基于SCM601 平臺的MCU-LCD Linux 驅(qū)動設計

賈天有，任獲榮，李兆剛

（1.西安電子科技大學通信工程學院；2.西安電子科技大學機電工程學院，陜西西安 710000；3.浙江萬勝智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

在嵌入式主流LCD 屏中，主要包括兩大類硬件接口，一種是常見的RGB 接口，另一種是MCU 接口［1］。RGBLCD 一般連接在處理器集成的LCD 控制器上，顯存由系統(tǒng)內(nèi)存充當，常用于顯示視頻或動畫；MCU-LCD 針對早期內(nèi)存較小、資源受限的單片機而設計，一般通過并口、SPI 等方式與處理器連接。MCU-LCD 顯存內(nèi)置在LCD 模組內(nèi)部，常用于顯示靜止圖片［2］。MCU-LCD 由于其價格低的優(yōu)點，在嵌入式設備中仍然大量使用。范林濤等［3］提出SPI 接口的MCU-LCD 與Framebuffer 結(jié)合的LCD 驅(qū)動開發(fā)方法，該方法占用引腳資源較少，但也存在一些缺點：傳輸距離較近、抗干擾能力較差且不能在應用層控制LCD 以刷新。本文針對這些問題，提出基于并口的MCU-LCD 驅(qū)動程序，該驅(qū)動程序提供定時刷新幀緩沖區(qū)和應用層控制刷新幀緩沖區(qū)兩種方式，可以通過應用層控制方式快速將信息顯示在電子屏上，而對于非緊急數(shù)據(jù)的顯示則采用定時器定時刷新方式，提升了驅(qū)動靈活性。MCU-LCD 和RGB-LCD 對比如表1 所示。

Table 1 Comparison of MCU-LCD and RGB-LCD表1 MCU-LCD 與RGB-LCD 對比

1 硬件接口

1.1 MCU-LCD 液晶模組

ST75161 是點陣型液晶模組，分辨率大小為160×160像素，可配置為單色或者4 級灰度兩種工作模式，該芯片可以通過8 位并行接口（8080 系列或6800 系列）、SPI 或IIC 接口直接連接到微處理器。本文針對并行8080 接口作介紹，I8080 總線是Intel 提出的一種總線［4］，Intel 總線的控制線有4 根：RD 讀使能、WR 寫使能、A0（數(shù)據(jù)/命令選擇，1：數(shù)據(jù)，0：命令）、CSB 片選。數(shù)據(jù)和命令都通過D［7：0］（雙向數(shù)據(jù)線）傳輸，通過A0 的高低電平判斷傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是控制命令，A0 為低電平表明傳輸?shù)氖强刂泼睿珹0 為高電平表明傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。

1.2 EBI 接口

SCM601 芯片是智芯微發(fā)布的一款以ARM926EJ-S［5］為內(nèi)核的工業(yè)級SOC，最高主頻300MHz，SOC 集成了EBI（外部總線，External Bus Interface）接口［6］，SCM601 外部總線接口支持訪問外部并行接口設備，如SRAM 和外部I/O設備，支持8 bit/16 bit 數(shù)據(jù)總線寬度，支持8080 和6800 模式的接口信號，支持最高5 SRAM 和外部I/O 設備，支持可編程訪問周期。本文通過EBI 接口與ST75161 液晶模組連接。配置EBI 接口相關寄存器的值，使EBI 工作于并行8080 模式，調(diào)整EBI 總線讀/寫時序，匹配外接的ST75161液晶時序規(guī)格。為操作外接的LCD 模塊，將EBI 的A0 地址線與LCD 側(cè)的A0（數(shù)據(jù)/命令選擇，1：數(shù)據(jù)，0：命令）相連，這樣LCD 成為只有兩個可訪問地址的外部設備，訪問兩個地址中的低地址表示MCU 和LCD 之間傳輸?shù)氖敲?，訪問兩個地址中的高地址表示MCU 和LCD 之間傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。通過以上配置，便可以通過EBI 接口向LCD 發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對LCD 的操作。采用并行8080接口時接線方式如圖1 所示。

2 Linux 幀緩沖

Fig.1 Parallel 8080 interface wiring method圖1 并行8080 接口接線方式

Framebuffer 是出現(xiàn)在Linux2.2.xx 內(nèi)核中的一種驅(qū)動程序接口［7］。Linux 抽象出Framebuffer 設備供用戶態(tài)進程實現(xiàn)直接寫屏，用戶可以將Framebuffer 看成是顯示內(nèi)存的一個映像，將其映射到用戶地址空間后，就可以直接進行讀寫操作，而寫操作可以直接反應在屏幕上。這種操作是抽象的、統(tǒng)一的，用戶不必關心物理顯存的位置、換頁機制等具體細節(jié)，這些都由Framebuffer 設備驅(qū)動完成［8］。

2.1 Framebuffer 關鍵結(jié)構(gòu)體

fb_info 結(jié)構(gòu)體：幀緩沖設備最關鍵的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是fb_info 結(jié)構(gòu)體，其中包含了關于幀緩沖設備屬性和操作的完整描述［9］，結(jié)構(gòu)體定義如下：

本處只列出部分較為重要的成員，其中fb_var_screen?info 記錄用戶可以修改的顯示器控制器參數(shù)，包括屏幕分辨率和每個像素的比特數(shù)等；fb_fix_screeninfo 記錄用戶不能修改的顯示控制器參數(shù)；fb_ops 為幀緩沖操作函數(shù)集；screen_base 為幀緩沖的虛擬地址［10］。

fb_var_screeninfo 結(jié)構(gòu)體：用于記錄幀緩沖設備的可修改記錄［11］。結(jié)構(gòu)體定義如下：

其中，xres 為屏幕的水平像素數(shù)，yres 為屏幕的垂直像素數(shù)，bits_per_pixel 定義每個像素由多少個bit 表示［12］。

fb_fix_screeninfo 結(jié)構(gòu)體：記錄了幀緩沖設備不可修改的記錄［13］。結(jié)構(gòu)體定義如下：

其中，id 是字符串標識，smem_start 是幀緩沖內(nèi)存的開始地址，type 標識LCD 設備類型，line_length 指一行的長度（以字節(jié)為單位）。

2.2 驅(qū)動實現(xiàn)

基于Framebuffer 的LCD 驅(qū)動是字符設備，主設備號固定為29［14］，次設備號從0 到31，符合Linux 驅(qū)動框架，驅(qū)動可獨立編寫為一個模塊，能夠動態(tài)加載到內(nèi)核或動態(tài)從內(nèi)核卸載，Linux 中通過module_init（）和module_exit（）分別聲明驅(qū)動的入口和出口函數(shù)st75161_i80_init（）、st75161_i80_exit（）。

入口函數(shù)st75161_i80_init（）實現(xiàn)以下功能：①分配一個fb_info 結(jié)構(gòu)體；②初始化該結(jié)構(gòu)體中的固定和可變參數(shù)，即根據(jù) ST75161 液晶模組的硬件特性填充fb_var_screeninfo 結(jié)構(gòu)體和fb_fix_screeninfo 結(jié)構(gòu)體，初始化fb_ops 結(jié)構(gòu)體。調(diào)用dma_alloc_writecombine（）申請一段連續(xù)的物理內(nèi)存區(qū)域作為顯存空間，函數(shù)返回值為申請的幀緩存內(nèi)存起始位置的虛擬地址［15］；③參考SCM601 芯片手冊，配置EBI 相關寄存器使EBI 接口工作于并行8080模式并設置讀寫時序；④背光引腳設置，初始化st75161 液晶；⑤向內(nèi)核注冊fb_info 結(jié)構(gòu)體［16］；⑥MCU-LCD 不同于RGB-LCD，不具備自動刷新幀緩沖區(qū)的功能，因此需要手動刷新，將顯示緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，本文通過在內(nèi)核中添加定時器周期性刷新和在應用層通過ioctl（）系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)控制刷新兩種方式相結(jié)合，共同控制幀緩沖區(qū)的刷新。

部分關鍵代碼如下：

其中，initialization_ST75161（）為ST75161 液晶模組初始化函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)液晶模組官方手冊中的初始化時序編寫。

出口函數(shù)st75161_i80_exit（）實現(xiàn)以下功能：①注銷fb_info 結(jié)構(gòu)體；②關閉st75161 液晶顯示及背光；③注銷用于刷新幀緩沖區(qū)的定時器；④釋放硬件資源。

部分關鍵代碼如下：

2.3 編譯驅(qū)動

編寫Makefile 文件，將編寫的驅(qū)動編譯成模塊。Make?file 文件如下：

執(zhí)行make 命令，將生成驅(qū)動模塊ST75161_lcd.ko。

3 驗證測試

3.1 應用程序

將編譯生成的ST75161_lcd.ko 模塊，使用insmod 命令動態(tài)加載進Linux 內(nèi)核，在文件系統(tǒng)中生成一個設備文件/dev/fb0，在應用程序中，操作/dev/fb0 表現(xiàn)為對LCD 設備的操作。

對于應用程序而言，framebuffer 驅(qū)動和其它設備并無區(qū)別，用戶可以將它看成是一塊內(nèi)存，可以向這塊內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)。Framebuffer 的顯示緩沖區(qū)位于內(nèi)核空間，應用程序可以將此空間映射到應用空間，在應用程序進行操作［18］。

應用層操作/dev/fb0 一般步驟如下：①使用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)open（）打開/dev/fb0 設備文件；②使用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)ioctl（）取得LCD 屏的重要參數(shù)，如屏幕分辨率、每個像素點的比特數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)計算屏幕緩沖區(qū)大??；③使用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)mmap（）將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶空間；④讀寫映射后的空間，進行繪圖、顯示等操作；⑤釋放資源，關閉設備文件。

應用程序操作/dev/fb0 流程如圖2 所示。

Fig.2 Process of application operation/dev/fb0圖2 應用程序操作/dev/fb0 流程

分別編寫基本圖形繪制函數(shù)、漢字顯示函數(shù)和位圖顯示函數(shù)對驅(qū)動程序進行測試。

（1）繪制基本圖形。畫點函數(shù)是圖形繪制的基礎，將液晶屏左上角定義為坐標原點，橫向為x 軸，縱向為y 軸，根據(jù)具體像素點的（x，y）坐標向幀緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，將（x，y）位置畫點，矩形和圓形繪制依據(jù)相關算法調(diào)用畫點函數(shù)依次繪制。

（2）位圖顯示。BMP 位圖文件可分為文件頭、信息頭和圖像數(shù)據(jù)3 個部分，其中文件頭占14 字節(jié)，信息頭占40字節(jié)［19］，分別用兩個結(jié)構(gòu)體表示文件頭和信息頭：

打開圖片文件后，先根據(jù)文件頭中的文件類型判斷是否為BMP 圖片，如果是，則讀取信息頭和文件頭獲取圖片的其它信息，最后根據(jù)BMP 圖片寬度和高度將位圖信息復制到幀緩沖區(qū)，位圖信息即可顯示。

（3）ASCII 字符和漢字顯示。簡體中文漢字編碼常采用GB2312 編碼，一個漢字使用兩個字節(jié)編碼，高字節(jié)稱為區(qū)碼，低字節(jié)稱為位碼［20］。本文使用16×16 格式漢字庫和8×16 格式字符庫，使用以下方法即可獲得具體漢字的字模：

ADD=［（區(qū)碼-0xa1）x 0x5e+（位碼-0xa1）］x 0x20；

從字符庫中獲取字模較簡單，8×16 字符庫中，每個字符占用16 字節(jié)，具體字符的字模信息在字符庫中的偏移量等于字符對應的ASCII 值與每個字符占用字節(jié)數(shù)的乘積［21］。根據(jù)字符和漢字的字模信息，即可將具體字符和漢字加以顯示。

3.2 LCD 顯示測試結(jié)果

測試程序在基于SCM601 的集中器平臺上運行，在屏幕上繪制矩形和圓形，同時對BMP 格式單色圖片進行顯示和漢字顯示。測試效果如圖3—圖5 所示。

Fig.3 Geometry drawing圖3 幾何圖形繪制

Fig.4 Graphic display圖4 圖形顯示

Fig.5 Character and text display圖5 字符和文字顯示

4 結(jié)語

本文基于Framebuffer 機制設計MCU-LCD Linux 驅(qū)動程序，并編寫測試程序以驗證其功能?；谶@種方式開發(fā)的驅(qū)動很好地解決了Linux 內(nèi)核對MCU-LCD 的支持，為移植嵌入式中流行的Qt 和MINGUI 提供了基礎。但該方法控制幀緩沖區(qū)刷新頻率的定時器周期為500ms，該時間可能不是幀緩沖區(qū)刷新最優(yōu)時間值，需進一步調(diào)試修改。