linux LCD驱动（二）--FrameBuffer

2. Linux 驱动

2.1 FrameBuffer

Linux是工作在保护模式下，所以用户态进程是无法像DOS那样使用显卡BIOS里提供的中断调用来实现直接写屏，Lin仿显卡的功能，将显ux抽象出FrameBuffer这个设备来供用户态进程实现直接写屏。Framebuffer机制模卡硬件结构抽象掉，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。这些都是由Framebuffer设备驱动来完成的。

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在Linux系统下，FrameBuffer的主要的结构如图所示。Linux为了开发FrameBuffer程序的方便，使用了分层结构。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。下将介绍fbmem.c主要的一些数据结构。

2.2 数据结构

2.2.1 Linux FrameBuffer的数据结构

在FrameBuffer中，fb_info可以说是最重要的一个结构体，它是Linux为帧缓冲设备定义的驱动层接口。它不仅包含了底层函数，而且还有记录设备状态的数据。每个帧缓冲设备都与一个fb_info结构相对应。fb_info的主要成员如下

struct fb_info {

int node;

struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */

struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix */

struct fb_videomode *mode; /* current mode */

struct fb_ops *fbops;

struct device *device; /* This is the parent */

struct device *dev; /* This is this fb device */

char __iomem *screen_base; /* Virtual address */

unsigned long screen_size; /* Amount of ioremapped VRAM or 0 */

…………

};

其中node成员域标示了特定的FrameBuffer，实际上也就是一个FrameBuffer设备的次设备号。fb_var_screeninfo结构体成员记录用户可修改的显示控制器参数，包括屏幕分辨率和每个像素点的比特数。fb_var_screeninfo中的xres定义屏幕一行有多少个点, yres定义屏幕一列有多少个点, bits_per_pixel定义每个点用多少个字节表示。其他域见以下代码注释。

struct fb_var_screeninfo {

__u32 xres; /* visible resolution */

__u32 yres;

__u32 xoffset; /* offset from virtual to visible */

__u32 yoffset; /* resolution */

__u32 bits_per_pixel; /* bits/pixel */

__u32 pixclock; /* pixel clock in ps (pico seconds) */

__u32 left_margin; /* time from sync to picture */

__u32 right_margin; /* time from picture to sync */

__u32 hsync_len; /* length of horizontal sync */

__u32 vsync_len; /* length of vertical sync */

…………

};

在fb_info结构体中，fb_fix_screeninfo中记录用户不能修改的显示控制器的参数，如屏幕缓冲区的物理地址，长度。当对帧缓冲设备进行映射操作的时候，就是从fb_fix_screeninfo中取得缓冲区物理地址的。

struct fb_fix_screeninfo {

char id[16]; /* identification string eg "TT Builtin" */

unsigned long smem_start; /* Start of frame buffer mem (physical address) */

__u32 smem_len; /* Length of frame buffer mem */

unsigned long mmio_start; /* Start of Mem Mapped I/O(physical address) */

__u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O */

…………

};

fb_info还有一个很重要的域就是fb_ops。它是提供给底层设备驱动的一个接口。通常我们编写字符驱动的时候，要填写一个file_operations结构体，并使用register_chrdev()注册之，以告诉Linux如何操控驱动。当我们编写一个FrameBuffer的时候，就要依照Linux FrameBuffer编程的套路，填写fb_ops结构体。这个fb_ops也就相当于通常的file_operations结构体。

struct fb_ops {

int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);

int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);

ssize_t (*fb_read)(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos);

ssize_t (*fb_write)(struct file *file, const char __user *buf, size_t count,

loff_t *ppos);

int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);

int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,

unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);

int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info)

int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);

……………

}

上面的结构体，根据函数的名字就可以看出它的作用，这里不在一一说明。下图给出了Linux FrameBuffer的总体结构，作为这一部分的总结。



图2.2

2.2.2 S3C2410中LCD的数据结构

在S3C2410的LCD设备驱动中，定义了s3c2410fb_info来标识一个LCD设备，结构体如下：

struct s3c2410fb_info {

struct fb_info *fb;

struct device *dev;

struct s3c2410fb_mach_info *mach_info;

struct s3c2410fb_hw regs; /* LCD Hardware Regs */

dma_addr_t map_dma; /* physical */

u_char * map_cpu; /* virtual */

u_int map_size;

/* addresses of pieces placed in raw buffer */

u_char * screen_cpu; /* virtual address of buffer */

dma_addr_t screen_dma; /* physical address of buffer */

…………

};

成员变量fb指向我们上面所说明的fb_info结构体，代表了一个FrameBuffer。dev则表示了这个LCD设备。map_dma，map_cpu，map_size这三个域向了开辟给LCD DMA使用的内存地址。screen_cpu，screen_dma指向了LCD控制器映射的内存地址。另外regs标识了LCD控制器的寄存器。

struct s3c2410fb_hw {

unsigned long lcdcon1;

unsigned long lcdcon2;

unsigned long lcdcon3;

unsigned long lcdcon4;

unsigned long lcdcon5;

};

这个寄存器和硬件的寄存器一一对应，主要作为实际寄存器的映像，以便程序使用。

这个s3c2410fb_info中还有一个s3c2410fb_mach_info成员域。它存放了和体系结构相关的一些信息，如时钟、LCD设备的GPIO口等等。这个结构体定义为

struct s3c2410fb_mach_info {

unsigned char fixed_syncs; /* do not update sync/border */

int type; /* LCD types */

int width; /* Screen size */

int height;

struct s3c2410fb_val xres; /* Screen info */

struct s3c2410fb_val yres;

struct s3c2410fb_val bpp;

struct s3c2410fb_hw regs; /* lcd configuration registers */

/* GPIOs */

unsigned long gpcup;

unsigned long gpcup_mask;

unsigned long gpccon;

unsigned long gpccon_mask;

…………

};



图2.3

上图表示了S3C2410驱动的整体结构，反映了结构体之间的相互关系

2.3 主要代码结构以及关键代码分析

2.3.1 FrameBuffer驱动的统一管理

fbmem.c实现了Linux FrameBuffer的中间层，任何一个FrameBuffer驱动，在系统初始化时，必须向fbmem.c注册，即需要调用register_framebuffer()函数，在这个过程中，设备驱动的信息将会存放入名称为registered_fb数组中，这个数组定义为

struct fb_info *registered_fb[FB_MAX];

int num_registered_fb;

它是类型为fb_info的数组，另外num_register_fb则存放了注册过的设备数量。

我们分析一下register_framebuffer的代码。

int register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)

{

int i;

struct fb_event event;

struct fb_videomode mode;

if (num_registered_fb == FB_MAX) return -ENXIO; /* 超过最大数量 */

num_registered_fb++;

for (i = 0 ; i < FB_MAX; i++)

if (!registered_fb[i]) break; /* 找到空余的数组空间 */

fb_info->node = i;

fb_info->dev = device_create(fb_class, fb_info->device,

MKDEV(FB_MAJOR, i), "fb%d", i); /* 为设备建立设备节点 */

if (IS_ERR(fb_info->dev)) {

…………

} else{

fb_init_device(fb_info); /* 初始化改设备 */

}

…………

return 0;

}

从上面的代码可知，当FrameBuffer驱动进行注册的时候，它将驱动的fb_info结构体记录到全局数组registered_fb中，并动态建立设备节点，进行设备的初始化。注意，这里建立的设备节点的次设备号就是该驱动信息在registered_fb存放的位置，即数组下标i 。在完成注册之后，fbmem.c就记录了驱动的fb_info。这样我们就有可能实现fbmem.c对全部FrameBuffer驱动的统一处理。

2.3.2 实现消息的分派

fbmem.c实现了对系统全部FrameBuffer设备的统一管理。当用户尝试使用一个特定的FrameBuffer时，fbmem.c怎么知道该调用那个特定的设备驱动呢？

我们知道，Linux是通过主设备号和次设备号，对设备进行唯一标识。不同的FrameBuffer设备向fbmem.c注册时，程序分配给它们的主设备号是一样的，而次设备号是不一样的。于是我们就可以通过用户指明的次设备号，来觉得具体该调用哪一个FrameBuffer驱动。下面通过分析fbmem.c的fb_open()函数来说明。（注：一般我们写FrameBuffer驱动不需要实现open函数，这里只是说明函数流程。）

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static int fb_open(struct inode *inode, struct file *file){

int fbidx = iminor(inode);

struct fb_info *info;

int res;

/* 得到真正驱动的函数指针 */

if (!(info = registered_fb[fbidx])) return -ENODEV;

if (info->fbops->fb_open) {

res = info->fbops->fb_open(info,1); //调用驱动的open()

if (res) module_put(info->fbops->owner);

}

return res;

}

当用户打开一个FrameBuffer设备的时，将调用这里的fb_open()函数。传进来的inode就是欲打开设备的设备号，包括主设备和次设备号。fb_open函数首先通过iminor()函数取得次设备号，然后查全局数组registered_fb得到设备的fb_info信息，而这里面存放了设备的操作函数集fb_ops。这样，我们就可以调用具体驱动的fb_open() 函数，实现open的操作。下面给出了一个LCD驱动的open() 函数的调用流程图，用以说明上面的步骤。



图2.4

2.3.3 开发板S3C2410 LCD驱动的流程

（1）在mach-smdk2410.c中，定义了初始的LCD参数。注意这是个全局变量。

static struct s3c2410fb_mach_info smdk2410_lcd_cfg = {

.regs= {

.lcdcon1 = S3C2410_LCDCON1_TFT16BPP |

S3C2410_LCDCON1_TFT|

S3C2410_LCDCON1_CLKVAL(7),

......

},

.width = 240, .height = 320,

.xres = {.min = 240,.max= 240,.defval = 240},

.bpp = {.min = 16, .max= 16, .defval = 16},

......

};

（2）内核初始化时候调用s3c2410fb_probe函数。下面分析这个函数的做的工作。首先先动态分配s3c2410fb_info空间。

fbinfo = framebuffer_alloc(sizeof(struct s3c2410fb_info),&pdev->dev);

把域mach_info指向mach-smdk2410.c中的smdk2410_lcd_cfg 。

info->mach_info = pdev->dev.platform_data;

设置fb_info域的fix，var，fops字段。

fbinfo->fix.type = FB_TYPE_PACKED_PIXELS;

fbinfo->fix.type_aux = 0;

fbinfo->fix.xpanstep = 0;

fbinfo->var.nonstd = 0;

fbinfo->var.activate = FB_ACTIVATE_NOW;

fbinfo->var.height = mach_info->height;

fbinfo->var.width = mach_info->width;

fbinfo->fbops = &s3c2410fb_ops;

……

该函数调用s3c2410fb_map_video_memory()申请DMA内存，即显存。

fbi->map_size = PAGE_ALIGN(fbi->fb->fix.smem_len + PAGE_SIZE);

fbi->map_cpu = dma_alloc_writecombine(fbi->dev, fbi->map_size,

&fbi->map_dma, GFP_KERNEL);

fbi->map_size = fbi->fb->fix.smem_len;

…….

设置控制寄存器，设置硬件寄存器。

memcpy(&info->regs, &mach_info->regs,sizeof(info->regs));

info->regs.lcdcon1 &= ~S3C2410_LCDCON1_ENVID;

……….

调用函数s3c2410fb_init_registers()，把初始值写入寄存器。

writel(fbi->regs.lcdcon1, S3C2410_LCDCON1);

writel(fbi->regs.lcdcon2, S3C2410_LCDCON2);

（3）当用户调用mmap()映射内存的时候，Fbmem.c把刚才设置好的显存区域映射给用户。

start = info->fix.smem_start;

len = PAGE_ALIGN( (start & ~PAGE_MASK) + info->fix.smem_len);

io_remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, off >> PAGE_SHIFT,

vma->vm_end - vma->vm_start,vma->vm_page_prot)；

……

这样就完成了驱动初始化到用户调用的整个过程。