個(gè)結(jié)構(gòu)描述了顯示卡的特性，記錄了幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息。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(lái)表示。
◆ fb_fix_screeninfon 這個(gè)結(jié)構(gòu)在顯卡被設(shè)定模式后創(chuàng)建，它描述顯示卡的屬性，并且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不能被修改；比如FrameBuffer內(nèi)存的起始地址。
◆ struct fb_info Linux為幀緩沖設(shè)備定義的驅(qū)動(dòng)層接口。它不僅包含了底層函數(shù)，而且還有記錄設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)。每個(gè)幀緩沖設(shè)備都與一個(gè)fb_info結(jié)構(gòu)相對(duì)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。
◆ fb_cmap描述設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色映射信息?？梢酝ㄟ^FBIOGETCMAP 和FBIOPUTCMAP 對(duì)應(yīng)的ioctl操作設(shè)定或獲取顏色映射信息。然后分析fbmem.h文件。

　　幀緩沖設(shè)備屬于字符設(shè)備，采用“文件層-驅(qū)動(dòng)層”的接口方式。在文件層為之定義了以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
Static struct file_operations
fb_fops={
ower:THIS_MODULE,
read:fb_read,/*讀操作*/
write:fb_write,/*寫操作*/
ioctl:fb_ioctl,/*I/O操作*/
mmap:fb_mmap,/*映射操作*/
open:fb_open,/*打開操作*/
release:fb_release,/*關(guān)閉操作*/}

　　其成員函數(shù)都在linux/driver/video/fbmem.c中定義，其中的函數(shù)對(duì)具體的硬件進(jìn)行操作，對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)顯示緩沖進(jìn)行映射。

　　對(duì)于/dev/fb，對(duì)顯示設(shè)備的操作主要有以下幾種：

　　◆ 讀/寫(read/write)/dev/fb 相當(dāng)于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。

　　◆ 映射(map)操作 由于Linux工作在保護(hù)模式和每個(gè)應(yīng)用程序里都有自己的虛擬地址空間，在應(yīng)用程序中是不能直接訪問物理緩沖區(qū)地址的。因此，Linux在文件操作file_operations結(jié)構(gòu)中提供了mmap函數(shù)，可將文件的內(nèi)容映射到用戶空間。對(duì)于幀緩沖設(shè)備，則可通過映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上繪圖。

　　◆ I/O控制 對(duì)于幀緩沖設(shè)備，對(duì)設(shè)備文件的ioctl操作可讀取/設(shè)置顯示設(shè)備及屏幕的參數(shù)，如分辨率、顯示顏色數(shù)和屏幕大小等。ioctl的操作是由底層的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成的。

　　在應(yīng)用程序中，操作/dev/fb的一般步驟為首先打開/dev/fb設(shè)備文件，然后用ioctl操作取得當(dāng)前顯示屏幕的參數(shù)，如屏幕分辨率，每個(gè)像素點(diǎn)的比特?cái)?shù)，根據(jù)屏幕參數(shù)可計(jì)算屏幕緩沖區(qū)的大小。接下來(lái)，將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間。最后，映射后就可以直接讀寫屏幕緩沖區(qū)，進(jìn)行繪圖和圖片顯示了。典型程序段如下：
#include
int main(){
int fb=0;
struct fb_var_screeninfo vinfo;
struct fb_flx_screeninfo finfo;
long int screensize=0;
fb=open("/dev/fbO",O_RDWR);
/*打開設(shè)備文件*/
inctl(fb,FBIOGET_FSCREENINFO,&finfo)；
/*取得屏幕相關(guān)參數(shù)*/
inctl(fb,FBIOT_VSCREENINFO,&vinfo);
ioctl(current_vt,KDSETMODE,KD_GRAPHICS)；//console就進(jìn)入了圖形模式，不顯示文本光標(biāo)也不回顯
/*計(jì)算屏幕緩沖區(qū)大小*/
screensize=vinfo.xres*vinfo.
yres*vinfo.bits_per_pixel/8;
/*映射屏幕緩沖區(qū)到用戶地址空間*/
fop=(char*)mmap(0,screensize,
PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_SHARED,fb,0);
/*下面可通過fop指針讀寫緩沖區(qū)*/
……)

　　由于準(zhǔn)備在LCD 上顯示一幅256色BMP圖片，關(guān)于BMP 圖片方面的知識(shí)請(qǐng)見相關(guān)鏈接。

　　4.幀緩沖驅(qū)動(dòng)的縮寫

　　了解了上述知識(shí)后，在編寫驅(qū)動(dòng)的時(shí)候就簡(jiǎn)單多了。源程序共將程序分為初始化幀緩沖模塊fb_init()，調(diào)色板獲取色彩模塊get_cmap()，圖片顯示模塊display_bmp()，main函數(shù)4個(gè)函數(shù)。其中調(diào)色板獲取色彩模塊的功能是從文件中獲得圖像顯示色彩，重置系統(tǒng)調(diào)色板，使圖像能正確的顯示色彩。
static void ge_cmap(struct
fb_cmap *cmap,int fb){
memset(cmap,0,sizeof
(struct fb_cmap));//為cmap分配內(nèi)存
cmap->start=0;
cmap->len=256;
cmap->red=calloc(256,sizeof(_u16));
cmap->green=calloc(256,sizeof(_u16));
cmap->blue=calloc(256,sizeof(_u16));
ioctl(fb,FBIOGETCMAP,cmap);}

　　圖片顯示函數(shù)部分重要代碼為：

　　lseek(fp_bmp,pos+1024,SEEK_SET);//將當(dāng)前文件指針定位在BMP圖形數(shù)據(jù)區(qū)開始讀取數(shù)據(jù)信息
read(fp_bmp,tp,76800);//320*240
for(size=0;size<76800;size++)
*(lcd_base+size)=*(tp+76800-size);//數(shù)據(jù)是從下往上放置
free(tp);

　　在主函數(shù)中，建立一個(gè)進(jìn)程調(diào)用圖片顯示函數(shù)
pid_t pid;
pid=fork();
if(fork>1){if(fb_init()) break；
memset(lcd_bas,0x3f,320*240);
display_bmp("/tmp/cat01.bmp",fb);}
……}

　　至此LCD的驅(qū)動(dòng)程序就編寫完成了，經(jīng)過調(diào)試，編譯鏈接，然后用串口下載到實(shí)驗(yàn)板上，一幅256色BMP圖片就可以出現(xiàn)在液晶屏幕上了。

　　5.應(yīng)用價(jià)值

　　液晶屏點(diǎn)亮了，這只是第一步，我們可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，比如筆者將此應(yīng)用在一個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。在這個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像處理占很大的比重，基本的圖像處理構(gòu)成如下：

　　◆ 圖像采集模塊圖像采集模塊需要兩種裝置，一種是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的物理器件，如攝像機(jī)；另一種是能夠?qū)⒛M電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件，如圖像采集卡。
　　◆ 圖像處理模塊對(duì)圖像的處理一般可用算法的形式描述，但是對(duì)于特殊的問題需要特殊的解決方法，圖像處理模塊中不但包含了對(duì)圖像的一般處理方法，也包括一些特殊的算法處理。
　　◆ 圖像顯示模塊對(duì)于采集得到的圖像，經(jīng)過處理以后，最終需要顯示給用戶看。在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集部分中，需要對(duì)展開的圖像進(jìn)行滾屏顯示：在圖像編輯部分中，需要瀏覽所要拼接的圖像。所以圖像顯示對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。
　　◆ 圖像儲(chǔ)存模塊由于圖像中包含有大量的信息，并且由于系統(tǒng)所采用8位真彩色格式，因此需要大量的空間。因此，在本系統(tǒng)中需要大容量和快速的圖像存儲(chǔ)器。
　　◆ 圖像通信模塊隨著網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展，圖像通信傳輸也得到極大的重視。另外，圖像傳輸可以使不同的系統(tǒng)共享圖像數(shù)據(jù)資源，快速地將結(jié)果反映到遠(yuǎn)處系統(tǒng)，所以極大推動(dòng)了圖像在各個(gè)方面的應(yīng)用。

　　在這五步中，首先在點(diǎn)亮液晶屏之后，才能做下一步工作。比如說(shuō)筆者能夠在LCD顯示一幅圖畫，但由于這幅圖是BMP格式的，它的存儲(chǔ)量非常驚人，一幅320×240的BMP格式就有320×240×8/8=76800，也就是77KB，這對(duì)于系統(tǒng)資源相對(duì)短缺的嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)占用系統(tǒng)RAM 太大了，因此我們就要將BMP格式的圖片壓縮成占用系統(tǒng)資源少的圖片格式，比如JPEG 格式或PNG格式，可以有效地減少存儲(chǔ)量。

　　由于篇幅所限，不可能把完整的源代碼均做一番解釋，但主要的過程就是這些，在此拋磚引玉。隨著液晶屏在嵌入式設(shè)備中的用途越來(lái)越廣，會(huì)有很大的空間值得我們?nèi)パ芯俊?BR>
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