Linux LCD 驱动实验

LCD 是很常用的一个外设，在裸机篇中我们讲解了如何编写 LCD 裸机驱动，在 Linux 下LCD 的使用更加广泛，再搭配 QT 这样的 GUI 库下可以制作出非常精美的 UI 界面。本章我们就来学习一下如何在 Linux 下驱动 LCD 屏幕。

Framebuffer 设备

先来回顾一下裸机的时候 LCD 驱动是怎么编写的，裸机 LCD 驱动编写流程如下：

①、初始化 I.MX6U 的 eLCDIF 控制器，重点是 LCD 屏幕宽(width)、高(height)、hspw、hbp、hfp、vspw、vbp 和 vfp 等信息。

②、初始化 LCD 像素时钟。

③、设置 RGBLCD 显存。

④、应用程序直接通过操作显存来操作 LCD，实现在 LCD 上显示字符、图片等信息。

在 Linux 中应用程序最终也是通过操作 RGB LCD 的显存来实现在 LCD 上显示字符、图片等信息。在裸机中我们可以随意的分配显存，但是在 Linux 系统中内存的管理很严格，显存是需要申请的，不是你想用就能用的。而且因为虚拟内存的存在，驱动程序设置的显存和应用程序访问的显存要是同一片物理内存。

为了解决上述问题，Framebuffer 诞生了， Framebuffer 翻译过来就是帧缓冲，简称 fb，因此大家在以后的 Linux 学习中见到“Framebuffer”或者“fb”的话第一反应应该想到 RGBLCD或者显示设备。fb 是一种机制，将系统中所有跟显示有关的硬件以及软件集合起来，虚拟出一个 fb 设备，当我们编写好 LCD 驱动以后会生成一个名为/dev/fbX(X=0~n)的设备，应用程序通过访问/dev/fbX 这个设备就可以访问 LCD。NXP 官方的 Linux 内核默认已经开启了 LCD 驱动，因此我们是可以看到/dev/fb0 这样一个设备，如图 59.1.1.1 所示：

图 59.1.1.1 中的/dev/fb0 就是 LCD 对应的设备文件，/dev/fb0 是个字符设备，因此肯定有file_operations 操作集，fb 的 file_operations 操作集定义在 drivers/video/fbdev/core/fbmem.c 文件中，如下所示：

关于 fb 的详细处理过程就不去深究了，本章我们的重点是驱动起来 ALPHA 开发板上的LCD。

LCD 驱动简析

LCD 裸机例程主要分两部分：

①、获取 LCD 的屏幕参数。

②、根据屏幕参数信息来初始化 eLCDIF 接口控制器。

不同分辨率的 LCD 屏幕其 eLCDIF 控制器驱动代码都是一样的，只需要修改好对应的屏幕参数即可。屏幕参数信息属于屏幕设备信息内容，这些肯定是要放到设备树中的，因此我们本章实验的主要工作就是修改设备树，NXP 官方的设备树已经添加了 LCD 设备节点，只是此节点的 LCD 屏幕信息是针对 NXP 官方 EVK 开发板所使用的 4.3 寸 480*272 编写的，我们需要将其改为我们所使用的屏幕参数。

我们简单看一下 NXP 官方编写的 Linux 下的 LCD 驱动，打开 imx6ull.dtsi，然后找到 lcdif节点内容，如下所示：

示例代码 59.1.2.1 中的 lcdif 节点信息是所有使用 I.MX6ULL 芯片的板子所共有的，并不是完整的 lcdif 节点信息。像屏幕参数这些需要根据不同的硬件平台去添加，比如向 imx6ull-alientek-emmc.dts 中的 lcdif 节点添加其他的属性信息。从示例代码 59.1.2.1 可以看出 lcdif 节点的 compatible 属性值为“fsl,imx6ul-lcdif”和“fsl,imx28-lcdif”，因此在 Linux 源码中搜索这两个字符串即可找到 I.MX6ULL 的 LCD 驱动文件，这个文件为drivers/video/fbdev/mxsfb.c，mxsfb.c就是 I.MX6ULL 的 LCD 驱动文件，在此文件中找到如下内容：

从示例代码 59.1.2.2 可以看出，这是一个标准的 platform 驱动，当驱动和设备匹配以后mxsfb_probe 函数就会执行。在看 mxsfb_probe 函数之前我们先简单了解一下 Linux 下Framebuffer 驱动的编写流程，Linux 内核将所有的 Framebuffer 抽象为一个叫做 fb_info 的结构体，fb_info 结构体包含了 Framebuffer 设备的完整属性和操作集合，因此每一个 Framebuffer 设备都必须有一个 fb_info。换言之就是，LCD 的驱动就是构建 fb_info，并且向系统注册 fb_info的过程。fb_info 结构体定义在 include/linux/fb.h 文件里面，内容如下(省略掉条件编译)：

fb_info 结构体的成员变量很多，我们重点关注 var、fix、fbops、screen_base、screen_size和 pseudo_palette。mxsfb_probe 函数的主要工作内容为：

①、申请 fb_info。

②、初始化 fb_info 结构体中的各个成员变量。

③、初始化 eLCDIF 控制器。

④、使用 register_framebuffer 函数向 Linux 内核注册初始化好的 fb_info。register_framebuffer函数原型如下：

int register_framebuffer(struct fb_info *fb_info)

函数参数和返回值含义如下：

fb_info：需要上报的 fb_info。

返回值：0，成功；负值，失败。

接下来我们简单看一下 mxsfb_probe 函数，函数内容如下(有缩减)：

第 1374 行，host 结构体指针变量，表示 I.MX6ULL 的 LCD 的主控接口，mxsfb_info 结构体是 NXP 定义的针对 I.MX 系列 SOC 的 Framebuffer 设备结构体。也就是我们前面一直说的设备结构体，此结构体包含了 I.MX 系列 SOC 的 Framebuffer 设备详细信息，比如时钟、eLCDIF控制器寄存器基地址、fb_info 等。

第 1395 行，从设备树中获取 eLCDIF 接口控制器的寄存器首地址，设备树中 lcdif 节点已经设置了 eLCDIF 寄存器首地址为 0X021C8000，因此 res=0X021C8000。

第 1401 行，给 host 申请内存，host 为 mxsfb_info 类型结构体指针。

第 1407 行，给 fb_info 申请内存，也就是申请 fb_info。

第 1413~1414 行，设置 host 的 fb_info 成员变量为 fb_info，设置 fb_info 的 par 成员变量为host。通过这一步就将前面申请的 host 和 fb_info 联系在了一起。

第 1416 行，申请中断，中断服务函数为 mxsfb_irq_handler。

第 1425 行，对从设备树中获取到的寄存器首地址(res)进行内存映射，得到虚拟地址，并保存到 host 的 base 成员变量。因此通过访问 host 的 base 成员即可访问 I.MX6ULL 的整个 eLCDIF寄存器。其实在 mxsfb.c 中已经定义了 eLCDIF 各个寄存器相比于基地址的偏移值，如下所示：

大家可以对比着《I.MX6ULL 参考手册》中的 eLCDIF 章节检查一下示例代码 59.1.2.4 中的这些寄存器有没有错误。

继续回到示例代码59.1.2.5 中的 mxsfb_probe 函数，第1462 行，给 fb_info中的 pseudo_palette申请内存。

第 1473 行，调用 mxsfb_init_fbinfo 函数初始化 fb_info，重点是 fb_info 的 var、fix、fbops，screen_base 和 screen_size。其中 fbops 是 Framebuffer 设备的操作集，NXP 提供的 fbops 为mxsfb_ops，内容如下：

关于 mxsfb_ops 里面的各个操作函数这里就不去详解的介绍了。mxsfb_init_fbinfo 函数通过调用 mxsfb_init_fbinfo_dt 函数从设备树中获取到 LCD 的各个参数信息。最后，mxsfb_init_fbinfo函数会调用 mxsfb_map_videomem 函数申请 LCD 的帧缓冲内存(也就是显存)。

第 1489~1490 行，设置 eLCDIF 控制器的相应寄存器。

第 1494 行，最后调用 register_framebuffer 函数向 Linux 内核注册 fb_info。

mxsfb.c 文件很大，还有一些其他的重要函数，比如 mxsfb_remove、mxsfb_shutdown 等，这里我们就简单的介绍了一下 mxsfb_probe 函数，至于其他的函数大家自行查阅。

LCD 驱动程序编写

前面已经说了，6ULL 的 eLCDIF 接口驱动程序 NXP 已经编写好了，因此 LCD 驱动部分我们不需要去修改。我们需要做的就是按照所使用的 LCD 来修改设备树。重点要注意三个地方：

①、LCD 所使用的 IO 配置。

②、LCD 屏幕节点修改，修改相应的属性值，换成我们所使用的 LCD 屏幕参数。

③、LCD 背光节点信息修改，要根据实际所使用的背光 IO 来修改相应的设备节点信息。

接下来我们依次来看一下上面这两个节点改如何去修改：

1、LCD 屏幕 IO 配置

首先要检查一下设备树中 LCD 所使用的 IO 配置，这个其实 NXP 都已经给我们写好了，不需要修改，不过我们还是要看一下。打开 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件，在 iomuxc 节点中找到如下内容：

第 2~27 行，子节点 pinctrl_lcdif_dat，为 RGB LCD 的 24 根数据线配置项。

第 30~36 行，子节点 pinctrl_lcdif_ctrl，RGB LCD 的 4 根控制线配置项，包括 CLK、ENABLE、VSYNC 和 HSYNC。

第 37~40 行，子节点 pinctrl_pwm1，LCD 背光 PWM 引脚配置项。这个引脚要根据实际情况设置，这里我们建议大家在以后的学习或工作中，LCD 的背光 IO 尽量和半导体厂商的官方开发板一致。

注意示例代码 59.3.1 中默认将 LCD 的电气属性都设置为 0X79，这里将其都改为 0X49，也就是将 LCD 相关 IO 的驱动能力改为 R0/1，也就是降低 LCD 相关 IO 的驱动能力。因为前面已经说了，正点原子的 ALPHA 开发板上的 LCD 接口用了三个 SGM3157 模拟开关，为了防止模拟开关影响到网络，因此这里需要降低 LCD 数据线的驱动能力，如果你所使用的板子没有用到模拟开关那么就不需要将 0X79 改为 0X49。

2、LCD 屏幕参数节点信息修改

继续在 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中找到 lcdif 节点，节点内容如下所示：

示例代码 59.3.2 就是向 imx6ull.dtsi 文件中的 lcdif 节点追加的内容，我们依次来看一下示例代码 59.3.2 中的这些属性都是些什么含义。

第 3 行，pinctrl-0 属性，LCD 所使用的 IO 信息，这里用到了 pinctrl_lcdif_dat、pinctrl_lcdif_ctrl和 pinctrl_lcdif_reset 这三个 IO 相关的节点，前两个在示例代码 59.3.1 中已经讲解了。pinctrl_lcdif_reset 是 LCD 复位 IO 信息节点，正点原子的 I.MX6U-ALPHA 开发板的 LCD 没有用到复位 IO，因此 pinctrl_lcdif_reset 可以删除掉。

第 6 行，display 属性，指定 LCD 属性信息所在的子节点，这里为 display0，下面就是 display0子节点内容。

第 9~32 行，display0 子节点，描述 LCD 的参数信息，第 10 行的 bits-per-pixel 属性用于指明一个像素占用的 bit 数，默认为 16bit。本教程我们将 LCD 配置为 RGB888 模式，因此一个像素点占用 24bit，bits-per-pixel 属性要改为 24。第 11 行的 bus-width 属性用于设置数据线宽度，因为要配置为 RGB888 模式，因此 bus-width 也要设置为 24。

第 13~30 行，这几行非常重要！因为这几行设置了 LCD 的时序参数信息，NXP 官方的 EVK开发板使用了一个 4.3 寸的 480*272 屏幕，因此这里默认是按照 NXP 官方的那个屏幕参数设置的。每一个属性的含义后面的注释已经写的很详细了，大家自己去看就行了，这些时序参数就是我们重点要修改的，需要根据自己所使用的屏幕去修改。

这里以正点原子的 ATK7016(7 寸 1024*600)屏幕为例，将 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中的 lcdif 节点改为如下内容：

第 3 行，设置 LCD 屏幕所使用的 IO，删除掉原来的 pinctrl_lcdif_reset，因为没有用到屏幕复位 IO，其他的 IO 不变。

第 9 行，使用 RGB888 模式，所以一个像素点是 24bit。

第 15~23 行，ATK7016 屏幕时序参数，根据自己所使用的屏幕修改即可。

3、LCD 屏幕背光节点信息

正点原子的 LCD 接口背光控制 IO 连接到了 I.MX6U 的 GPIO1_IO08 引脚上，GPIO1_IO08复用为 PWM1_OUT，通过 PWM 信号来控制 LCD 屏幕背光的亮度，这个我们已经在第二十九章详细的讲解过了。正点原子 I.MX6U-ALPHA 开发板的 LCD 背光引脚和 NXP 官方 EVK 开发板的背光引脚一样，因此背光的设备树节点是不需要修改的，但是考虑到其他同学可能使用别的开发板或者屏幕，LCD 背光引脚和 NXP 官方 EVK 开发板可能不同，因此我们还是来看一下如何在设备树中添加背光节点信息。

首先是 GPIO1_IO08 这个 IO 的配置，在 imx6ull-alientek-emmc.dts 中找到如下内容：

pinctrl_pwm1 节点就是 GPIO1_IO08 的配置节点，从第 3 行可以看出，设置 GPIO1_IO08这个 IO 复用为 PWM1_OUT，并且设置电气属性值为 0x110b0。

LCD 背光要用到 PWM1，因此也要设置 PWM1 节点，在 imx6ull.dtsi 文件中找到如下内容：

imx6ull.dtsi 文件中的 pwm1 节点信息大家不要修改，如果要修改 pwm1 节点内容的话请在imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中修改。在整个 Linux 源码文件中搜索 compatible 属性的这两个值即可找到 imx6ull 的 pwm 驱动文件，imx6ull 的 PWM 驱动文件为 drivers/pwm/pwm-imx.c，这里我们就不详细的去分析这个文件了。继续在 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中找到向 pwm1追加的内容，如下所示：

第 3 行，设置 pwm1 所使用的 IO 为 pinctrl_pwm1，也就是示例代码 59.3.4 所定义的GPIO1_IO08 这个 IO。

第 4 行，将 status 设置为 okay。

如果背光用的其他 pwm 通道，比如 pwm2，那么就需要仿照示例代码 59.3.6 的内容，向pwm2 节点追加相应的内容。pwm 和相关的 IO 已经准备好了，但是 Linux 系统怎么知道PWM1_OUT 就是控制 LCD背光的呢？因此我们还需要一个节点来将 LCD 背光和 PWM1_OUT连接起来。这个节点就是 backlight ， backlight节点描述可以参考Documentation/devicetree/indings/video/backlight/pwm-backlight.txt 这个文档，此文档详细讲解了backlight 节点该如何去创建，这里大概总结一下：

①、节点名称要为“backlight”。

②、节点的 compatible 属性值要为“pwm-backlight”，因此可以通过在 Linux 内核中搜索“ pwm-backlight ” 来 查 找 PWM 背 光 控 制 驱 动 程 序 ， 这 个 驱 动 程 序 文 件 为drivers/video/backlight/pwm_bl.c，感兴趣的可以去看一下这个驱动程序。

③、pwms属性用于描述背光所使用的PWM以及PWM频率，比如本章我们要使用的pwm1，pwm 频率设置为 200Hz(NXP 官方推荐设置)。

④、brightness-levels 属性描述亮度级别，范围为 0~255，0 表示 PWM 占空比为 0%，也就是亮度最低，255 表示 100%占空比，也就是亮度最高。至于设置几级亮度，大家可以自行填写此属性。

⑤、default-brightness-level 属性为默认亮度级别。

根据上述 5 点设置 backlight 节点，这个 NXP 已经给我们设置好了，大家在 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中找到如下内容：

第 3 行，设置背光使用 pwm1，PWM 频率为 200Hz。

第 4 行，设置背 8 级背光(0~7)，分别为 0、4、8、16、32、64、128、255，对应占空比为0%、1.57%、3.13%、6.27%、12.55%、25.1%、50.19%、100%，如果嫌少的话可以自行添加一些其他的背光等级值。

第 5 行，设置默认背光等级为 6，也就是 50.19%的亮度。

关于背光的设备树节点信息就讲到这里，整个的 LCD 设备树节点内容我们就讲完了，按照这些节点内容配置自己的开发板即可。

更多待补充。

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