【嵌入式Linux驱动程序-基础篇】 - FrameBuffer架构

FrameBuffer架构

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  Linux内核中，FrameBuferr设备驱动的源码主要分布在linux/include/fb.h和linux/drivers/video/fbmem.c，它们处于FrameBuffer驱动体系结构中的中间层，它为上层的用户程序提供系统调用接口，也为底层特定硬件驱动提供了接口。

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1 FrameBuffer驱动程序的实现

  从应用程序角度看，其通过内核对FrameBuffer的控制主要通过以下三种方式：
  (1) 读写/dev/fb相当于读/写屏幕缓冲区，对应驱动中的write和read操作。
  (2) 通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址映射到用户空间的一段虚拟地址中，之后用户可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图。
  (3) I/O控制对于帧缓冲设备，设备文件的icctl()函数可读取/设置显示设备及屏幕的参数，如分辨率、显示颜色数、屏幕大小等。ioctl()函数是由底层的驱动程序完成的。
  因此，驱动设计者完成FrameBuffer驱动的工作已经不多了，只需要分配显存的大小、初始化LCD控制器、设置修改硬件设备相应的struct fb_fix_screeninfo信息和struct fb_var_screaninfo信息。这些信息是与具体的显示设备相关的。
  帧缓冲设备属于字符设备，采用“文件层-驱动层”的接口方式。在文件层次上，Linux为其定义了fb_fops结构体。

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2 FrameBuffer对应的数据结构体

  FrameBuffer驱动程序有几个重要的数据结构，分别为：fb_info、fb_ops、fb_cmap、fb_var_screeninfo和fb_fix_screeninfo，这些结构体之间的关系图如下图所示：
  下面对这些数据结构进行详细的介绍。

2.1 fb_info结构体

  fb_info是帧缓冲FrameBuffer设备驱动中一个非常重要的结构体。它包含了驱动实现的底层函数和记录设备状态的数据。一个帧缓冲区对应一个fb_info结构体。这个结构体定义如下:

struct fb_info {
    int node;
    int flags;
    struct mutex lock; /* 为open/release/ioctl接口提供互斥锁 */
    struct mutex mm_lock; /* 为fb_mmap and smem_* fields提供互斥锁 */
    struct fb_var_screeninfo var; /* Current var */
    struct fb_fix_screeninfo fix; /* Current fix */
    struct fb_monspecs monspecs; /* Current Monitor specs */
    struct work_struct queue; /* Framebuffer event queue */
    struct fb_pixmap pixmap; /* Image hardware mapper */
    struct fb_pixmap sprite; /* Cursor hardware mapper */
    struct fb_cmap cmap; /* Current cmap */
    struct list_head modelist; /* mode list */
    struct fb_videomode *mode; /* current mode */
// 如果配置了LCD支持背光
#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT
    /* assigned backlight device */
    /* set before framebuffer registration, 
       remove after unregister */
    struct backlight_device *bl_dev;

    /* Backlight level curve */
    struct mutex bl_curve_mutex;    
    u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
    struct delayed_work deferred_work;
    struct fb_deferred_io *fbdefio;
#endif

    struct fb_ops *fbops;
    struct device *device; /* This is the parent */
    struct device *dev; /* This is this fb device */
    int class_flag; /* private sysfs flags */
#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
    struct fb_tile_ops *tileops; /* Tile Blitting */
#endif
    char __iomem *screen_base; /* Virtual address */
    unsigned long screen_size; /* Amount of ioremapped VRAM or 0 */ 
    void *pseudo_palette; /* Fake palette of 16 colors */ 
#define FBINFO_STATE_RUNNING    0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED  1
    u32 state; /* Hardware state i.e suspend */
    void *fbcon_par; /* fbcon use-only private area */
    /* From here on everything is device dependent */
    void *par;
    /* we need the PCI or similiar aperture base/size not
       smem_start/size as smem_start may just be an object
       allocated inside the aperture so may not actually overlap */
    resource_size_t aperture_base;
    resource_size_t aperture_size;
};

  fb_info结构体中记录了关于帧缓存的全部信息，这些信息包括帧缓冲的设置参数、状态及操作函数集合。

2.2 fb_ops结构体

  fb_ops结构体用来实现帧缓冲设备的操作。用户可以使用write()、read()、ioctl()函数操作设备。fb_ops结构体的定义如下：

struct fb_ops {
    /* open/release and usage marking */
    struct module *owner;
    int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);
    int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);

    /* For framebuffers with strange non linear layouts or that do not
     * work with normal memory mapped access
     */
    ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,
               size_t count, loff_t *ppos);
    ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,
                size_t count, loff_t *ppos);

    /* checks var and eventually tweaks it to something supported,
     * DO NOT MODIFY PAR */
    int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

    /* set the video mode according to info->var */
    int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);

    /* set color register */
    int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,
                unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);

    /* set color registers in batch */
    int (*fb_setcmap)(struct fb_cmap *cmap, struct fb_info *info);

    /* blank display */
    int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);

    /* pan display */
    int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

    /* Draws a rectangle */
    void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);
    /* Copy data from area to another */
    void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);
    /* Draws a image to the display */
    void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);

    /* Draws cursor */
    int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);

    /* Rotates the display */
    void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);

    /* wait for blit idle, optional */
    int (*fb_sync)(struct fb_info *info);

    /* perform fb specific ioctl (optional) */
    int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,
            unsigned long arg);

    /* Handle 32bit compat ioctl (optional) */
    int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,
            unsigned long arg);

    /* perform fb specific mmap */
    int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);

    /* get capability given var */
    void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps,
                struct fb_var_screeninfo *var);

    /* teardown any resources to do with this framebuffer */
    void (*fb_destroy)(struct fb_info *info);
};

2.3 fb_cmap结构体

  fb_cmap结构体记录了一个颜色板信息，也可以叫调色板信息。用户空间程序可以使用ioctl()函数的FBIOGETCMAP和FBIOPITCMAP命令读取和设置颜色表的值。fb_cmap结构体的定义如下：

struct fb_cmap {
    __u32 start; /* First entry */
    __u32 len; /* Number of entries */
    __u16 *red; /* Red values   */
    __u16 *green;
    __u16 *blue;
    __u16 *transp; /* transparency, can be NULL */
};

  下面对这个结构体的各个成员进行简要的解释。

• start：表示颜色版的第一个元素入口位置。
• len：表示元素的个数。
• red：表示红色分量的值。
• green：表示绿色分量的值。
• blue：表示蓝色分量的值。
• transp：表示透明度分量的值。
    结构体对应的存储结构体如下图所示：
  

2.4 fb_var_screeninfo结构体

  fb_var_screeninfo结构体中存储了用户可以修改的显示控制器参数，例如屏幕分辨率、每个元素的比特数、透明度等。fb_var_screeninfo结构体的定义如下：

struct fb_var_screeninfo {
    __u32 xres; /* visible resolution       */
    __u32 yres;
    __u32 xres_virtual; /* virtual resolution       */
    __u32 yres_virtual;
    __u32 xoffset; /* offset from virtual to visible */
    __u32 yoffset; /* resolution            */

    __u32 bits_per_pixel; /* guess what         */
    __u32 grayscale; /* != 0 Graylevels instead of colors */

    struct fb_bitfield red; /* bitfield in fb mem if true color, */
    struct fb_bitfield green; /* else only length is significant */
    struct fb_bitfield blue;
    struct fb_bitfield transp; /* transparency          */  

    __u32 nonstd; /* != 0 Non standard pixel format */

    __u32 activate; /* see FB_ACTIVATE_*        */

    __u32 height; /* height of picture in mm    */
    __u32 width; /* width of picture in mm     */

    __u32 accel_flags; /* (OBSOLETE) see fb_info.flags */

    /* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
    __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 upper_margin; /* time from sync to picture    */
    __u32 lower_margin;
    __u32 hsync_len; /* length of horizontal sync   */
    __u32 vsync_len; /* length of vertical sync */
    __u32 sync; /* see FB_SYNC_*        */
    __u32 vmode; /* see FB_VMODE_*      */
    __u32 rotate; /* angle we rotate counter clockwise */
    __u32 reserved[5]; /* Reserved for future compatibility */
};

  fb_fix_screeninfo结构体中，记录了用户不能修改的固定显示控制器参数。这些固定参数如缓冲区的物理地址、缓冲区的长度、显示色彩模式、内存映射的开始位置等。这个结构体的成员都需要在驱动程序初始化时设置，该结构体的定义代码如下：

这里写代码片
```c++
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 */
    __u32 type;         /* see FB_TYPE_*        */
    __u32 type_aux;         /* Interleave for interleaved Planes */
    __u32 visual;           /* see FB_VISUAL_*      */ 
    __u16 xpanstep;         /* zero if no hardware panning  */
    __u16 ypanstep;         /* zero if no hardware panning  */
    __u16 ywrapstep;        /* zero if no hardware ywrap    */
    __u32 line_length;      /* length of a line in bytes    */
    unsigned long mmio_start;   /* Start of Memory Mapped I/O   */
                    /* (physical address) */
    __u32 mmio_len;         /* Length of Memory Mapped I/O  */
    __u32 accel;            /* Indicate to driver which */
                    /*  specific chip/card we have  */
    __u16 reserved[3];      /* Reserved for future compatibility */

  需要注意的是，visual表示屏幕使用的色彩模式，在Linux下，支持多种色彩模式。line_length表示显存中一行占用的内存字节数，具体占用多少字节由显存模式来决定。reserved[3]保留了6个字节为以后扩充使用。

3 LCD驱动程序分析

  LCD驱动程序以平台设备的方式实现，其中涉及关于LCD控制器的一些重要概念，下面对LCD驱动程序的主要函数进行详细的分析。

3.1 LCD模块的加载和卸载函数

  LCD设备驱动可以作为一个单独的模块加入内核，在模块的加载和卸载中需要注册和注销一个平台驱动结构体platform_driver。