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(duì)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(jī)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(dòng)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(tái)及系統(tǒng)應(yīng)用方面沒有成熟的商業(yè)化平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，而底層的驅(qū)動(dòng)開發(fā)及移植是實(shí)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(dòng)開發(fā)等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，重點(diǎn)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(dòng)實(shí)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(jìn)行移植和測(cè)試驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)具有自主可控的智能通信控制顯示終端及平臺(tái)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(gè)幀（frame），在系統(tǒng)內(nèi)存中用一段存儲(chǔ)空間（幀緩沖設(shè)備）與整個(gè)顯示區(qū)域?qū)?yīng)，應(yīng)用通過改變?cè)搸彌_（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(diǎn)都與幀緩沖設(shè)備里的某一位置對(duì)應(yīng)，鑒于計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)顯示屏在屏幕某一像素點(diǎn)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(hào)驅(qū)動(dòng)部件、背光源等組成，其最重要的信號(hào)驅(qū)動(dòng)部件由LCD控制器、LCD時(shí)序控制器、源驅(qū)動(dòng)器/柵極驅(qū)動(dòng)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(dú)立地對(duì)屏提供同步時(shí)序信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)信號(hào)；時(shí)序控制器是信號(hào)驅(qū)動(dòng)部件中負(fù)責(zé)時(shí)序管理的控制單元，它直接控制著屏中的驅(qū)動(dòng)部件（LCD驅(qū)動(dòng)器）保證其輸出正確的控制時(shí)序，實(shí)現(xiàn)LCD控制器與LCD驅(qū)動(dòng)器間的信號(hào)時(shí)序轉(zhuǎn)換功能；LCD驅(qū)動(dòng)器主要用來生成屏所需要的各種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分為柵極驅(qū)動(dòng)器（Gate Driver）和源驅(qū)動(dòng)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(dòng)器所需要的輸入時(shí)序信號(hào)眾多，且不同的LCD驅(qū)動(dòng)器所需要的輸入時(shí)序信號(hào)不盡相同，以下信號(hào)是所有LCD驅(qū)動(dòng)器所必需的，如表1。

表1 LCD信號(hào)功能表

2.2 顯示終端平臺(tái)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(tái)，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(yùn)行環(huán)境。

2.2.1 硬件組成

硬件平臺(tái)采用三星公司的S5PV210芯片為微處理器，S5PV210采用的是主頻可達(dá)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(jí)緩存，512KB的二級(jí)緩存，可實(shí)現(xiàn)每秒2億條指令集的運(yùn)算能力。支持XGA（1027*768）級(jí)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(hào)，接口包含行掃/時(shí)鐘/使能控制信號(hào)和RGB數(shù)據(jù)信號(hào)，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(shí)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(jī)制進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與移植。

3 軟件設(shè)計(jì)

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(gè)行組成，多個(gè)像素組成了一行，多位（bit）數(shù)據(jù)組成了每個(gè)像素的顏色。對(duì)于262K色的KOE TX13D200VM5BAA LCD，每個(gè)像素由18bit來表示R、G、B各6bit，稱為18BPP。當(dāng)VSYNC信號(hào)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(gè)像素的數(shù)據(jù)，當(dāng)顯示到一行最右邊時(shí)，HSYNC信號(hào)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(hào)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(shí)際上在Linux驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)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(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

結(jié)合文獻(xiàn)［9］中介紹時(shí)序關(guān)系，LCD屏根據(jù)其時(shí)序設(shè)置，按這些信號(hào)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(shí)序、窗口、坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)。其具體相關(guān)實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

函數(shù)s3cfb_set_output：配置VIDCON0寄存器，實(shí)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(shí)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(shí)際LCD的時(shí)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(yè)寬度（字節(jié)）。

3.4 幀緩沖驅(qū)動(dòng)框架分析

幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用分層的設(shè)計(jì)方式，在內(nèi)核空間里第一層是對(duì)幀緩沖設(shè)備文件層接口file_op?erations結(jié)構(gòu)體進(jìn)行填充（代碼實(shí)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(duì)幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)層接口fb_info結(jié)構(gòu)體進(jìn)行填充（代碼實(shí)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(cè)/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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)設(shè)計(jì)和移植

幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)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?jī)?nèi)容，例如屬性、狀態(tài)和操作等，每個(gè)幀緩沖設(shè)備都有一個(gè)對(duì) 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(shí)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(zhǎng)度等，該結(jié)構(gòu)的成員需要在驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)的文件層操作接口［12］。在s3cfb_probe函數(shù)中，描述了LCD驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的全部?jī)?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(shí)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(dòng)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(shí)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(cè)試驗(yàn)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(jìn)行測(cè)試。由于移植LCD屏并沒有涉及到驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的變動(dòng)，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(huì)在arch/arm/boot目錄下生成linux內(nèi)核映象文件：zImage。

4.2 測(cè)試

將編譯好的LCD設(shè)備驅(qū)動(dòng)下載到目標(biāo)板，編寫應(yīng)用測(cè)試程序lcd_test；進(jìn)入測(cè)試程序源代碼目，使用命令行進(jìn)行手工交叉編譯測(cè)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(biāo)板。進(jìn)入目標(biāo)板上可執(zhí)行文件所

測(cè)試結(jié)果如下圖，打開了5個(gè)FB，使用了透明度功能，5個(gè)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(shí)際LCD顯示圖型如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

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(jì)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(diǎn)，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(dòng)移植開發(fā)方法，并在實(shí)際工作中有所應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，隨著后續(xù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)此驅(qū)動(dòng)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(jì)實(shí)現(xiàn)，具有較好的技術(shù)推廣和應(yīng)用價(jià)值。

圖4 LCD顯示圖型

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