2021年12月07日 | 第十七章：Android LCD(三)：Samsung LCD接口篇

关键词：android LCD控制器 Framebuffer PWM 

平台信息:
内核：linux2.6/linux3.0
系统：android/android4.0 
平台：samsung exynos 4210、exynos 4412 、exynos 5250

参考：S5PV210显示驱动分析与移植（android）
这篇文章中转载的成分比较多，不过大部分内容是从芯片手册上翻译过来。Framebuffer部分是黄冈老师--《嵌入式Linux之我行》这一系列博客中的，嵌入式Linux之我行这系列博客写的非常精，我刚学习Linux时经常拜读他的博客。这部分内容比较固定，三星的芯片跟新了好多代，不过这部分变化不大，技术是一个积累的过程，感谢那些前辈给我们整理比较好的学习资料，有比较好的技术继承。

这篇从LCD控制器、接口信号硬件接口 寄存器、Framebuffer 、接口函数的实现及寄存器的操作来讲解，同事补充两个知点：如何阅读LCD、PWM概述；

一、     LCD控制器
功能模块的实现其实是芯片里面集成了一个相应的控制器，比如IIC有IIC控制器，UART有UART控制器等，像其他功能模块一样LCD也有一个控制器，来实现图形信息的处理。LCD控制器可以通过编程支持不同LCD屏的要求，例如行和列像素数，数据总线宽度，接口时序和刷新频率等。LCD控制器的主要作用，是将定位在系统存储器中的显示缓冲区中的LCD图像数据传送到外部LCD驱动器，并产生必要的控制信号，例如RGB_VSYNC,RGB_HSYNC, RGB_VCLK等。

如下图所示，在Exynos4412规格书中截图，LCD控制器的构成。

（下面这部分来自网络翻译，规格书中的描述）

主要由VSFR,VDMA, VPRCS , VTIME和视频时钟产生器几个模块组成：

（1）、VSFR由121个可编程控制器组，一套gamma LUT寄存器组（包括64个寄存器），一套i80命令寄存器组（包括12个寄存器）和5块256*32调色板存储器组成，主要用于对lcd控制器进行配置。

（2）、VDMA是LCD专用的DMA传输通道，可以自动从系统总线上获取视频数据传送到VPRCS，无需CPU干涉。

（3）、VPRCS收到数据后组成特定的格式（如16bpp或24bpp），然后通过数据接口（RGB_VD, VEN_VD, V656_VD or SYS_VD）传送到外部LCD屏上。

（4）、VTIME模块由可编程逻辑组成，负责不同lcd驱动器的接口时序控制需求。VTIME模块产生 RGB_VSYNC, RGB_HSYNC, RGB_VCLK, RGB_VDEN,VEN_VSYNC等信号。

主要特性：

（1）、支持4种接口类型：RGB/i80/ITU 601(656)/YTU444
（2）、支持单色、4级灰度、16级灰度、256色的调色板显示模式
（3）、支持64K和16M色非调色板显示模式
（4）、支持多种规格和分辨率的LCD
（5）、虚拟屏幕最大可达16MB
（6）、5个256*32位调色板内存
（7）、支持透明叠加
二、接口信号
FIMD显示控制器全部信号定义如下所示

1、其中主要的RGB接口信号：
（1）、LCD_HSYNC:行同步信号，表示一行数据的开始，LCD控制器在整个水平线（整行）数据移入LCD驱动器后，插入一个LCD_HSYNC信号；
（2）、LCD_VSYNC: 帧同步信号，表示一帧数据的开始，LCD控制器在一个完整帧显示完成后立即插入一个LCD_VSYNC信号，开始新一帧的显示；VSYNC信号出现的频率表示一秒钟内能显示多少帧图像，称为“显示器的频率”
（3）、LCD_VCLK：像素时钟信号，表示正在传输一个像素的数据；
（4）、LCD_VDEN:数据使能信号；
（5）、 LCD_VD[23:0]: LCD像素数据输出端口

2、RGB信号的时序
下图是LCDRGB接口工作时序图：

（1）、上面时序图上各时钟延时参数的含义如下：这些配置可以在LCD规格书中查取

VBPD(vertical back porch)：表示在一帧图像开始时，垂直同步信号以后的无效的行数

VFBD(vertical front porch)：表示在一帧图像结束后，垂直同步信号以前的无效的行数VSPW(vertical sync pulse width)：表示垂直同步脉冲的宽度，用行数计算

HBPD(horizontal back porch)：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HFPD(horizontal front porth)：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

HSPW(horizontal sync pulse width)：表示水平同步信号的宽度，用VCLK计算
（2）、帧的传输过程
VSYNC信号有效时，表示一帧数据的开始，   信号宽度为（VSPW +1）个HSYNC信号周期，即（VSPW +1）个无效行；

VSYNC信号脉冲之后，总共还要经过（VBPD+ 1）个HSYNC信号周期，有效的行数据才出现； 所以，在VSYNC信号有效之后，还要经过（VSPW +1  + VBPD + 1）个无效的行；

随即发出（LINEVAL + 1）行的有效数据；

最后是（VFPD + 1）个无效的行；

（3）、行中像素数据的传输过程
HSYNC信号有效时，表示一行数据的开始，信号宽度为（HSPW+ 1）个VCLK信号周期，即（HSPW +1）个无效像素；
HSYNC信号脉冲之后，还要经过（HBPD +1）个VCLK信号周期，有效的像素数据才出现；
随后发出（HOZVAL+ 1）个像素的有效数据；
最后是（HFPD +1）个无效的像素；
（4）、将VSYNC、HSYNC、VCLK等信号的时间参数设置好之后，并将帧内存的地址告诉LCD控制器，它即可自动地发起DMA传输从帧内存中得到图像数据，最终在上述信号的控制下出现在数据总线VD[23:0]上。用户只需要把要显示的图像数据写入帧内存中。

其实现实的图像有像素点主城行、行组成场、场组成动画、动画叠加也就是3D的出现，也就是我们所说的“点动成线、线动成面、面动成体”。

三、LCD的硬件接口

1、16M（24BPP）色的显示模式

用24位的数据来表示一个像素的颜色，每种颜色使用8位。 LCD控制器从内存中获得某个像素的24为颜色值后，直接通过VD[23:0]数据线发送给LCD；在内存中，使用4个字节（32位）来表示一个像素，其中的3个字节从高到低分别表示红、绿、蓝，剩余的1个字节无效；
2、64K（16BPP）色的显示模式
用16位的数据来表示一个像素的颜色；格式又分为两种： 5：6：5 ——使用5位来表示红色，6位表示绿色，5位表示蓝色 ； 5：5：5：1——分别使用5位来表示红、绿、蓝，最后一位表示透明度；    
3、16BPP
4、serialRGB
不同的BPP接线方式如下所示：

四、寄存器
主要寄存器如下：
VIDCON0: 配置视频输出格式，显示使能
VIDCON1:RGB  接口控制信号
VIDCON2:  输出数据格式控制
VIDCON3:  图像增强控制
I80IFCONx:i80 接口控制信号
ITUIFCON: ITU 接口控制信号
VIDTCONx: 配置视频输出时序及显示大小
WINCONx: 每个窗口特性设置
VIDOSDxA,B:  窗口位置设置
VIDOSDxC,D:OSD 大小设置

五、 Framebuffer 驱动部分
这部分是：分析的比较好，我刚学 linux 的时候就拿个 mini2440 的板子对着他的博客练习 ) 。其实这部分也是博主从 S3c2440 上分析的，三星芯片更新了这么多代，这块的原理还是不变的。就像一些协议一样，这么多年基本上不会变化，唯一出现的结果就是出来新的接口替代。 LCD 这块就是： TTL 、 LVDS 、 EDP 、 MIPI 、 HDMI 等等…………速度更快，接线、 PCB 走线更简单，这就是集成化的好处。

1 、简介
帧缓冲是 Linux 为显示设备提供的一个接口，它把一些显示设备描述成一个缓冲区，允许应用程序通过 FrameBuffer 定义好的接口访问这些图形设备，从而不用去关心具体的硬件细节。对于帧缓冲设备而言，只要在显示缓冲区与显示点对应的区域写入颜色值，对应的颜色就会自动的在屏幕上显示。下面来看一下在不同色位模式下缓冲区与显示点的对应关系：

2、驱动结构
帧缓冲设备为标准的字符型设备，在Linux中主设备号29，定义在/linux/major.h中的FB_MAJOR，次设备号定义帧缓冲的个数，最大允许有32个FrameBuffer，定义在/include/linux/fb.h中的FB_MAX，对应于文件系统下/dev/fb%d设备文件。
帧缓冲设备驱动在Linux子系统中的结构如下：

我们从上面这幅图看，帧缓冲设备在Linux中也可以看做是一个完整的子系统，大体由fbmem.c和xxxfb.c（对应我们的s3cfb.c）组成。向上给应用程序提供完善的设备文件操作接口(即对FrameBuffer设备进行read、write、ioctl等操作)，接口在Linux提供的fbmem.c文件中实现；向下提供了硬件操作的接口，只是这些接口Linux并没有提供实现，因为这要根据具体的LCD控制器硬件进行设置，所以这就是我们要做的事情了(即s3cfb.c部分的实现)。

3、数据结构及接口函数
从帧缓冲设备驱动程序结构看，该驱动主要跟fb_info结构体有关，该结构体记录了帧缓冲设备的全部信息，包括设备的设置参数、状态以及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：(只列出重要的一些) 

1. struct fb_info {  

2.     int node;  

3.     int flags;  

4.     struct fb_var_screeninfo var;/*LCD可变参数结构体*/  

5.     struct fb_fix_screeninfo fix;/*LCD固定参数结构体*/  

6.     struct fb_monspecs monspecs; /*LCD显示器标准*/  

7.     struct work_struct queue;    /*帧缓冲事件队列*/  

8.     struct fb_pixmap pixmap;     /*图像硬件mapper*/  

9.     struct fb_pixmap sprite;     /*光标硬件mapper*/  

10.     struct fb_cmap cmap;         /*当前的颜色表*/  

11.     struct fb_videomode *mode;   /*当前的显示模式*/  

12. #ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT  

13.     struct backlight_device *bl_dev;/*对应的背光设备*/  

14.     struct mutex bl_curve_mutex;  

15.     u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];/*背光调整*/  

16. #endif  

17. #ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO  

18.     struct delayed_work deferred_work;  

19.     struct fb_deferred_io *fbdefio;  

20. #endif  

21.     struct fb_ops *fbops; /*对底层硬件操作的函数指针*/  

22.     struct device *device;  

23.     struct device *dev;   /*fb设备*/  

24.     int class_flag;      

25. #ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING  

26.     struct fb_tile_ops *tileops; /*图块Blitting*/  

27. #endif  

28.     char __iomem *screen_base;   /*虚拟基地址*/  

29.     unsigned long screen_size;   /*LCD IO映射的虚拟内存大小*/   

30.     void *pseudo_palette;        /*伪16色颜色表*/   

31. #define FBINFO_STATE_RUNNING    0  

32. #define FBINFO_STATE_SUSPENDED  1  

33.     u32 state;  /*LCD的挂起或恢复状态*/  

34.     void *fbcon_par;  

35.     void *par;      

36. };  

其中，比较重要的成员有struct fb_var_screeninfo var、structfb_fix_screeninfo fix和struct fb_ops *fbops，他们也都是结构体。

fb_var_screeninfo结构体主要记录用户可以修改的控制器的参数，比如屏幕的分辨率和每个像素的比特数等，该结构体定义如下：

1. struct fb_var_screeninfo {  

2.     __u32 xres;                /*可见屏幕一行有多少个像素点*/  

3.     __u32 yres;                /*可见屏幕一列有多少个像素点*/  

4.     __u32 xres_virtual;        /*虚拟屏幕一行有多少个像素点*/          

5.     __u32 yres_virtual;        /*虚拟屏幕一列有多少个像素点*/  

6.     __u32 xoffset;             /*虚拟到可见屏幕之间的行偏移*/  

7.     __u32 yoffset;             /*虚拟到可见屏幕之间的列偏移*/  

8.     __u32 bits_per_pixel;      /*每个像素的位数即BPP*/  

9.     __u32 grayscale;           /*非0时，指的是灰度*/  

10.     struct fb_bitfield red;    /*fb缓存的R位域*/  

11.     struct fb_bitfield green;  /*fb缓存的G位域*/  

12.     struct fb_bitfield blue;   /*fb缓存的B位域*/  

13.     struct fb_bitfield transp; /*透明度*/      

14.     __u32 nonstd;              /* != 0 非标准像素格式*/  

15.     __u32 activate;                  

16.     __u32 height;              /*高度*/  

17.     __u32 width;               /*宽度*/