38、电源管理与帧缓冲驱动技术解析

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#电源管理 # 调节器框架 # 帧缓冲驱动

电源管理与帧缓冲驱动技术解析

在电子设备的运行中，电源管理和图形显示是两个至关重要的方面。良好的电源管理能够确保设备稳定运行，而高效的图形显示则能提供出色的用户体验。下面我们将深入探讨电源管理中的调节器框架以及图形显示中的帧缓冲驱动相关内容。

调节器框架

调节器框架在电源管理中起着关键作用，它负责管理设备的电源供应，确保设备在不同工作状态下都能获得合适的电源。

调节器设备请求

在访问调节器之前，消费者需要通过 regulator_get() 函数向内核发起请求，也可以使用托管版本的 devm_regulator_get() 函数。以下是函数原型：

struct regulator *regulator_get(struct device *dev, const char *id)

使用示例：

reg = regulator_get(dev, "Vcc");

消费者需传入 struct device 指针和电源供应ID，内核会通过设备树（DT）或特定于机器的查找表来寻找合适的调节器。若仅关注设备树， *id 应与设备树中调节器供应的 <name> 模式匹配。若查找成功，该调用将返回一个指向为消费者供电的 struct regulator 的指针。

要释放调节器，消费者驱动应调用 regulator_put() 函数：

void regulator_put(struct regulator *regulator)

在调用此函数之前，驱动应确保对该调节器源的所有 regulator_enable() 调用都有对应的 regulator_disable() 调用进行平衡。

一个消费者可以由多个调节器供电，例如编解码器消费者可能需要模拟和数字两种电源：

digital = regulator_get(dev, "Vcc");  /* 数字核心 */
analog = regulator_get(dev, "Avdd");  /* 模拟 */

消费者的 probe() 和 remove() 函数是获取和释放调节器的合适位置。

调节器设备控制

调节器控制包括启用、禁用调节器输出以及设置输出值。
- 启用和禁用调节器输出
- 消费者可以通过调用 regulator_enable() 函数启用电源供应：

int regulator_enable(regulator);

该函数成功时返回0。禁用电源供应则调用 regulator_disable() 函数：

int regulator_disable(regulator);

要检查调节器是否已启用，消费者应调用 regulator_is_enabled() 函数：

int regulator_is_enabled(regulator);

若调节器已启用，该函数返回大于0的值。由于调节器可能在启动加载程序时就已启用或与其他消费者共享，因此可以使用 regulator_is_enabled() 函数检查调节器状态。示例如下：

printk (KERN_INFO "Regulator Enabled = %d\n", regulator_is_enabled(reg));

对于共享调节器， regulator_disable() 仅在启用引用计数为零时才会实际禁用调节器。在紧急情况下，可以调用 regulator_force_disable() 函数强制禁用：

int regulator_force_disable(regulator);

电压控制和状态
对于需要根据工作模式调整电源供应的消费者，内核提供了 regulator_set_voltage() 函数：

int regulator_set_voltage(regulator, min_uV, max_uV);

min_uV 和 max_uV 分别是可接受的最小和最大电压（以微伏为单位）。若在调节器禁用时调用此函数，它将更改电压配置，以便在下次启用调节器时物理设置电压。消费者可以通过调用 regulator_get_voltage() 函数获取调节器配置的电压输出：

int regulator_get_voltage(regulator);

示例：

printk (KERN_INFO "Regulator Voltage = %d\n", regulator_get_voltage(reg));

电流限制控制和状态
电流限制控制与电压控制类似。例如，USB驱动在供电时可能希望将电流限制设置为500 mA。消费者可以通过调用 regulator_set_current_limit() 函数控制供应电流限制：

int regulator_set_current_limit(regulator, min_uA, max_uA);

min_uA 和 max_uA 分别是可接受的最小和最大电流限制（以微安为单位）。同样，消费者可以通过调用 regulator_get_current_limit() 函数获取调节器配置的电流限制：

int regulator_get_current_limit(regulator);

操作模式控制和状态
为了实现高效的电源管理，一些消费者在其工作状态改变时可能会更改电源的操作模式。消费者驱动可以通过调用以下函数请求更改其供应调节器的操作模式：

int regulator_set_optimum_mode(struct regulator *regulator, int load_uA);
int regulator_set_mode(struct regulator *regulator, unsigned int mode);
unsigned int regulator_get_mode(struct regulator *regulator);

消费者只有在了解调节器且不与其他消费者共享该调节器时，才应在调节器上使用 regulator_set_mode() 函数，这称为直接模式。而 regulator_set_uptimum_mode() 会使内核进行一些后台工作，以确定所请求电流的最佳操作模式，这称为间接模式。

调节器绑定

本节仅涉及消费者接口绑定。要了解PMIC绑定（为PMIC提供的调节器提供初始化数据），需参考相关部分。消费者节点可以使用以下绑定引用其一个或多个电源/调节器：
<name>-supply: phandle to the regulator node
<name> 应具有足够的意义，以便驱动在请求调节器时能够轻松引用它，并且 <name> 必须与 regulator_get() 函数的 *id 参数匹配。示例如下：

twl_reg1: regulator@0 {
   [...]
};
twl_reg2: regulator@1 {
   [...]
};
mmc: mmc@0x0 {
   [...]
   vmmc-supply = <&twl_reg1>;
   vmmcaux-supply = <&twl_reg2>;
};

实际请求电源的消费者代码（如MMC驱动）可能如下：

struct regulator *main_regulator;
struct regulator *aux_regulator;
int ret;
main_regulator = devm_regulator_get(dev, "vmmc");
if (!IS_ERR(io_regulator)) {
   regulator_set_voltage(main_regulator,
                    MMC_VOLTAGE_DIGITAL,
                     MMC_VOLTAGE_DIGITAL);
   ret = regulator_enable(io_regulator);
}
aux_regulator = devm_regulator_get(dev, "vmmcaux");

帧缓冲驱动

帧缓冲驱动在图形显示中起着重要作用，它为用户提供了访问视频卡RAM的接口，从而实现图形显示。

帧缓冲驱动概述

视频卡通常有一定量的RAM，用于缓冲图像数据的位图以进行显示。从软件角度看，帧缓冲是一个字符设备，提供对该RAM的访问。帧缓冲驱动提供了以下接口：
- 显示模式设置
- 对视频缓冲区的内存访问
- 基本的2D加速操作（如滚动）

常见的帧缓冲驱动有 intelfb （适用于各种Intel 8xx/9xx兼容图形设备）、 vesafb （使用VESA标准接口与视频硬件通信）和 mxcfb （适用于i.MX6芯片系列）。需要注意的是，帧缓冲驱动是Linux下最简单的图形驱动形式，不要将其与实现高级功能（如3D加速）的X.org驱动或同时暴露帧缓冲和GPU功能的内核模式设置（KMS）驱动混淆。i.MX6的X.org驱动是闭源的，名为 vivante 。

驱动数据结构

帧缓冲驱动严重依赖四个数据结构，这些结构都定义在 include/linux/fb.h 头文件中。
- fb_var_screeninfo ：内核使用该结构的实例来保存视频卡的可变属性，这些值由用户定义，如分辨率深度。

struct fb_var_screeninfo {
   __u32 xres; /* 可见分辨率 */
   __u32 yres;
   __u32 xres_virtual; /* 虚拟分辨率 */
   __u32 yres_virtual;
   __u32 xoffset; /* 从虚拟到可见分辨率的偏移 */
   __u32 yoffset;
   __u32 bits_per_pixel; /* 保存一个像素所需的位数 */
   __u32 pixclock;   /* 像素时钟（皮秒） */
   __u32 left_margin;      /* 从同步到图像的时间 */
   __u32 right_margin; /* 从图像到同步的时间 */
   __u32 upper_margin; /* 从同步到图像的时间 */
   __u32 lower_margin;
   __u32 hsync_len;  /* 水平同步长度 */
   __u32 vsync_len;  /* 垂直同步长度 */
   __u32 rotate; /* 逆时针旋转角度 */
};

fb_fix_screeninfo ：该结构用于保存视频卡的固定属性，这些属性由制造商确定或在设置模式时应用，无法更改，通常是硬件信息。

struct fb_fix_screeninfo {
   char id[16];      /* 标识字符串，例如 "TT Builtin" */
   unsigned long smem_start;     /* 帧缓冲内存的起始地址（物理地址） */
   __u32 smem_len;/* 帧缓冲内存的长度 */
   __u32 type;    /* 见 FB_TYPE_* */
   __u32 type_aux; /* 交错平面的交错方式 */
   __u32 visual;   /* 见 FB_VISUAL_* */
   __u16 xpanstep; /* 无硬件平移时为零 */
   __u16 ypanstep;   /* 无硬件平移时为零 */
   __u16 ywrapstep;  /* 无硬件y环绕时为零 */
   __u32 line_length;  /* 一行的字节长度 */
   unsigned long mmio_start; /* 内存映射I/O的起始地址（物理地址） */
   __u32 mmio_len;   /* 内存映射I/O的长度 */
   __u32 accel;      /* 指示驱动使用的特定芯片/卡 */
   __u16 capabilities; /* 见 FB_CAP_* */
};

fb_cmap ：该结构指定颜色映射，用于以内核能够理解的方式存储用户对颜色的定义，以便将其发送到底层视频硬件。

struct fb_cmap {
    __u32 start;   /* 第一个条目 */
    __u32 len;     /* 条目数量 */
    __u16 *red;    /* 红色值 */
    __u16 *green;  /* 绿色值 */
    __u16 *blue;   /* 蓝色值 */
    __u16 *transp; /* 透明度 */
};

fb_info ：该结构代表帧缓冲本身，是帧缓冲驱动的主要数据结构。它仅存在于内核中，不属于用户空间帧缓冲API。

struct fb_info {
    struct fb_var_screeninfo var; /* 可变屏幕信息 */
    struct fb_fix_screeninfo fix; /* 固定屏幕信息 */
    struct fb_cmap cmap;          /* 颜色映射 */
    struct fb_ops *fbops;         /* 驱动操作 */
    char __iomem *screen_base;    /* 帧缓冲的虚拟地址 */
    unsigned long screen_size;    /* 帧缓冲的大小 */
    struct device *device;        /* 父设备 */
    struct device *dev;           /* 此帧缓冲设备 */
#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT
      struct backlight_device *bl_dev; /* 分配的背光设备 */
      struct mutex bl_curve_mutex; /* 背光级别曲线互斥锁 */
      u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS]; /* 背光级别曲线 */
#endif
    void *par; /* 指向私有内存的指针 */
};

struct fb_info 结构应始终使用 framebuffer_alloc() 函数动态分配：

struct fb_info *framebuffer_alloc(size_t size, struct device *dev)

其中， size 表示私有区域的大小，该区域可通过 fb_info 结构中的 .par 指针引用。释放操作则使用 framebuffer_release() 函数：

void framebuffer_release(struct fb_info *info)

设置好帧缓冲后，应使用 register_framebuffer() 函数将其注册到内核：

int register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)

注册后，可使用 unregister_framebuffer() 函数取消注册：

int unregister_framebuffer(struct fb_info *fb_info)

分配和注册应在设备探测期间完成，而取消注册和释放应在驱动的 remove() 函数中完成。

设备方法

在 struct fb_info 结构中，有一个 .fbops 字段，它是 struct fb_ops 结构的实例。该结构包含一组用于对帧缓冲设备执行操作的函数，是 fbdev 和 fbcon 工具的入口点。以下是 struct fb_ops 结构的定义：

struct fb_ops {
   struct module *owner;
   int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);
   int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);
   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);
   int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
   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_blank)(int blank_mode, struct fb_info *info);
   int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
   void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);
   void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);
   void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);
   int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);
   int (*fb_sync)(struct fb_info *info);
   int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd, unsigned long arg);
   int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd, unsigned long arg);
   int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);
   void (*fb_get_caps)(struct fb_info *info, struct fb_blit_caps *caps, struct fb_var_screeninfo *var);
   void (*fb_destroy)(struct fb_info *info);
   [...]
};

不同的回调函数可以根据需要实现的功能进行设置。需要注意的是，不要将 fb_ops 与 file_operations 结构混淆。 fb_ops 提供了底层操作的抽象，而 file_operations 用于上层系统调用接口。内核在 drivers/video/fbdev/core/fbmem.c 中实现了帧缓冲文件操作，内部调用了我们在 fb_ops 中定义的方法。

帧缓冲设备支持一些在 include/uapi/linux/fb.h 中定义的 ioctl 命令，用户程序可以使用这些命令操作硬件。这些命令由核心的 fops.ioctl 方法处理，对于某些命令，核心的 ioctl 方法可能会内部执行 fb_ops 结构中定义的方法。 fb_ops.fb_ioctl 仅在给定的 ioctl 命令内核未知时执行，即在帧缓冲核心的 fops.ioctl 方法的默认语句中执行。

驱动方法

驱动方法包括 probe() 和 remove() 函数。在详细描述这些方法之前，我们先设置 fb_ops 结构：

static struct fb_ops myfb_ops = {
   .owner        = THIS_MODULE,
   .fb_check_var = myfb_check_var,
   .fb_set_par   = myfb_set_par,
   .fb_setcolreg = myfb_setcolreg,
   .fb_fillrect  = cfb_fillrect,
   .fb_copyarea  = cfb_copyarea,
   .fb_imageblit = cfb_imageblit,
   .fb_blank     = myfb_blank,
};

probe函数 ：驱动的 probe 函数负责初始化硬件，使用 framebuffer_alloc() 函数创建 struct fb_info 结构，并使用 register_framebuffer() 函数进行注册。示例代码如下：

static int myfb_probe(struct platform_device *pdev)
{
   struct fb_info *info;
   struct resource *res;
   dev_info(&pdev->dev, "My framebuffer driver\n");
   res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
   if (!res)
         return -ENODEV;
   /* 使用 request_mem_region(), ioremap() 等 */
   pwr = regulator_get(&pdev->dev, "lcd");
   info = framebuffer_alloc(sizeof(struct my_private_struct), &pdev->dev);
   if (!info)
         return -ENOMEM;
   /* 设备初始化和默认信息值 */
   info->fbops = &myfb_ops;
   /* 时钟设置，使用 devm_clk_get() 等 */
   /* DMA 设置，使用 dma_alloc_coherent() 等 */
   [...]
}

综上所述，调节器框架和帧缓冲驱动在电子设备的电源管理和图形显示方面都有着重要的作用。通过合理使用调节器框架，可以实现高效的电源管理，确保设备稳定运行；而掌握帧缓冲驱动的相关知识，则能为开发出优秀的图形显示系统提供有力支持。在实际应用中，需要根据具体的设备需求和场景，灵活运用这些技术，以达到最佳的性能和用户体验。

电源管理与帧缓冲驱动技术解析

操作步骤总结

为了更清晰地展示调节器框架和帧缓冲驱动的使用流程，下面分别给出操作步骤总结。

调节器框架操作步骤

请求调节器
- 使用 regulator_get() 或 devm_regulator_get() 函数向内核请求调节器。
- 示例：

reg = regulator_get(dev, "Vcc");

控制调节器
- 启用/禁用 ：使用 regulator_enable() 和 regulator_disable() 函数。
- 检查状态 ：使用 regulator_is_enabled() 函数。
- 电压控制 ：使用 regulator_set_voltage() 和 regulator_get_voltage() 函数。
- 电流限制控制 ：使用 regulator_set_current_limit() 和 regulator_get_current_limit() 函数。
- 操作模式控制 ：使用 regulator_set_optimum_mode() 、 regulator_set_mode() 和 regulator_get_mode() 函数。
释放调节器
- 使用 regulator_put() 函数释放调节器。
- 示例：

regulator_put(reg);

帧缓冲驱动操作步骤

数据结构初始化
- 包含 fb_var_screeninfo 、 fb_fix_screeninfo 、 fb_cmap 和 fb_info 。
- 使用 framebuffer_alloc() 函数动态分配 fb_info 结构。
- 示例：

info = framebuffer_alloc(sizeof(struct my_private_struct), &pdev->dev);

注册帧缓冲
- 使用 register_framebuffer() 函数将帧缓冲注册到内核。
- 示例：

int ret = register_framebuffer(info);
if (ret < 0) {
    // 处理注册失败
}

设备方法设置
- 设置 fb_ops 结构中的回调函数，以实现所需的功能。
- 示例：

static struct fb_ops myfb_ops = {
   .owner        = THIS_MODULE,
   .fb_check_var = myfb_check_var,
   .fb_set_par   = myfb_set_par,
   .fb_setcolreg = myfb_setcolreg,
   .fb_fillrect  = cfb_fillrect,
   .fb_copyarea  = cfb_copyarea,
   .fb_imageblit = cfb_imageblit,
   .fb_blank     = myfb_blank,
};

驱动方法实现
- probe函数 ：初始化硬件，创建 fb_info 结构并注册。
- remove函数 ：取消注册帧缓冲并释放资源。

技术点分析

调节器框架技术点

动态电源管理 ：通过调节器的电压、电流和操作模式控制，可以根据设备的工作状态动态调整电源供应，实现节能和性能优化。
共享调节器管理 ：对于共享调节器，需要使用引用计数来确保正确的启用和禁用操作，避免电源异常。
设备树绑定 ：使用设备树可以方便地配置调节器和消费者之间的关系，提高系统的可维护性和可扩展性。

帧缓冲驱动技术点

数据结构抽象 ：通过 fb_var_screeninfo 、 fb_fix_screeninfo 、 fb_cmap 和 fb_info 等数据结构，将视频卡的属性和状态进行抽象，方便驱动开发和管理。
操作方法封装 ： fb_ops 结构将帧缓冲设备的操作方法进行封装，提供了统一的接口，使得驱动开发更加模块化和可复用。
用户空间交互 ：通过 ioctl 命令，用户程序可以方便地与帧缓冲设备进行交互，实现显示模式设置、颜色映射等功能。

流程图展示

调节器框架操作流程图

graph TD;
    A[请求调节器] --> B[控制调节器];
    B --> C{是否需要释放};
    C -- 是 --> D[释放调节器];
    C -- 否 --> B;

帧缓冲驱动操作流程图

graph TD;
    A[初始化数据结构] --> B[注册帧缓冲];
    B --> C[设置设备方法];
    C --> D[实现驱动方法];
    D --> E{设备移除};
    E -- 是 --> F[取消注册并释放资源];
    E -- 否 --> C;

总结与展望

调节器框架和帧缓冲驱动是电子设备中不可或缺的重要组成部分。调节器框架为设备的电源管理提供了灵活的解决方案，能够根据设备的不同需求动态调整电源供应，提高设备的稳定性和节能性能。而帧缓冲驱动则为图形显示提供了基础支持，通过抽象视频卡的属性和操作方法，使得开发人员能够更方便地实现图形显示功能。

在未来的发展中，随着电子设备的不断智能化和高性能化，对电源管理和图形显示的要求也将越来越高。调节器框架可能会进一步优化，支持更多的电源管理策略和协议，以满足不同设备的需求。帧缓冲驱动则可能会与更先进的图形技术相结合，如3D加速、高分辨率显示等，为用户带来更加出色的视觉体验。

同时，随着开源社区的不断发展，调节器框架和帧缓冲驱动的代码也将更加完善和稳定，为开发者提供更多的便利和支持。开发者可以根据自己的需求，灵活运用这些技术，开发出更加优秀的电子设备和应用程序。

总之，掌握调节器框架和帧缓冲驱动的相关知识，对于电子设备的开发和优化具有重要的意义。希望本文能够为读者提供一些有益的参考和启示，帮助大家更好地理解和应用这些技术。