LCD 设备驱动框架分析及核心结构
程序员文章站
2022-07-14 09:38:32
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Linux 下很多东西都是和结构体相关，举个例子，时钟大家都知道吧，Linux 下对应时钟的东西就有好几个结构体，所以你要是想明白Linux 下那些东西，对结构体要有所了解，LCD 是基础的驱动设备，里面涉及到的东西很多，这篇文章只讨论Linux 下的LCD 框架，还有框架里面涵盖的几个结构体，涉及 android 的话会复杂很多，这里就不做讨论，希望大家看完文章能够知道LCD 在内核理解的如何构成的。
一、LCD 设备驱动框架分析
核心层是通用的，不需要做任何修改「这和其他很多驱动框架类似，比如input子系统的核心层也是不需要修改，但是要懂如何调用」。
驱动开发者只需要实现硬件驱动层。
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帧缓冲设备可以是一个完整的子系统，主要由核心层的 fbmem.c和硬件设备驱动层构成。
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核心层代码 fbmem.c 向上提供了完整的字符设备操作接口，也就是实现注册字符设备，提供通用的open,read,write,ioctl,mmap 等接口；
向下给硬件设备驱动层提供标准的驱动编程接口；
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在 Linux 系统中，一个硬件 LCD 控制器（显卡）抽象为一个 fb_info 结构，要实现一个 LCD 驱动就是要实现这个结构，并且使用核心层提供的注册函数注册。
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fb_info 中通过其中的 fb_ops 结构指针提供了实际硬件操作方法。
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fb_info 中通过其中的 fb_var_screeninfo 结构和 fb_fix_screeninfo 结构提供了具体 lcd 屏基本信息。
- 注册：register_framebuffer
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注销：
unregister_framebuffer
二、LCD 设备驱动核心结构 struct fb_info
该结构体记录了帧缓冲设备的全部信息，包括有：
1、 设备的设置参数
2、 状态
3、 对底层硬件操作的函数指针。
在 Linux 中， 每一个帧缓冲设备都必须对应一个 fb_info。fb_info 在/linux/fb.h 中的定义如下：
struct fb_info {
atomic_t count;/* 原子变量 */
int node;/*存放屏的序号， 也可以说是次设备号*/
int flags;
struct mutex lock; /* Lock for open/release/ioctl funcs */
struct mutex mm_lock; /* Lock for fb_mmap and smem_* fields */
struct fb_var_screeninfo var; /* LCD 可变参数结构体 */
struct fb_fix_screeninfo fix; /* LCD 固定参数结构体 */
struct fb_monspecs monspecs; /* LCD 显示器标准 */
struct work_struct queue; /* 帧缓冲事件队列 */
struct fb_pixmap pixmap; /* 图像硬件 mapper*/
struct fb_pixmap sprite; /* 光标硬件 mapper */
struct fb_cmap cmap; /* 当前的颜色表 */
struct list_head modelist; /* mode list */
struct fb_videomode *mode; /* 当前的显示模式 */
#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT
/* assigned backlight device */
/* set before framebuffer registration,
remove after unregister */
struct backlight_device *bl_dev;/* 对应的背光设备 */
/* Backlight level curve */
struct mutex bl_curve_mutex;
u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];/* 背光调整 */
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
struct delayed_work deferred_work;/*延时工作队列*/
struct fb_deferred_io *fbdefio;
#endif
struct fb_ops *fbops;/* 真正操作 LCD 硬件寄存器的方法集合*/
struct device *device; /* 内嵌的设备模型 */
struct device *dev; /* fb 设备 */
int class_flag; /* private sysfs flags */
#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
struct fb_tile_ops *tileops; /* 图块 Blitting */
#endif
char __iomem *screen_base; /* LCD显存虚拟基地址 */
unsigned long screen_size; /* LCD IO 映射的虚拟内存大小 */
void *pseudo_palette; /* 指向 16 种颜色调试板，其实就是一块内存 */
#define FBINFO_STATE_RUNNING 0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED 1
u32 state; /* LCD 的挂起或恢复状态 */
void *fbcon_par; /* fbcon use-only private area */
/* From here on everything is device dependent */
void *par; /*私有数据，驱动编程者可以用来存放自己的数据结构地址*/
/* we need the PCI or similar aperture base/size not
smem_start/size as smem_start may just be an object
allocated inside the aperture so may not actually overlap */
struct apertures_struct {
unsigned int count;
struct aperture {
resource_size_t base;
resource_size_t size;
} ranges[0];
} *apertures;
};
重要成员：var， fix， fbops， screen_base ， 使用标准的 LCD 框架编写， 这 4 个成员是一定实现。
2.1、LCD 设备驱动可变参数结构 struct fb_var_screeninfo
struct fb_var_screeninfo 表示一个 LCD 控制器，主要记录用户可以修改的控制器的参数（指的是在程序运行过程中可修改的 LCD 参数） ， 比如屏幕的分辨率和每个像素的比特数等，这个结构的存放的参数大部分就是 LCD 屏的时序参数， 驱动程序者根据自己使用的LCD 屏的资料设置。该结构体定义如下：
struct fb_var_screeninfo {
__u32 xres; /* 可见屏幕一行有多少个像素点*/
__u32 yres; /* 可见屏幕一屏有多少行*/
__u32 xres_virtual; /* 虚拟屏幕一行有多少个像素点*/
__u32 yres_virtual; /* 虚拟屏幕一屏有多少行*/
__u32 xoffset; /* 虚拟屏到实际屏的水平偏移量 */
__u32 yoffset; /*虚拟屏到实际屏的垂直偏移量*/
__u32 bits_per_pixel; /* LCD 屏工作时 BPP*/
__u32 grayscale; /*0 = 彩屏, 1 = 灰度，非彩屏，一般不使用了 */
struct fb_bitfield red; /* 红色的长度和偏移信息 */
struct fb_bitfield green; /* 绿色的长度和偏移信息 */
struct fb_bitfield blue; /* 蓝色的长度和偏移信息*/
struct fb_bitfield transp; /* 透明度的长度和偏移信息*/
__u32 nonstd; /* 0 表示标准像素格式，基本都是标准 */
//修改可变参数生效时刻,一般是马上生效，对应值是 0，宏名是 FB_ACTIVATE_NOW
__u32 activate; /* see FB_ACTIVATE_*: */
//存放物理屏的物理尺寸，是外观尺寸，单位 mm ,可选的
__u32 height; /* height of picture in mm */
__u32 width; /* width of picture in mm */
__u32 accel_flags; /* (OBSOLETE) see fb_info.flags */
//以下是 LCD 屏的工作时序，
//对应的前面移植 LCD 传递下来的 struct fb_videomode 结构
//除 pixclock 本身外， 其他都以像素时钟为单位
/* Timing: All values in pixclocks, except pixclock (of course) */
__u32 pixclock; /* 像素时钟(皮秒) */
__u32 left_margin; /* 左边距， 对应 TFT 控制器时序的水平前沿信 */
__u32 right_margin; /* 右边距， 对应 TFT 控制器时序的水平后沿信 */
__u32 upper_margin; /* 上边距， 对应 TFT 控制器时序的垂直前沿信 */
__u32 lower_margin; /* 下边距， 对应 TFT 控制器时序的垂直后沿信 */
__u32 hsync_len; /* 水平同步的长度 */
__u32 vsync_len; /* 垂直同步的长度*/
__u32 sync; /* see FB_SYNC_* */
__u32 vmode; /* see FB_VMODE_* */
__u32 rotate; /* 顺时针旋转的角度 */
__u32 colorspace; /* colorspace for FOURCC-based modes */
__u32 reserved[4]; /* Reserved for future compatibility */
};
struct fb_bitfield结构说明：
struct fb_bitfield {
__u32 offset; /* beginning of bitfield */
__u32 length; /* length of bitfield */
__u32 msb_right; /* != 0 : Most significant bit is */
/* right */
};
表示颜色的长度和偏移量，如RGB=888
struct fb_bitfield R:
R.offset : 16
R.length : 8
struct fb_bitfield G:
G.offset : 8
G.length : 8
struct fb_bitfield B:
G.offset : 0
G.length : 8
2.2、LCD 设备驱动固定参数结构 struct fb_fix_screeninfo
该结构存放的是屏的一些固定不可修改的参数，在 LCD 正常使用运行期间是不能修改。所以这些值一般是在驱动程序的初始化阶段完成填充， 当 LCD工作起来后就不能再修改了。结构定义如下：
struct fb_fix_screeninfo {
char id[16]; /* 字符串形式的标识符， 实际上就是 lcd 设备的别名 */
unsigned long smem_start; /* fb 缓存的开始位置（物理地址） */
/* (physical address) */
__u32 smem_len; /* fb 缓存的长度 */
//表示像素类型，一般都标准像素格式
//FB_TYPE_PACKED_PIXELS
__u32 type; /* see FB_TYPE_* */
__u32 type_aux; /* Interleave for interleaved Planes */
__u32 visual; /*FB_VISUAL_TRUECOLOR,FB_VISUAL_PSEUDOCOLOR*/
__u16 xpanstep; /* 如果没有硬件平移功能设置为 0 */
__u16 ypanstep; /* 如果没有硬件平移功能设置为 0 */
__u16 ywrapstep; /* zero if no hardware ywrap */
__u32 line_length; /* 一行占用的内存字节数 */
unsigned long mmio_start; /* 内存映射 IO 的开始位置 */
/* (physical address) */
__u32 mmio_len; /* Length of Memory Mapped I/O */
__u32 accel; /* Indicate to driver which */
/* specific chip/card we have */
__u16 capabilities; /* see FB_CAP_* */
__u16 reserved[2]; /* Reserved for future compatibility */
};
重要成员：id：lcd 设备的别名，即标识名，随便 smem_start：显存物理起始地址，注意，是物理地址，不是虚拟地址。驱动中定义的变量，普通动态分配内存的方法得到的都是虚拟址，要得到物理地址必须使用专用的 DMA 内存分配函数：
void *dma_alloc_writecombine(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
功能：动态分配 DMA 内存，同时可以得到分配 的内存虚拟地址和物理地址 参数：dev 设备指针，如果没有 NULL, size：内存大小 dma_handle：做为输出参数使用， 存放分配到的内存对应的物理地址 flag：是内存分配方式 返回值：分配到的内存的首地址。DMA 缓冲区释放函数：
void dma_free_writecombine(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle)
功能：释放由 dma_alloc_writecombine 分配的 dma 内存 参数：dev 设备指针，如果没有 NULL,
- size：内存大小
- cpu_addr：dma_alloc_writecombin 得到的虚拟地址首地址
- dma_handle：做为输出参数使用，存放分配到的内存对应的物理地址
- PS: 因为 LCD 是使用 DMA 模块来搬运数据的，而 DMA 模块只涉及物理地址，所以 LCD 驱动中需要记录物理地址。
- line_length：一行占用的内存字节数
- smem_len：显存长度
2.3、LCD 设备驱动硬件操作方法结构 struct fb_ops
fb_ops 结构体是对底层硬件操作的函数指针，是内核用来描述真正硬件操作方法的数据结构。该结构体中定义了对硬件的操作如下：
struct fb_ops {
/* open/release and usage marking */
struct module *owner;
/* 1.打开 lcd ,一般不用实现， 如果实现也是写一些 lcd 初始化的代码*/
int (*fb_open)(struct fb_info *info, int user);
/* 2.关闭 lcd ,一般不用实现， 如果实现也是写一些 lcd 初始化的代码*/
int (*fb_release)(struct fb_info *info, int user);
/* 3.读 lcd 缓冲区的数据到用户空间 */
ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos);
/* 4.把用户空间中传递下来的缓冲区的数据写入 lcd 的显示缓冲区*/
ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos);
/* 5.检查可变参数， 如果不支持则进行修正*/
int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
/*6.把设置的可变参数值更新到硬件寄存器中， 使之有效*/
int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);
/* 7.设置颜色寄存器*/
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);
/* 9.显示黑白模式， 一般要实现 */
int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);
/* 10.pan display */
int (*fb_pan_display)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);
/* 11.矩形填充 */
void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);
/* 12.把一个区域的内容复制到另一个区域 Rotates the display */
void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);
/* 13.绘制图像 */
void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);
/* 14.绘制光标 Draws cursor */
int (*fb_cursor) (struct fb_info *info, struct fb_cursor *cursor);
/* 15.旋转 LCD 显示 */
void (*fb_rotate)(struct fb_info *info, int angle);
/* 16.wait for blit idle, optional */
int (*fb_sync)(struct fb_info *info);
/* 17.ioctl 控制命令 */
int (*fb_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned int cmd,
unsigned long arg);
/* 18.Handle 32bit compat ioctl (optional) */
int (*fb_compat_ioctl)(struct fb_info *info, unsigned cmd,
unsigned long arg);
/* 19.mmap 内存映射函数 */
int (*fb_mmap)(struct fb_info *info, struct vm_area_struct *vma);
/* 20.获取 lcd 可变参数 */
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);
/* called at KDB enter and leave time to prepare the console */
int (*fb_debug_enter)(struct fb_info *info);
int (*fb_debug_leave)(struct fb_info *info);
};
常用重要成员：
- fb_open: 当你的 lcd 不需要做什么特殊初始操作，这个方法可以不实现，一般不实现；
- fb_release:当你的应用程序不使用 lcd 设备时候，需要做的事情就在这里实现，一般不实现；
- fb_read：当你 LCD 控制器使用的内存是独立显存时候才需要实现，直接使用核心层通用 read。
- fb_write：当你 LCD 控制器使用的内存是独立显存时候才需要实现，直接使用核心层通用 write。
- fb_check_var: 实现的功能检测应用程序传递下来的可变参数是否合法。当不提供给应用程序，通过 ioctl 命令动态修改 LCD 可变参数时候不需要实现。
- fb_set_par：实现的功能是把可变参数设置到硬件寄存器中去。当不提供给应用程序，通过 ioctl 命令动态修改 LCD 可变参数时候不需要实现。
- fb_blank：实现的功能是黑屏白屏模式（开屏，关屏）。
- fb_fillrect：实现的功能是填充矩形，如果是非独立显卡直接使用内核自带的函数 cfb_fillrect。
- fb_copyarea：实现的功能是区域复制数据，如果是非独立显卡直接使用内核自带的函数 cfb_copyarea
- fb_imageblit：实现的功能是区域显示图像，如果是非独立显卡直接使用内核自带的函数 cfb_imageblit
- fb_ioctl：实现功能是让用户通过 ioctl 接口调用这个函数来对 LCD 特殊器特殊功能控制，如控制器只实现了一般的标准功能，不需要实现，使用核心层默认的 ioctl 接口就行可以了。
- fb_mmap： 实现的是把内核空间的分配的显存映射到用户空间中对应的 mmap 系统调用，当你控制是独立显卡时候才需要实现。
这个结构是真正实际实现不同 LCD 的硬件操作函数功能， 但是一般情况下， 如果我们的 LCD 控制器不属于独立显卡类型， 那这个结构的很多成员都是不用实现的， 比如像结构的 fb_open, fb_release, fb_read, fb_write 等这些函数不用实现， 而是使用 Framebuffer 的核心层 fnmem.c 实现的通用函数就可以了。
以上结构中如果要实现和控制台相关的功能， 结构中的 fb_check_var， fb_set_par， fb_blank， fb_cursor，fb_fillrect， fb_copyarea， fb_imageblit 接口是要实现的， 但是这几个中除 fb_check_var， fb_set_par， fb_blank 这三个要根据用户自己的硬件特征来实现不同的代码外，余下的都可以直接使用内核中已经实现的默认函数（当然，内核实现的通用代码），这些在后面的代码分析中看到。
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