Linux低功耗顯示系統(tǒng)中驅(qū)動架構(gòu)設(shè)計

莊衍豎 李立軍 沈東凱

華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640

1.概述

當(dāng)今手機等移動終端發(fā)展迅速，其功耗也越來越受到人們的重視。對于這些移動終端系統(tǒng)，其顯示子系統(tǒng)的功耗就占了整機功耗的很大一部分。因此，降低顯示子系統(tǒng)的功耗是實現(xiàn)移動終端低功耗的關(guān)鍵。目前TFT-LCD廣泛用于這些移動終端系統(tǒng)。對于TFT-LCD顯示系統(tǒng)的低功耗，主要是通過降低背光，同時對圖像數(shù)據(jù)處理以補償背光強度的降低的算法來實現(xiàn)[1]。這種算法可以在應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，也可以用FGPA等以硬件形式實現(xiàn)，但這些實現(xiàn)方法通用性不強。為此，為提高算法的通用性和易移植性。同時，由于android手機等大部分的移動終端采用的是以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)，因此本文提出在嵌入式Linux驅(qū)動中實現(xiàn)顯示子系統(tǒng)低功耗的基本架構(gòu)。

2.基本架構(gòu)

本文在嵌入式Linux驅(qū)動層中實現(xiàn)低功耗算法，在嵌入式Linux系統(tǒng)中TFT-LCD顯示子系統(tǒng)的正常顯示依賴于Linux系統(tǒng)中的幀緩沖顯示驅(qū)動程序,圖像數(shù)據(jù)傳遞到實際幀緩沖區(qū)后由TFT-LCD讀取顯示到屏幕上[2]。幀緩沖區(qū)驅(qū)動作為應(yīng)用程序和底層硬件之間的橋梁，保證了圖像數(shù)據(jù)從應(yīng)用層到底層硬件的正確傳遞。本文將低功耗算法實現(xiàn)于實際幀緩沖驅(qū)動程序中[3]，可以做到對應(yīng)用程序完全透明，使得用戶不易察覺到該算法模塊的存在，具有很好的移植性和通用性。本文主要是提出在以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)下低功耗的驅(qū)動層實現(xiàn)架構(gòu)，其顯示子系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。

在整個顯示子系統(tǒng)框架中，主要涉及3大部分：上層是應(yīng)用程序部分，中間層是驅(qū)動程序部分、底層是硬件邏輯部分。本文主要是提出驅(qū)動程序部分中低功耗的基本架構(gòu)。本文提出的驅(qū)動程序架構(gòu)是在Linux內(nèi)核中實現(xiàn)，主要有內(nèi)存分配及映射，用于暫時存儲應(yīng)用層傳遞下來的圖像數(shù)據(jù)；PWM背光調(diào)節(jié)部分，通過改變占空比來調(diào)節(jié)背光；圖像像素處理部分，根據(jù)原始圖像數(shù)據(jù)調(diào)整圖像像素值；動態(tài)定時器部分，保證以上三部分算法的實時執(zhí)行。

圖1 顯示子系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2.1 內(nèi)存分配及映射

在嵌入式Linux顯示子系統(tǒng)中，需要對圖像進行處理后才寫入到幀緩沖區(qū)進行顯示。因此，在Linux內(nèi)核中需要分配內(nèi)存在存儲應(yīng)用程序傳遞下來的圖像數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核中的物理地址內(nèi)存是通過分頁的機制是實現(xiàn)的，將整個內(nèi)存劃分為無數(shù)的4K大小頁，而且是采用了伙伴關(guān)系分配算法來進行分配的，可采用內(nèi)核中的__get_free_pages()函數(shù)來分配內(nèi)存空間。

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，應(yīng)用程序所要顯示的圖像數(shù)據(jù)需要傳遞到內(nèi)核空間，然而應(yīng)用程序是不能直接訪問到內(nèi)核空間的，因此需要將內(nèi)存存儲空間映射到用戶空間，方便應(yīng)用程序直接讀寫數(shù)據(jù)。在顯示子系統(tǒng)驅(qū)動程序中需要一個映射函數(shù)mmap()來實現(xiàn)內(nèi)存空間到用戶空間的映射。

2.2 PWM背光調(diào)節(jié)

嵌入式Linux系統(tǒng)上的背光驅(qū)動程序控制著TFT-LCD的顯示亮度，在背光驅(qū)動程序中，采用PWM信號控制背光的強度，通過改變PWM信號的占空比大小可以自由的控制背光強度的大小。

2.3 圖像像素處理

圖像像素處理主要是根據(jù)圖像數(shù)據(jù)內(nèi)容來決定，可采用標(biāo)準(zhǔn)亮度補償?shù)然镜膱D像增強算法。本文主要是提出驅(qū)動低功耗的架構(gòu)，對于圖像處理的具體算法不做深入研究。

2.4 動態(tài)定時器

每次應(yīng)用程序把圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)存存儲空間之后，都需要對圖像進行處理和調(diào)整背光亮度。然而，對于Linux顯示設(shè)備驅(qū)動程序來說，循環(huán)重復(fù)的執(zhí)行圖像處理程序和背光調(diào)節(jié)程序需要在驅(qū)動程序中創(chuàng)建一個動態(tài)定時器。這樣，就能保證圖像處理算法和背光亮度算法的準(zhǔn)確執(zhí)行，并把調(diào)整后的像素值送到實際的幀緩沖里。

在Linux內(nèi)核提供了一組與定時器相關(guān)的用來簡化管理定時器的操作，這些接口是在文件kernel/timer.c中實現(xiàn)的。只需要在顯示驅(qū)動初始化的時候創(chuàng)建并初始化一個動態(tài)定時器，然后激活這個定時器，在定時器處理函數(shù)中重新調(diào)度注冊該定時器，就能實現(xiàn)定時器的周期運行。

3.驅(qū)動程序工作流程

A.應(yīng)用程序?qū)D像數(shù)據(jù)傳遞到內(nèi)存存儲空間；

B.圖像像素處理部分處理內(nèi)存存儲空間的數(shù)據(jù)并給出亮度調(diào)整系數(shù)，然后將處理后的數(shù)據(jù)傳送到實際幀緩沖區(qū)；

C.PWM背光調(diào)節(jié)部分根據(jù)亮度調(diào)整系數(shù)調(diào)整占空比，從而改變背光強度

D.動態(tài)定時器保證B、C步驟的實時周期運行。

4.結(jié)語

本文提出了在Linux系統(tǒng)下移動終端設(shè)備顯示子系統(tǒng)低功耗設(shè)計的基本架構(gòu)，并給了低功耗算法的基本執(zhí)行流程，為顯示子系統(tǒng)的低功耗算法在Linux內(nèi)核驅(qū)動層的實現(xiàn)和移植提供了基礎(chǔ)。

[1]盧春鵬. 背光調(diào)節(jié)在降低液晶顯示器功耗中的作用[J]. 電子設(shè)計應(yīng)用, 2009, 4: 55-59.

[2]劉增水, 胡力剛. 基于 ARM 芯片的 TFT-LCD 顯示系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀表技術(shù), 2009, 5: 43-45.

[3]石曉娟, 張哲. 基于亮度補償算法的顯示子系統(tǒng)低功耗的設(shè)計[J]. 電子技術(shù), 2009, 11: 013.