lcd驱动-虽无框架感但按裸机思路阐释硬件原理

在编写代码之前我们先来看一看原理图



引脚说明：
VCLK：发出lcd时钟信号，每来一个时钟，就会在屏幕上显示一个像素 ——GPC1 ：配置为lcd引脚
VLINE：发出lcd行扫描信号 ——GPC2 ：配置为lcd引脚
VFRAME：发出lcd桢扫描信号 ——GPC3 ：配置为lcd引脚
VM：VDEN，有效时才会在屏幕上显示象素 ——GPC4 ：配置为lcd引脚
LCD_PWREN：发出lcd面板电源使能控制信号 ——GPG4 ：配置为lcd引脚
KEYBOARD：背光电路引脚 ——GPB0 ：配置为输出引脚
VD[3]——VD[7] ：lcd数据总线 ——GPC11：GPC15 ：配置为lcd引脚
VD[10]——VD[15] ：lcd数据总线 ——GPD2：GPD7 ：配置为lcd引脚
VD[19]——VD[23] ：lcd数据总线 ——GPD11：GPD15 ：配置为lcd引脚

各信号的含义
VSYNC：帧同步信号
每发出一个脉冲，表示新的一屏图像数据开始传送。
HSYNC：行同步信号
每发出一个脉冲，表示新的一行图像数据开始传送。
VCLK：像素时钟信号
每发出一个脉冲，表示新的一个点图像数据开始传送。
LEND：行结束信号
VBPD：表示在一帧图像开始时，帧同步信号以后的无效的行数，对应驱动中的upper_margin；
VFBD：表示在一帧图像结束后，帧同步信号以前的无效的行数，对应驱动中的lower_margin；
VSPW：表示垂直同步脉冲的宽度；
HBPD：表示从水平同步信号开始到一行的有效数据开始之间的vclk的个数，对应驱动中的left_margin；
HFPD：表示一行的有效数据结束到下一个水平同步信号开始之间的vclk的个数，对应驱动中的right_margin；
HSPW：表示水平同步信号的宽度；

原理简述
lcd屏可以看作是由许多象素构成的，比如240*320就是由240*320个象素构成的，每个象素由RGB三色调和，每种颜色又由多个位组成。比如我们的开发板上的lcd，有320*240个象素，每个象素由RGB三色调和，RGB三色位数分别为：565。
s3c2440内集成了lcd控制器，lcd控制器外接lcd，每来一个VLCK，就会从左到右在lcd屏幕上显示一个象素的颜色，而这一个个象素的颜色就存放在显存里，在嵌入式领域，一般不会佩戴专门的显存，而是从内存SDRAM中划分出一部分充当显存。VLINE引脚每发出一个行同步信号HSYNC就表示一行的数据发送完成，就会换行，从上一行的最右边跳到下一行的最左边。VFRAME引脚每发出一个帧同步信号VSYNC就表示一帧的数据发送完，这时就会跳到屏幕起始位置，开始下一帧数据的发送。

接下来我们开始真正来编写代码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/fb.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/dma-mapping.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/workqueue.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/clk.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/div64.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/arch/regs-lcd.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/arch/fb.h>

static int s3c_lcdfb_setcolreg(unsigned int regno, unsigned int red,
        unsigned int green, unsigned int blue,
        unsigned int transp, struct fb_info *info);


struct lcd_regs {
 unsigned long lcdcon1;
 unsigned long lcdcon2;
 unsigned long lcdcon3;
 unsigned long lcdcon4;
 unsigned long lcdcon5;
    unsigned long lcdsaddr1;
    unsigned long lcdsaddr2;
    unsigned long lcdsaddr3;
    unsigned long redlut;
    unsigned long greenlut;
    unsigned long bluelut;
    unsigned long reserved[9];
    unsigned long dithmode;
    unsigned long tpal;
    unsigned long lcdintpnd;
    unsigned long lcdsrcpnd;
    unsigned long lcdintmsk;
    unsigned long lpcsel;
};

static struct fb_ops s3c_lcdfb_ops = {
 .owner  = THIS_MODULE,
 .fb_setcolreg = s3c_lcdfb_setcolreg,//设置调色板，见注释3
 .fb_fillrect = cfb_fillrect,
 .fb_copyarea = cfb_copyarea,
 .fb_imageblit = cfb_imageblit,
};


static struct fb_info *s3c_lcd;
static volatile unsigned long *gpbcon;
static volatile unsigned long *gpbdat;
static volatile unsigned long *gpccon;
static volatile unsigned long *gpdcon;
static volatile unsigned long *gpgcon;
static volatile struct lcd_regs* lcd_regs;
static u32 pseudo_palette[16];


/* from pxafb.c */
/* 这个函数听巧妙的，可以分析一下 */
static inline unsigned int chan_to_field(unsigned int chan, struct fb_bitfield *bf)
{
 chan &= 0xffff;
 chan >>= 16 - bf->length;
 return chan << bf->offset;
}


static int s3c_lcdfb_setcolreg(unsigned int regno, unsigned int red,
        unsigned int green, unsigned int blue,
        unsigned int transp, struct fb_info *info)
{
 unsigned int val;

 if (regno > 16)
  return 1;

 /* 用red,green,blue三原色构造出val，val最终是16位象素*/
 val  = chan_to_field(red, &info->var.red);
 val |= chan_to_field(green, &info->var.green);
 val |= chan_to_field(blue, &info->var.blue);

 //((u32 *)(info->pseudo_palette))[regno] = val;
 pseudo_palette[regno] = val;
 return 0;
}

static int lcd_init(void)
{
 /* 1. 分配一个fb_info */
 s3c_lcd = framebuffer_alloc(0, NULL);

 /* 2. 设置 */
 /* 2.1 设置固定的参数 */
 strcpy(s3c_lcd->fix.id, "mylcd"); 
 s3c_lcd->fix.smem_len = 240*320*16/8; //显存的长度=分辨率*每象素字节数
 s3c_lcd->fix.type     = FB_TYPE_PACKED_PIXELS;/* Packed Pixels */
 s3c_lcd->fix.visual   = FB_VISUAL_TRUECOLOR; /* TFT为真彩色，所以要设置成这个 */
 s3c_lcd->fix.line_length = 240*2;//每行的长度，以字节为单位

 /* 2.2 设置可变的参数 */
 s3c_lcd->var.xres           = 240;//x方向分辨率
 s3c_lcd->var.yres           = 320;//y方向分辨率
 s3c_lcd->var.xres_virtual   = 240;//x方向虚拟分辨率，参考注释1
 s3c_lcd->var.yres_virtual   = 320;//y方向虚拟分辨率
 s3c_lcd->var.bits_per_pixel = 16;//每个象素使用多少位

 /* RGB:565 */
 s3c_lcd->var.red.offset     = 11;//红色偏移值为11
 s3c_lcd->var.red.length     = 5;//红色位长为5

 s3c_lcd->var.green.offset   = 5;//绿色偏移值为5
 s3c_lcd->var.green.length   = 6;//绿色位长为6

 s3c_lcd->var.blue.offset    = 0;//蓝色偏移值为0
 s3c_lcd->var.blue.length    = 5;//蓝色位长为5

 s3c_lcd->var.activate       = FB_ACTIVATE_NOW;//使设置的值立即生效


 /* 2.3 设置操作函数 */
 s3c_lcd->fbops              = &s3c_lcdfb_ops;

 /* 2.4 其他的设置 */
 s3c_lcd->pseudo_palette = pseudo_palette;//存放调色板所调颜色的数组
 //s3c_lcd->screen_base  = ;  /* 显存的虚拟地址，这个在后面设置的 */ 
 s3c_lcd->screen_size   = 240*324*16/8;//显存的大小

 /* 3. 硬件相关的操作 */
 /* 3.1 配置GPIO用于LCD */
 gpbcon = ioremap(0x56000010, 8);
 gpbdat = gpbcon+1;
 gpccon = ioremap(0x56000020, 4);
 gpdcon = ioremap(0x56000030, 4);
 gpgcon = ioremap(0x56000060, 4);

        *gpccon  = 0xaaaaaaaa;   /* GPIO管脚用于VD[7:0],LCDVF[2:0],VM,VFRAME,VLINE,VCLK,LEND */
 *gpdcon  = 0xaaaaaaaa;   /* GPIO管脚用于VD[23:8] */

 *gpbcon &= ~(3);  /* GPB0设置为输出引脚 */
 *gpbcon |= 1;
 *gpbdat &= ~1;     /* 输出低电平，关闭背光*/

 *gpgcon |= (3<<8); /* GPG4用作LCD_PWREN */

 /* 3.2 根据LCD手册设置LCD控制器, 比如VCLK的频率等 */
 lcd_regs = ioremap(0x4D000000, sizeof(struct lcd_regs));//映射各lcd控制寄存器，这种映射方法要学会

 /* bit[17:8]: VCLK = HCLK / [(CLKVAL+1) x 2], 
  *            10MHz(100ns) = 100MHz / [(CLKVAL+1) x 2]
  *            CLKVAL = 4
  * bit[6:5]: 0b11, TFT LCD
  * bit[4:1]: 0b1100, 16 bpp for TFT，表示每个象素用多少位来表示
  * bit[0]  : 0 = Disable the video output and the LCD control signal.
  */
 lcd_regs->lcdcon1  = (4<<8) | (3<<5) | (0x0c<<1);

#if 1
 /* 垂直方向的时间参数
  * bit[31:24]: VBPD, VSYNC之后再过多长时间才能发出第1行数据
  *             LCD手册 T0-T2-T1=4
  *             VBPD=3
  * bit[23:14]: 多少行, 320, 所以LINEVAL=320-1=319
  * bit[13:6] : VFPD, 发出最后一行数据之后，再过多长时间才发出VSYNC
  *             LCD手册T2-T5=322-320=2, 所以VFPD=2-1=1
  * bit[5:0]  : VSPW, VSYNC信号的脉冲宽度, LCD手册T1=1, 所以VSPW=1-1=0
  */
 lcd_regs->lcdcon2  = (3<<24) | (319<<14) | (1<<6) | (0<<0);

 /* 水平方向的时间参数
  * bit[25:19]: HBPD, VSYNC之后再过多长时间才能发出第1行数据
  *             LCD手册 T6-T7-T8=17
  *             HBPD=16
  * bit[18:8]: 多少列, 240, 所以HOZVAL=240-1=239
  * bit[7:0] : HFPD, 发出最后一行里最后一个象素数据之后，再过多长时间才发出HSYNC
  *             LCD手册T8-T11=251-240=11, 所以HFPD=11-1=10
  */
 lcd_regs->lcdcon3 = (16<<19) | (239<<8) | (10<<0);

 /* 水平方向的同步信号
  * bit[7:0] : HSPW, HSYNC信号的脉冲宽度, LCD手册T7=5, 所以HSPW=5-1=4
  */ 
 lcd_regs->lcdcon4 = 4;

#else
lcd_regs->lcdcon2 = S3C2410_LCDCON2_VBPD(5) | 
  S3C2410_LCDCON2_LINEVAL(319) | 
  S3C2410_LCDCON2_VFPD(3) | 
  S3C2410_LCDCON2_VSPW(1);

lcd_regs->lcdcon3 = S3C2410_LCDCON3_HBPD(10) | 
  S3C2410_LCDCON3_HOZVAL(239) | 
  S3C2410_LCDCON3_HFPD(1);

lcd_regs->lcdcon4 = S3C2410_LCDCON4_MVAL(13) | 
  S3C2410_LCDCON4_HSPW(0);

#endif
 /* 信号的极性 
  * bit[11]: 1=565 format
  * bit[10]: 0 = The video data is fetched at VCLK falling edge
  * bit[9] : 1 = HSYNC信号要反转,即低电平有效 
  * bit[8] : 1 = VSYNC信号要反转,即低电平有效 
  * bit[6] : 0 = VDEN不用反转
  * bit[3] : 0 = PWREN输出0
  * bit[1] : 0 = BSWP
  * bit[0] : 1 = HWSWP 2440手册P413
  */
 lcd_regs->lcdcon5 = (1<<11) | (0<<10) | (1<<9) | (1<<8) | (1<<0);

 /* 3.3 分配显存(framebuffer), 并把地址告诉LCD控制器 */
        /* s3c_lcd->screen_base：显存基址，是虚拟地址
         *s3c_lcd->fix.smem_len：显存长度
         *s3c_lcd->fix.smem_start：显存起始地址，是物理地址
         */
 s3c_lcd->screen_base = dma_alloc_writecombine(NULL, s3c_lcd->fix.smem_len, &s3c_lcd->fix.smem_start, GFP_KERNEL);

 lcd_regs->lcdsaddr1  = (s3c_lcd->fix.smem_start >> 1) & ~(3<<30);//存放起始地址
 lcd_regs->lcdsaddr2  = ((s3c_lcd->fix.smem_start + s3c_lcd->fix.smem_len) >> 1) & 0x1fffff;//存放结束地址
 lcd_regs->lcdsaddr3  = (240*16/16);  /* 一行的长度(单位: 2字节) */ 

 /* 启动LCD */
 lcd_regs->lcdcon1 |= (1<<0); /* 使能LCD控制器 */
 lcd_regs->lcdcon5 |= (1<<3); /* 使能LCD本身 */
 *gpbdat |= 1;     /* 输出高电平, 使能背光 */  

 /* 4. 注册 */
 register_framebuffer(s3c_lcd);

 return 0;
}

static void lcd_exit(void)
{
 unregister_framebuffer(s3c_lcd);
 lcd_regs->lcdcon1 &= ~(1<<0); /* 关闭LCD本身 */
 *gpbdat &= ~1;     /* 关闭背光 */
 dma_free_writecombine(NULL, s3c_lcd->fix.smem_len, s3c_lcd->screen_base, s3c_lcd->fix.smem_start);
 iounmap(lcd_regs);
 iounmap(gpbcon);
 iounmap(gpccon);
 iounmap(gpdcon);
 iounmap(gpgcon);
 framebuffer_release(s3c_lcd);
}

module_init(lcd_init);
module_exit(lcd_exit); 
MODULE_LICENSE("GPL");

测试：
(1). make menuconfig去掉原来的驱动程序
-> Device Drivers
-> Graphics support
S3C2410 LCD framebuffer support

(2). make uImage
make modules
(3). 使用新的uImage启动开发板:
nfs 30000000 192.168.183.128:/home/share/uImage ：将uImage下载到内存0x30000000处
bootm 30000000 ：从0x30000000处启动

(4)装载驱动：前三个是make modules生成的，在driver/video目录下，装载他们是因为lcd.ko要依赖于他们
insmod cfbcopyarea.ko
insmod cfbfillrect.ko
insmod cfbimgblt.ko
insmod lcd.ko
(5)echo hello > /dev/tty1 ：将hello回显在tty1上，可以在LCD上看见hello，因为tty1代表着标准输入输出设备
cat lcd.ko > /dev/fb0 ：将lcd.ko写入显存fb0里面，这是就会显示花屏，因为lcd.ko数据是未知的

(6)5. 修改 /etc/inittab
加入：tty1::askfirst:-/bin/sh //启动tty1，输入是键盘，输出是屏幕

(7)用新内核重启开发板
insmod cfbcopyarea.ko
insmod cfbfillrect.ko
insmod cfbimgblt.ko
insmod lcd.ko
insmod buttons.ko
这时按下enter键就可以**控制台，按下l，按下s都会显示在屏幕上，然后按下enter，会执行ls命令，结果显示在屏幕上面。
注释1：
其实实际的分辨率是已经设置死了的，我们之所以可以在电脑上面调节分辨率，其实改变的是虚拟分辨率
注释2：关于注释2是我自己分析的，配置有问题，正在改正中，希望知道的朋友可以帮我一下，在此谢过了！
我们根据时序图来设置lcdcon2和lcdcon3
这里是从s3c2440芯片手册里截下来的时序图：

这里是lcd芯片手册上的截图：

我们要做的就是通过设置lcd控制寄存器来使s3c2440芯片手册上的时序图与lcd芯片手册上的时序图相吻合。
我们比较两个时序图，可以发现下面的对应关系：
tvb——VBPD+1：tvb=15，VSPD=14
tvf ——VFPD+1：tvf =12，VFPD=11
tvp——VSPW+1：tvp=3，VSPW=2
tvd——LINEVAL+1：tvd=240，LINEVAL=239
所以对lcdcon2作如下设置：lcd_regs->lcdcon2=(14<<24)|(239<<14)|(11<<6)|(2<<0);

thb——HBPD+1：thb=38，HBPD=37
thf ——HFPD+1：thf =20，HFPD=19
thp——HSPW+1：thp=30，HSPW=29
thd——HOZVAL+1：thd=320，HOZVAL=319
所以对lcdcon3作如下设置：lcd_regs->lcdcon3=(37<<19)|(319<<8)|(19<<0);
所以对lcdcon4作如下设置：lcd_regs->lcdcon4=(29<<0);

注释3：为什么需要调色板呢？
我们知道象素是从显存里取出，然后传给lcd的。我们的lcd是16bbp的（即每个象素用16字节），如果我们在显存里用两个字节表示一个象素，那么这个象素可以直接取出传给lcd。但是我们可能想要节省内存空间，在显存里只给了每个象素一个字节，这时的象素取出来就不能直接给lcd了，这时就需要调色板。所谓调色板就相当于一个数组，每一项都代表一个16位的象素（当然根据具体的lcd不同，可以自己配置调色板），可以根据从显存中取出的数据来选择数组中的一项，这个16位象素就可以传给lcd了。

框架请参考：
LCD驱动移植在在mini2440(linux2.6.29)和FS4412(linux3.14.78)上实现对比（deep dive）