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嵌入式系统中LCD驱动的实现原理：
结合三星公司ARM9系列嵌入式处理器S3C2410，讲解如何进行LCD驱动程序模块化编程及如何将驱动程序静态加载进系统内核。
LCD （液晶显示）模块满足了嵌入式系统日益提高的要求，它可以显示汉字、字符和图形，同时还具有低压、低功耗、体积小、重量轻和超薄等很多优点。随着嵌入式系 统的应用越来越广泛，功能也越来越强大，对系统中的人机界面的要求也越来越高，在应用需求的驱使下，许多工作在Linux下的图形界面软件包的开发和移植 工作中都涉及到底层LCD驱动的开发问题。因此在嵌入式系统中开发LCD驱动得以广泛运用。
本文以三星公司ARM9内核芯片S3C2410的LCD接口为基础，介绍了在Linux平台上开发嵌入式LCD驱动程序的一般方法。
本文硬件采用三星公司的S3C2410芯片的开发板，软件采用Linux 2.4.19平台，编译器为arm-linux-gcc的交叉编译器，使用640×480分辨率的TFT彩色LCD，通过对其Linux驱动程序进行改写和调试，成功地实现了对该种屏的驱动和显示。
嵌入式驱动的概念
设备驱 动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操 作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它主要完成的功能有：对设备进行初始化和释放；把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数 据；读取应用程序传送给设备文件的数据、回送应用程序请求的数据以及检测和处理设备出现的错误。
Linux 将设备分为最基本的两大类：一类是字符设备，另一类是块设备。字符设备和块设备的主要区别是：在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接 着发生了。字符设备以单个字节为单位进行顺序读写操作，通常不使用缓冲技术；块设备则是以固定大小的数据块进行存储和读写的，如硬盘、软盘等，并利用一块 系统内存作为缓冲区。为提高效率，系统对于块设备的读写提供了缓存机制，由于涉及缓冲区管理、调度和同步等问题，实现起来比字符设备复杂得多。LCD是以 字符设备方式加以访问和管理的，Linux把显示驱动看做字符设备，把要显示的数据一字节一字节地送往LCD驱动器。
Linux 的设备管理是和文件系统紧密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件，完成对设备 的操作，就像操作普通的数据文件一样。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备，而次 设备号用来区分同一类型的多个设备。对于常用设备，Linux有约定俗成的编号，如硬盘的主设备号是3。Linux为所有的设备文件都提供了统一的操作函 数接口，方法是使用数据结构struct file_operations。这个数据结构中包括许多操作函数的指针，如open（）、close（）、read（）和write（）等，但由于外设 的种类较多，操作方式各不相同。Struct file_operations结构体中的成员为一系列的接口函数，如用于读/写的read/write函数和用于控制的ioctl等。打开一个文件就是 调用这个文件file_operations中的open操作。不同类型的文件有不同的file_operations成员函数，如普通的磁盘数据文件， 接口函数完成磁盘数据块读写操作；而对于各种设备文件，则最终调用各自驱动程序中的I/O函数进行具体设备的操作。这样，应用程序根本不必考虑操作的是设 备还是普通文件，可一律当作文件处理，具有非常清晰统一的I/O接口。所以file_operations是文件层次的I/O接口。
LCD控制器
LCD 控制器的功能是显示驱动信号，进而驱动LCD。用户只需要通过读写一系列的寄存器，完成配置和显示驱动。在驱动LCD设计的过程中首要的是配置LCD控制 器，而在配置LCD控制器中最重要的一步则是帧缓冲区（FrameBuffer）的指定。用户所要显示的内容皆是从缓冲区中读出，从而显示到屏幕上的。帧 缓冲区的大小由屏幕的分辨率和显示色彩数决定。驱动帧缓冲的实现是整个驱动开发过程的重点。S3C2410中的LCD控制器可支持STN和TFT两种液 晶。对于STN 液晶平板，该LCD控制器可支持4位双扫描、4位单扫描和8位单扫描三种显示类型，支持4级和16级灰度级单色显示模式，支持256色和4096色显示， 可接多种分辨率的LCD，例如640×480、320×240和160×160等，在256色显示模式时，最大可支持4096×1024、2048× 2048和1024×4096显示。TFT液晶平板可支持1-2-4-8bpp（bits per pixel）调色板显示模式和16bpp非调色板真彩显示。
帧缓冲区是出现在Linux 2.2.xx及以后版本内核当中的一种驱动程序接口，这种接口将显示设备抽象为帧缓冲区设备区。帧缓冲区为图像硬件设备提供了一种抽象化处理，它代表了一 些视频硬件设备，允许应用软件通过定义明确的界面来访问图像硬件设备。这样软件无须了解任何涉及硬件底层驱动的东西（如硬件寄存器）。它允许上层应用程序 在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写和I/O控制等操作。通过专门的设备节点可对该设备进行访问，如/dev/fb*。用户可以将它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，就可以进行读写操作，而读写操作可以反映到LCD。
帧缓冲设备对应的设备文件是/dev/fb*。如果系统有多个显卡，Linux还支持多个帧缓冲设备，最多可达32个，即/dev/fb0～/dev/fb31。而/dev/fb则指向当前的帧缓冲设备，通常情况下，默认的帧缓冲设备为/dev/fb0。
帧缓冲设备也属于字符设备，采用“文件层-驱动层”的接口方式。在文件层为之定义了以下数据结构。
Static struct file_operations fb_fops={
ower： THIS_MODULE，
read： fb_read， /*读操作*/
write： fb_write， /*写操作*/
ioct1： fb_ioct1， /*I/O操作*/
mmap： fb_mmap， /*映射操作*/
open： fb_open， /*打开操作*/
release： fb_release， /*关闭操作*/
}
其成员函数都在linux/driver/video/fbmem.c中定义，其中的函数对具体的硬件进行操作，对寄存器进行设置，对显示缓冲进行映射。主要结构体还有以下几个。
● Struct fb_fix_screeninfo：记录了帧缓冲设备和指定显示模式的不可修改信息。它包含了屏幕缓冲区的物理地址和长度。
● Struct fb_var_screeninfo：记录了帧缓冲设备和指定显示模式的可修改信息。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。
● Struct fb_info：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。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。
LCD驱动开发的主要工作
1 编写初始化函数
初始化函数首先初始化LCD 控制器，通过写寄存器设置显示模式和颜色数，然后分配LCD显示缓冲区。在Linux中可以用kmalloc（）函数分配一段连续的空间。缓冲区大小为： 点阵行数×点阵列数×用于表示一个像素的比特数/8。缓冲区通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制寄存器中。本文采用的LCD显 示方式为640×480，16位彩色，则需要分配的显示缓冲区为640×480×2=600kb。最后是初始化一个fb_info结构，填充其中的成员变 量，并调用register_framebuffer（&fb_info），将fb_info登记入内核。
2 编写成员函数
编写结构fb_info中函数指针fb_ops对应的成员函数，对于嵌入式系统的简单实现，只需要下列三个函数就可以了。
struct fb_ops{
……
int （*fb_get_fix）（struct fb_fix_screeninfo *fix， int con， struct fb_info *info）;
int （*fb_get_var）（struct fb_var_screeninfo *var， int con， struct fb_info *info）;
int （*fb_set_var）（struct fb_var_screeninfo *var， int con， struct fb_info *info）;
……}
Struct fb_ops在include/linux/fb.h中定义。这些函数都是用来设置/获取fb_info结构中的成员变量的。当应用程序对设备文件进行 ioctl操作时候会调用它们。对于fb_get_fix（），应用程序传入的是fb_fix_screeninfo结构，在函数中对其成员变量赋值，主 要是smem_start（缓冲区起始地址）和smem_len（缓冲区长度），最终返回给应用程序。而fb_set_var（）函数的传入参数是 fb_var_screeninfo，函数中需要对xres、yres和bits_per_pixel赋值。
对于/dev/fb，对显示设备的操作主要有以下几种。
● 读/写（read/write）/dev/fb：相当于读/写屏幕缓冲区。
● 映射（map） 操作：由于Linux工作在保护模式，每个应用程序都有自己的虚拟地址空间，在应用程序中是不能直接访问物理缓冲区地址的。为此，Linux在文件操作 file_operations结构中提供了mmap函数，可将文件的内容映射到用户空间。对于帧缓冲设备，则可通过映射操作，可将屏幕缓冲区的物理地址 映射到用户空间的一段虚拟地址中，之后用户就可以通过读写这段虚拟地址访问屏幕缓冲区，在屏幕上绘图了。
● I/O控制：对于帧缓冲设备，对设备文件的ioctl操作可读取/设置显示设备及屏幕的参数，如分辨率、显示颜色数和屏幕大小等。ioctl的操作是由底 层的驱动程序来完成的。在应用程序中，操作/dev/fb的一般步骤如下：打开/dev/fb设备文件；用ioctrl操作取得当前显示屏幕的参数，如屏 幕分辨率和每个像素的比特数，根据屏幕参数可计算屏幕缓冲区的大小；将屏幕缓冲区映射到用户空间；映射后即可直接读写屏幕缓冲区，进行绘图和图片显示了。
LCD模块化驱动
在对S3C2410 的LCD编写模块化驱动程序时，首先要从内核中去除LCD驱动。这里需要做一些改动，系统调用被加在以下文件中，需去除： /root/usr/src/arm/linux/kernel/sys.c；/root/usr/src/arm/linux/include/arm -arm下的unistd.h和lcd.h；/root/usr/src/arm/linux/arch/arm/kernel下的calls.s。
编写模块化驱动程序，有以下几个关键的函数。
● lcd_kernel_init（void）//当模块被载入时执行
● lcd_kernel_exit（void）//当模块被移出内核空间时被执行
● lcd_kernel1_ioctl（struct*inode， struct*file， unsigned int cmd， unsigned longarg） //其他功能
每当装配设备驱动程序时，系统自动调用初始化模块lcd_kernel_init（void）。
另一个必须提供的函数是lcd_kernel_exit（void），它在模块被卸载时调用，负责进行设备驱动程序的工作。
执行insmod lcd.o命令即可将LCD驱动添加到内核中，执行rmmod lcd命令即可从内核中删除LCD驱动。
静态加载LCD驱动
将写好的lcd 驱动程序lcd.c放到arm/linux/drivers/char目录下，修改arm/linux/drivers/char/config.in文 件，加上一行：Bool‘LCD driver support‘CONFIG_LCD；修改arm/linux/drivers/char/Makefile文件，加上一行：obj-$ （CONFIG_LCD）+=lcd.o。
这样，当再进行make xconfig时，就会选择是否将LCD驱动编译进内核。同样的办法也可用在其他设备上。
LCD怎样维护？
显示器发展至今天，在消费级领域已经真正地进入到液晶时代了。对价格较为敏感的国内市场，降价不断的事实也使得LCD走进了千家万户家中。甚至更前卫的液晶电视也正在受到越来越多用户的关注。LCD或者液晶电视，它们都是属于消耗型产品，同时也是属于有点娇气的电器设备，不少用户由于缺乏一定的知识，在平时的使用中采用了一些不当的操作手段以致影响了LCD的显示效果甚至人为地损坏了LCD，所以要想让您的LCD总能保持好的效果，又能延年益寿的话，那么良好的使用习惯和定期保养就显得比较重要了。
一、如何清洁LCD屏幕？
这是众多用户所关注的一个问题。液晶显示器在工作时会对周围的灰尘有一定的吸力，所以我们可以发现LCD屏幕在使用一段时间后就会沾上较多的灰尘。在这里先不说正确的操作方法，我们来看一看一些错误的清洁方法：1、用手掌或者手指直接擦试LCD。要知道，LCD是不允许受到压迫的，用手掌或者手指去擦试的时候，用力很难做到恰到好处的程度，如果用力过猛，会有可能引起LCD液晶分子永久性物理损害，从而出现了坏点甚至会发生小区域异常的情况，所以切勿用手掌或者手指去直接擦试LCD屏幕。2、用较粗糙的毛巾擦试LCD屏幕。笔者曾经看到过某些用户直接用家里平时擦试桌子的毛巾来擦LCD屏幕，这种情况发生的机率其实还不少，因为有些用户在用毛巾清洁电脑桌的时候顺便也给LCD屏幕来个清洁，虽然知道这样似乎不太好，但是图方便就不管了。
3、用笔或者其它硬物“指指点点”LCD屏幕。很多用户要在电脑屏幕前商量研究一些事情，有时就避免不了要在屏幕上指指划划，用手指、笔或者其它硬物直接接触LCD屏幕，这个是一个很不好的习惯，会给LCD屏幕刮上不可恢复的伤痕从而影响显示效果。
LCD擦试专用纸巾
那么正确的清洁LCD屏幕的方法是怎么样的呢？我们知道，液晶面板主要是由两块无钠玻璃夹着一个由偏光板、液晶层和彩色虑光片构成的夹层所组成。液晶屏幕的表面看似一片坚固的黑色屏幕，其实在这层屏幕上厂商都会加上一层特殊的涂层。这层特殊涂层的主要功能就在于防止使用者在使用时所受到其它光源的反光以及炫光，同时加强液晶屏幕本身的色彩对比效果。清洁这个层有三种方法，第一种是最正规但也是最麻烦的：购买LCD专用清洁剂或者专用的清洁纸巾来对屏幕进行清洁。这种方法的效果最好，但是要出钱购买，维护成本不为零，不少消费者对此反感，而且觉得麻烦而不去做。第二种方法是采用柔软的镜头软布稍微沾点儿水后拧干，轻轻地对屏幕进行擦试；第三种方法最为简单，就是用干燥的软毛刷来轻轻擦掉灰尘即可。另外注意一点，是在清洁时要送行LCD电源，不要加电清洁LCD。
消费者关注的三个问题：
1、使用纸巾来擦LCD屏幕可以吗？
答：按照专家的回答，这个是不推荐的做法。但是在实际操作中这种其实是LCD用户最常见的清洁方式，在这里笔者强调一下，应该使用面巾纸来清洁，因为面巾纸多数是较柔软的，在擦试的时候注意不要把面巾纸搓成一团来擦，而是要保持平整地去轻轻擦试。
2、使用眼镜布来擦LCD屏幕为什么不好？
答：其实使用眼镜布来擦LCD屏幕应该是可以的，但是有一点要注意的是，眼镜布其实一般都不怎么干净，因为眼镜本身就是沾满了灰尘的，很多用户的眼镜布很久都不清洗一次，如此一来眼镜布的灰尘就可想而知了，用它来擦LCD屏幕的话非旦不容易擦干净，而且还可能带上一些更脏的灰尘上去。
3、可以使用带酒精等有机溶剂来清洁LCD屏幕吗
答：不可以，液晶屏幕有较强的透水性，原则是不允许用用机溶剂来进行清洁的，所以不要以为用清洁磁头的清洁来清洁LCD屏幕是通过的，这个是错误的做法。
二、避免LCD受潮
所有的电子器件都要求工作在一定的湿度环境下，如果湿度过大了就会引起元件的快速老化甚至出现异常，一般湿度保持在30%～80%之间显示器就能正常工作，超过80%后就有可能会出现异常了。LCD显示器就更是如此了，如果长期工作在湿度较大的环境下，LCD显示聚焦会出现异常，严重的话可能会无法恢复。对于普通消费者来说，在日常使用中要注意如下几点：
1、不要经常性地用嘴对着LCD“呵气”以擦试清洁屏幕。因为不少的用户都有着对眼镜“呵气”来用眼镜布来清洁眼镜的经验，所以对LCD也采用同样的方法。上面其实也说到了，LCD屏幕是不应该用有机溶剂或者水来进行清洁的，当中还有一个理由就是受潮问题，如果经常性地采用“呵气”方法来清洁的话，屏幕表面常常受到水气的熏染，湿度自然就增大了，久而久之的话会影响到LCD的聚焦问题的。
2、对于南方的用户来说，特别是在清明时期的梅雨天气空气湿度比较大，此时如果有条件的话尽可能每天都使用LCD半小时以上，利用LCD自身的加电发热来驱走水气。就算不需要使用LCD，在梅雨天气时期最好能保持每星期致少使用一次以上。另外，专家建议可以采用一些较高功率的电灯泡放在屏幕附近对其“驱寒”也可以达到干燥LCD水气的目的。
3、如果长时间不开启LCD，发现LCD上已经有受潮的迹象的话，要用镜头软布将其轻轻地擦去，然后才能打开电源。如果水气很严重，已经进入LCD了，就必须将LCD放置到较温暖的地方，以便让其中的水分和有机化物蒸发掉。如果对含有湿度的LCD加电，容易导致液晶电极腐蚀，进而造成永久性损坏。
另外，LCD不能受潮，但并不意味着越干燥就越好。有些用户在梅雨时期等到有太阳的时候，就赶紧拿到太阳底下直射以驱掉水气。这种做法是错误的，强光照射会加快LCD老化，液晶分子最好不要经受太阳的猛射以保证其寿命。
三、平时使用LCD应该注意的几大习惯问题
1、不要24小时不间断使用LCD
不少用户以为LCD的发热量比CRT小很多，同时也很节省电，所以经常性地24小时让其工作。其实这种做法是不正确的。专家指出，LCD在连续48小时不间断地高强度工作后，其老化的速度会明显比普通正常间歇性地使用要快得多。其实这种是一种超负荷的使用状态，厂商并不会指出严禁如此使用，但是LCD的寿命是一定的，老化的速度与使用的强度自然是息息相关的，高强度地使用肯定会加速LCD的老化，甚至容易出现一些问题。
所以平时使用过程中，最好是设置成20分钟后不操作电脑就自动关闭显示器，其实这个在Windows操作系统中是默认了的，只要不去更改它就行了。而平时使用电脑时如果是较长时间地离开座位的话建议顺手把LCD的电源关掉，这些都是一些良好的使用习惯。
2、不要长时间地使用高亮度高对比度
目前LCD有些产品是有高亮功能的，高亮及高对比度对于游戏、电影等环境确实起到了较好的视觉效果作用，但是其负面作用也是不小，长期使用高亮度对LCD是有害无益的，会加速LCD老化的进程，同时对于人体健康来说，过高的亮度对于人眼是不健康的。特别是使用普通的上网、办公文字处理界面时更不应该启用高亮模式，否则对LCD、对人都是有害的。
四、一些有利于LCD的措施
1、经常要“指指点点”的用户建议增添一个液晶保护屏，建议采用一些透光率较佳的产品，保护屏有抗擦伤、抗静电、抗油污、耐腐蚀等特点，对LCD来说还是能起到一定的保护作用的。不过液晶保护屏不可能做到百分百的透光，所以在实际作用中对效果会有一定的影响，只要用户能够承受，这个也不成问题，关于这个效果影响的问题因人而异的。
2、长期不使用LCD显示器的话，最好把电源拔开，用塑料袋将显示器封起来以阻挡灰尘，可能的话建议在袋子里面加上防潮的干燥剂。
3、不要让音箱中的低音炮或者其它能产生强磁场的物体太过靠近LCD。强磁场对于显示器来说是有害的，会加速老化过程甚至会引起显示异常，所以在摆设这些物体时就要考虑到这个问题。一些用户为了调节音量方便，就把低音炮放到桌面，这样离LCD就比较近，虽然说很多音箱产品都是防磁的，但是防磁产品能做百分百永久防磁的情况还是不多的，用户要注意了。
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