LCD驱动学习笔记

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，Linux仿显卡的功能，将显抽象出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。

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。）
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。


（注：以上是转载自别人的博客，以下的文字为自己添加的，求高手指正。）


先来看中间层，也就是fbmem.c这个函数，
static int __init fbmem_init(void)
{
create_proc_read_entry("fb", 0, NULL, fbmem_read_proc, NULL);  //这个函数用来提供proc文件系统的访问接口。
if (register_chrdev(FB_MAJOR,"fb",&fb_fops))
printk("unable to get major %d for fb devs\n", FB_MAJOR);
fb_class = class_create(THIS_MODULE, "graphics");
if (IS_ERR(fb_class)) {
printk(KERN_WARNING "Unable to create fb class; errno = %ld\n", PTR_ERR(fb_class));
fb_class = NULL;
}
return 0;
}
解说：
1. create_proc_read_entry("fb", 0, NULL, fbmem_read_proc, NULL);  //这个函数用来提供proc文件系统的访问接口。
create_proc_read_entry(“readi2cinfo”, 0, 0, read_i2cinfo_from_proc, NULL);
//readi2cinfo为/proc目录中的文件名字
//read_i2cinfo_from_proc是用户cat /proc/fb的时候调用的函数。

再来看fb提供给文件系统的调用接口：
static const struct file_operations fb_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = fb_read,
.write = fb_write,
.ioctl = fb_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = fb_compat_ioctl,
#endif
.mmap = fb_mmap,
.open = fb_open,
.release = fb_release,
#ifdef HAVE_ARCH_FB_UNMAPPED_AREA
.get_unmapped_area = get_fb_unmapped_area,
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
.fsync = fb_deferred_io_fsync,
#endif
};

我们一个个来看这些函数吧：
static int fb_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
int fbidx = iminor(inode);  //得到次设备号
struct fb_info *info;
int res = 0;

if (fbidx >= FB_MAX)
return -ENODEV;
#ifdef CONFIG_KMOD
if (!(info = registered_fb[fbidx]))
try_to_load(fbidx);
#endif /* CONFIG_KMOD */
if (!(info = registered_fb[fbidx]))
return -ENODEV;
if (!try_module_get(info->fbops->owner))
return -ENODEV;
file->private_data = info;
if (info->fbops->fb_open) {
res = info->fbops->fb_open(info,1);  //但是我们发现在s3c2410fb.c中，也就是底层的LCD设备驱动中，并没有定义open，所以不执行。
if (res)
module_put(info->fbops->owner);
}
return res;
}
说明：
 #define FB_MAX 32
extern struct fb_info *registered_fb[FB_MAX];
在这个全局数组中，以此设备号为index，每个元素是一个已注册的fb_info的指针。

我们再来看read函数：
static ssize_t fb_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
struct inode *inode = file->f_path.dentry->d_inode;
int fbidx = iminor(inode);
struct fb_info *info = registered_fb[fbidx];
u32 *buffer, *dst;
u32 __iomem *src;
int c, i, cnt = 0, err = 0;
unsigned long total_size;

if (!info || ! info->screen_base)
return -ENODEV;


if (info->state != FBINFO_STATE_RUNNING)
return -EPERM;

if (info->fbops->fb_read)
return info->fbops->fb_read(info, buf, count, ppos);  //在底层的LCD中，read也是没有赋值的。

total_size = info->screen_size;  //这个参数值是什么时候被赋值的？

if (total_size == 0)
total_size = info->fix.smem_len;    //前面那个没被赋值，所以此时的total_size为长*宽*每个像素的Byte数，我的是（240*320*16/8）。

if (p >= total_size)
return 0;

if (count >= total_size)       //一直觉得奇怪, 传进来的ppos不是file结构体里面的偏移量么？为什么要再传一次？难道不同？
count = total_size;

if (count + p > total_size)
count = total_size - p;

buffer = kmalloc((count > PAGE_SIZE) ? PAGE_SIZE : count,   //分配不大于一个page的空间，用来存放从src里面读出来的内容。
GFP_KERNEL);
if (!buffer)
return -ENOMEM;

src = (u32 __iomem *) (info->screen_base + p);    //开始读的地址

if (info->fbops->fb_sync)    //底层驱动中未定义
info->fbops->fb_sync(info);

while (count) {
c  = (count > PAGE_SIZE) ? PAGE_SIZE : count;   //一次性只能读一页
dst = buffer;    //dst是用户空间的buffer
for (i = c >> 2; i--; )   //一次读4个字节
*dst++ = fb_readl(src++);  
if (c & 3) {                         //再读单个不到4字节的内容
u8 *dst8 = (u8 *) dst;
u8 __iomem *src8 = (u8 __iomem *) src;

for (i = c & 3; i--;)
*dst8++ = fb_readb(src8++);

src = (u32 __iomem *) src8;
}

if (copy_to_user(buf, buffer, c)) {     //将读好缓存中的内容拷贝到用户空间中。
err = -EFAULT;
break;
}
*ppos += c;
buf += c;
cnt += c;
count -= c;
}

kfree(buffer);
return (err) ? err : cnt;
}

write函数与之类似，不再详细说明。下面来看mmap函数：
static int fb_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct * vma)
{
int fbidx = iminor(file->f_path.dentry->d_inode);
struct fb_info *info = registered_fb[fbidx];
struct fb_ops *fb = info->fbops;
unsigned long off;
unsigned long start;
u32 len;


if (vma->vm_pgoff > (~0UL >> PAGE_SHIFT))   
return -EINVAL;
off = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;  //这个是什么意思？
if (!fb)
return -ENODEV;
if (fb->fb_mmap) {
int res;
lock_kernel();
res = fb->fb_mmap(info, vma);
unlock_kernel();
return res;
}
lock_kernel();

/* frame buffer memory */
start = info->fix.smem_start;   //在底层驱动中分配和映射好的地址，这个smem_start是DMA地址赋值过来的。
len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.smem_len);  //这个页对齐的目的就是，len长度是页的整数倍。
if (off >= len) {
/* memory mapped io */
off -= len;
if (info->var.accel_flags) {
unlock_kernel();
return -EINVAL;
}
start = info->fix.mmio_start;
len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.mmio_len);
}
unlock_kernel();
start &= PAGE_MASK;   //只取页的首地址
if ((vma->vm_end - vma->vm_start + off) > len)
return -EINVAL;
off += start;  //此时的off就是要映射的地址在物理的第几页。
vma->vm_pgoff = off >> PAGE_SHIFT;
/* This is an IO map - tell maydump to skip this VMA */
vma->vm_flags |= VM_IO | VM_RESERVED;
fb_pgprotect(file, vma, off);
if (io_remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, off >> PAGE_SHIFT,
    vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return -EAGAIN;
return 0;

}

==================================================================================

来对framebuffer的驱动做个总结吧：

一、首先来看位于底层的s3c2410fb.c做个文件：
做个文件的主体就是：init --> probe -->  fb_ops提供给中间层的函数。
1. 在s3c2410fb_init（）中，主要就是注册了个平台设备驱动，把struct platform_driver s3c2410fb_driver 这个结构体注册了，从而系统可以在匹配完成后调用触发等函数。

2. 在s3c2410fb_probe(struct platform_device *pdev)中，主要就是为自己的fbinfo分配空间；获取中断号和IO资源并映射到虚拟空间中；设置fbinfo中var、fix等的部分值；分配一块足够大小的内存作为帧缓存；配置要使用到的管脚；把自己的fbinfo注册到中间层中。

3. fb_ops提供给中间层的函数比较细节和繁琐，这个先放一放吧。


二、中间层的fbmem.c文件：
这个文件的主体是：init --> struct file_operations fb_fops 这个提供给内核调用的函数。
1. 在fbmem_init(void)中，主要就是创建了一个proc文件系统的entry，供用户从proc中读取参数；注册了一个字符设备驱动，把fb_ops注册进去了。