显示/光电技术:PXA270的LCD显示系统的设计与实现

引言

　　Xscale处理器是Intel公司推出的基于ARMv5TE体系结构的ARM处理器。PXA270是该公司于2003年第四季度推出一款全性能、高性价比、低功耗的Xscale处理器，其最高主频可达624MHz。

　　PXA270拥有的 Quick Capture（快速拍摄）、Wireless MMX（无线MMX指令）和Wireless Speed Step（无线动态节能）技术，大大提升了多媒体处理能力；同时在保证CPU性能的情况下，最大限度地降低移动设备功耗。

　　嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对标准Linux经过小型化裁减处理之后，能够固化在容量只有几KB或者几MB的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux操作系统。在目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是Linux。

1 LCD液晶显示原理

　　嵌入式系统一般采用液晶显示屏LCD。本系统采用的是LG Philiph的TFT6.4寸的真彩显示屏LP064V02。

　　液晶显示的原理是液晶在不同电压的作用下会呈现出不同的光特性。TFT是薄膜晶体管Thin Film Transitor的缩写。FB（Frame Buffer）是帧缓冲器。

　　显示屏所显示的一幅完整画面就是一个帧(Frame)，其整个显示区域，在系统内会有一段存储空间与之对应，通过改变该存储空间的内容，从而改变显示屏的内容，该存储空间被称为Frame Buffer。显示屏上的每一点都必然与Frame Buffer里的某一位置对应。而计算机显示的颜色是通过RGB值来表示的，因此如果要在屏幕某一点显示某种颜色，则必须给出相应的RGB值。Frame Buffer就是用来存放整个显示的编码和像点值的外部存储器区域。帧缓冲器的每一个字节对应着LCD中的一个像素，例如LP064V02显示屏有640×480=307200个像素。

2 PXA270中内置的LCD控制器

2.1 LCD控制器介绍

　　Frame Buffer和LCD显示屏之间的数据传输很频繁，完全由CPU通过程序直接驱动显然不合适。因此，为减轻CPU的负担，在Frame Buffer与显示屏之间还需要一个中间件，该中间件负责从Frame Buffer里提取数据，进行处理，并传输到显示屏上。

　　LCD控制器由以下部分组成：LCD DMAC（本文提出的DMAC都是指集成在LCDC内部的DMAC），输入/输出FIFO，内部调色板，TMED抖动（帧速率控制），寄存器组。

　　LCDC的内部操作方式会因为所接LCD类型的不同而有所不同。本系统采用的是主动16位像点模式。在这种主动彩色模式中，LCDC内部的工作方式相对简单，Frame Buffer内的数据是16位的像素数据，此时，LCDC无需加载数据到内部调色板，并且数据无需经过帧速率控制单元的处理，直接发送至LCD控制器的数据脚，通过DMAC传输到输入 FIFO后，数据又立刻被传送到输出 FIFO。

2.2 LCD模块的硬件连接

PXA270与LCD模块的硬件连接如图1所示。各信号引脚的说明如下：

LCD接口框图

图1 LCD接口框图

L_DD[15：0]：数据线。16位数据线可以显示红、绿、蓝像点，使用5位红、6位绿和5位蓝就能实现不同颜色的显示。
L_PCLK：像点时钟。用于把彩色数据输入到LCD显示器中的移位寄存器中。被动模式下，像点时钟仅在数据线上数据有效时才发生跳变；主动模式下，像点时钟连续跳变。
L_LCLK：行扫描时钟。用于LCD显示器行显示的结束和把移位寄存器的行数据送到显示器中，并且将行指针加1。主动模式下，它是水平同步信号。
L_FCLK：帧扫描时钟。用于LCD显示器新的帧像点的开始。显示器复位时行指针指向显示屏的顶部。在主动模式下，它是垂直同步信号。
L_BIAS：AC偏置。主动方式下，它是数据使能信号。

3 LCD驱动程序的设计与实现

　　PXA270嵌入式系统对LCD显示屏的驱动分成两方面：一方面是对LCD及相关部件的初始化，包括帧缓冲区的创建和对DMA通道的设置；另一方面就是对帧缓冲区的读写，将帧缓冲区的内容输送到LCD显示屏由硬件完成，对于驱动来说是透明的。

3.1 帧缓冲器的初始化

主要数据结构如下：

　　struct pxafb_info：主要用于帧缓冲区设备驱动框架的搭建，也是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，而且还记录了帧缓冲器设备的全部信息。每个帧缓冲设备都必须与一个fb_info结构相对应。其中成员变量modename为设备名称，fontname为显示字体，fbops为指向底层操作的函数的指针。

　　struct pxafb_fix_screeninfo：记录用户不能修改的显示控制器参数。它包括屏幕缓冲区的物理地址和长度。

　　struct pxafb_var_screeninfo：记录用户可以修改的显示控制器参数。它包括显示屏幕的分辨率、每个像素的比特数和一些时序变量。其中变量xres定义了屏幕一行所占的像素数，yres定义了屏幕一列所占的像素数，bits_per_pixel定义了每个像素用多少个位来表示。

　　帧缓冲区的初始化函数在/drivers/video/pxafb.c文件中，结构如下：

　　int __init pxafb_init(void)

　　{

　　 struct pxafb_info *fbi;

　　 int ret;

　　…………

　　 fbi = pxafb_init_fbinfo(); //初始化一些重要的数据结构

　　…………

　　/* Initialize video memory */

　　 ret = pxafb_map_video_memory(fbi); //在内存中创建一个图像缓存区

　　 …………

　　 pxafb_set_var(&fbi->fb.var, -1, &fbi->fb);

　　 …………

　　 ret = register_framebuffer(&fbi->fb); //登记，使画面缓冲区与控制台设备驱动的高层挂钩

…………

　　/ * Ok, now enable the LCD controller */

　　 set_ctrlr_state(fbi, C_ENABLE);

　　 …………

　　 return ret;

　　}

　　首先是pxafb_init_fbinfo()的调用，目的在于对几个数据结构进行初始化，并设置有关的基本的参数，例如所用的字体、显示屏的规格等，还有为了搭建帧缓冲器的设备驱动框架做一些准备。接着通过pxafb_map_video_memory()函数在内存中创建帧缓冲区，实际上是为一个内存区间另外建立一个映射。这里分配用于帧缓冲区的内存区间应该是不经高速缓存、不加写缓冲的，这样才可以一经写入便立即反映在显示屏上，而无需先对高速缓存进行刷新。

　　pxafb_set_var()函数是为控制台设备驱动的高层提供一个驱动帧缓冲区的界面。同时也确定一些与画面缓冲区有关的参数，并记录在一个fb_var_screeinfo数据结构中。确定了这些参数以后，如果目标帧缓冲区属于当前选定的控制台设备，就通过pxa_activate_var()函数把这些参数分门别类地组合生成PXA270各有关寄存器的映像，并最终设置到PXA270的各个LCD控制寄存器中。

这里用到6个寄存器：

DBAR1：DMA通道1的基地址寄存器，用于调色板；
DBAR2：DMA通道2的基地址寄存器，用于画图；
LCCR0：黑白/彩色模式选择，单画面/双画面显示方式、被动/主动显示模式选择；
LCCR1：控制着水平方面的扫描，包括每行的像素、水平同步脉冲宽度、在水平扫描行的开头和末尾各空出几个像素等参数；
LCCR2：控制着垂直方面的扫描，包括每个画面的行数、垂直同步脉冲宽度、在画面的顶部和底部各空出几行等参数；
LCCR3：控制着像素时钟的频率以及各种同步脉冲的极性。

　　这些宏操作都在/drivers/video/pxafb.h文件里。

　　#if defined(CONFIG_FB_LB064v02)

　　#define LCD_PIXCLOCK 250000//54000//150000

　　#define LCD_BPP 16

　　#define LCD_XRES 640

　　#define LCD_YRES 480

　　#define LCD_HORIZONTAL_SYNC_PULSE_WIDTH 46

　　#define LCD_VERTICAL_SYNC_PULSE_WIDTH 1

　　#define LCD_ BEGIN_OF_LINE_WAIT_COUNT 96

　　#define LCD_BEGIN_FRAME_WAIT_COUNT 35

　　#define LCD_END_OF_LINE_WAIT_COUNT 4

　　#define LCD_END_OF_FRAME_WAIT_COUNT 0

　　#define LCD_SYNC (FB_SYNC_HOR_HIGH_ACT | FB_SYNC_VERT_HIGH_ACT)

　　#define LCD_LCCR3 (LCCR3_PCP | LCCR3_HSP | LCCR3_VSP)

　　#endif

　　最后是通过register_framebuffer()进行各项登记，使帧缓冲区与控制台设备驱动的高层相连。参数fbi是一个指向fb_info数据结构的指针，通过这个数据结构使帧缓冲区与文件系统连接起来。

3.2 帧缓冲区的操作

　　对帧缓冲区的操作，应用程序首先要打开代表帧缓冲区的设备文件，帧缓冲区的file_operations数据结构是fb_fops。

　　static struct file_operations fb_fops = {

　　 owner: THIS_MODULE,

　　 read: fb_read, // 读操作

　　 write: fb_write, // 写操作

　　 ioctl: fb_ioctl, // 控制操作

　　 mmap: fb_mmap, // 映射操作

　　 open: fb_open, // 打开操作

　　 release: fb_release, // 关闭操作

　　#ifdef HAVE_ARCH_FB_UNMAPPED_AREA

　　 get_unmapped_area: get_fb_unmapped_area,

　　#endif

　　};

　　应用程序层对帧缓冲设备的访问同对文件的访问操作类似。在应用程序中，对帧缓冲设备（dev/fb）的操作只需调用文件层的操作函数。首先打开/dev/fb设备文件；随后用ioctl操作取得屏幕的分辨率和bpp值，从而计算出屏幕缓冲区的大小，并将屏幕的缓冲区映射到用户空间；最后就可直接对屏幕缓冲区进行图片显示。对帧缓冲区的打开文件操作是由fb_open()完成等。

　　驱动程序编写完成后，开发者可以将其编译为动态加载模式，或静态地编译入内核中。

4 结束语

　　随着后PC时代的到来，嵌入式系统得到了越来越广泛的应用。现在的嵌入式系统一般都需要提供图形化的人机界面。本文所设计的系统运行良好，性能稳定。在实际产品中取得了比较满意的经济效益。