基于FrameBuffer的嵌入式系統(tǒng)LCD圖像顯示的實(shí)現(xiàn)

孫靜

摘要：本文以O(shè)MAP3530為處理器，S3C2410 LCD控制器為基礎(chǔ)，基于嵌入式Linux 2.6內(nèi)核，研究了FrameBuffer機(jī)制下的LCD驅(qū)動(dòng)程序，介紹了相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)rameBuffer的加載和卸載的完整過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了在LCD上顯示字符、圖形、圖像的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 幀緩沖； LCD； 圖像顯示

中圖分類號(hào)： TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-2163（2016）06-0127-03

0引言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，顯示模塊在嵌入式產(chǎn)品中得到了日趨廣泛的設(shè)計(jì)應(yīng)用。LCD可顯示字符、漢字和圖形，具有低功耗、體積小、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，因而在嵌入式產(chǎn)品的顯示系統(tǒng)上已然成為重點(diǎn)優(yōu)先研究首選。LCD的驅(qū)動(dòng)程序針對(duì)不同的處理器通用性較差，本文為此研討提出了一種移植性較好的LCD驅(qū)動(dòng)程序，即基于Linux的FrameBuffer機(jī)制，同時(shí)采用S3C2410 LCD控制器，進(jìn)而開(kāi)發(fā)生成了嵌入式LCD的字符、圖形、圖像顯示方法。

[BT4]1基于FrameBuffer的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

[BT5]1.1FrameBuffer機(jī)制

FrameBuffer是Linux操作系統(tǒng)為顯示設(shè)備提供的一種驅(qū)動(dòng)程序接口，可將顯示緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)抽象處理，屏蔽圖像硬件的底層，上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。用戶不必關(guān)心顯示緩沖區(qū)的具體物理位置、存放方式。FrameBuffer的顯示緩沖區(qū)位于Linux核心態(tài)地址空間，每個(gè)應(yīng)用程序均有自己的虛擬地址空間。用戶通過(guò)調(diào)用mmap函數(shù)，可將文件的內(nèi)容映射到應(yīng)用空間。對(duì)于FrameBuffer設(shè)備而言，通過(guò)映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)的物理地址應(yīng)用到程序空間的一段虛擬地址中，然后通過(guò)讀寫(xiě)對(duì)應(yīng)段虛擬地址而訪問(wèn)屏幕緩沖區(qū)，從而在屏幕上繪制各種圖形、圖像、文字等。FrameBuffer的優(yōu)點(diǎn)是可高度靈活地支持不同的硬件，減少了新處理器的開(kāi)發(fā)工作。

[BT5]1.2基于FrameBuffer的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

FrameBuffer幀緩沖設(shè)備給用戶設(shè)計(jì)指定的讀寫(xiě)接口file_operations實(shí)際由fbmem.c文件里的特定file_operatins結(jié)構(gòu)對(duì)象來(lái)展現(xiàn)提供，而特定幀緩沖設(shè)備fb_info結(jié)構(gòu)體的注冊(cè)、注銷(xiāo)及其中成員的維護(hù)，尤其是fb_ops中的成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)則由對(duì)應(yīng)的xxxfb.c文件來(lái)構(gòu)造調(diào)取顯示，fb_ops中的成員函數(shù)最終會(huì)操作LCD控制器的寄存器。圖1即給出了幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)的程序結(jié)構(gòu)。

1.2.1FrameBuffer相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本節(jié)，將研究給出與幀緩沖相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)概述如下：

1）fb_info。記錄了FrameBuffer的全部信息，包括設(shè)備的定制參數(shù)、狀態(tài)以及操作函數(shù)指針。每一個(gè)幀緩沖設(shè)備必須對(duì)應(yīng)唯一fb_info。

2）fb_ops。fb_info的成員變量fb_ops即為指向底層操作的函數(shù)的指針，這些函數(shù)是需要驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)人員來(lái)制定編寫(xiě)的。包括打開(kāi)、釋放函數(shù)，用于檢查可以修改的屏幕參數(shù)并調(diào)整到適當(dāng)值，同時(shí)設(shè)置color寄存器，使用戶設(shè)置的屏幕參數(shù)在硬件上能夠呈現(xiàn)事實(shí)有效等具體功能的分配操作。

3）fb_var_screeninfo和fb_fix_screeninfo。這2個(gè)結(jié)構(gòu)體也是fb_info的成員。其中，fb_var_screeninfo記錄用戶可修改的顯示控制器參數(shù)，包括屏幕分辨率和每個(gè)像素點(diǎn)的比特?cái)?shù)。fb_fix_screeninfo記錄用戶不能修改的顯示控制器的參數(shù)，如屏幕緩沖區(qū)的物理地址、長(zhǎng)度。當(dāng)對(duì)幀緩沖設(shè)備展開(kāi)執(zhí)行映射操作的時(shí)候，就是從fb_fix_screeninfo中取得緩沖區(qū)物理地址的。

4）fb_bitfield。描述每一像素顯示緩沖區(qū)的組織方式，包括位域偏移、位域長(zhǎng)度和MSB指示。

5）fb_cmap。記錄設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色表信息。

1.2.2FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊加載和卸載

FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊加載，可解析描述為如下4個(gè)步驟：

1）申請(qǐng)fb_info結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存空間，初始化fb_info結(jié)構(gòu)體中固定和可變的屏幕參數(shù)，即填充fb_info的fb_var_screeninfo var和fb_fix_screeninfo fix成員。

2）根據(jù)LCD屏幕的特點(diǎn)，執(zhí)行LCD控制器硬件的初始化。

3）申請(qǐng)F(tuán)rameBuffer設(shè)備的顯示緩沖區(qū)空間。

4）注冊(cè)FrameBuffer設(shè)備。

FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊卸載，則需依次釋放fb_info結(jié)構(gòu)體內(nèi)存、關(guān)閉LCD、釋放顯示緩沖區(qū)以及注銷(xiāo)FrameBuffer設(shè)備的流程也將移交到平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的移除函數(shù)中順序操控完成。

[BT4]2基于FrameBuffer的LCD圖像顯示的實(shí)現(xiàn)

在LCD上顯示圖像的主流程如圖2所示。首先調(diào)用open函數(shù)打開(kāi)設(shè)備，然后調(diào)用ioctl獲取設(shè)備相關(guān)信息，接下來(lái)就是讀取圖形文件數(shù)據(jù)，把圖像的RGB值映射到顯存中，這部分也是圖像顯示的設(shè)計(jì)核心。

[BT5]2.1LCD刷新函數(shù)

本系統(tǒng)采用RGB565模式，即Red占5位（bit[11：15]），Green占6位（bit[5：10]），Blue占5位（bit[0：4]）。LCD刷新函數(shù)的功能是把二級(jí)緩存LCDBuffer的數(shù)據(jù)由32位彩色圖形信息轉(zhuǎn)換成16位圖形信息，而后存送至fbp指向的一級(jí)緩存。轉(zhuǎn)換方法如下：

pixcolor = （（pbuf[0]&0xf8）>>3）|（（（pbuf[1]&0xfc）>>2）<<5）|（（（pbuf[2]&0xf8）>>3）<<11）；

[BT5]2.2顯示像素點(diǎn)

LCD上顯示圖像的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)操作即是顯示像素點(diǎn)，基于FrameBuffer顯示像素點(diǎn)就是把屏幕對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置的顏色值賦值到LCDFRAMEBUFFER數(shù)組里。本系統(tǒng)使用的是640×480 TFT液晶屏，通過(guò)如下方法可處理實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)的最終顯示，關(guān)鍵代碼如下：

typedef unsigned long tOff；

void LCD_WRITE_MEM（ U32 off，U16 Data）

{

（* （（U16*）LCDFRAMEBUFFER + （off）） ） = Data；

}static void SetPixel（U16 x， U16 y， U32 c）

{

tOff Off = （tOff）（（tOff）y*（tOff）640 + （x））；

LCD_WRITE_MEM（Off， Data）；

}

[BT5]2.3基本圖形繪制

得到了像素點(diǎn)的研究顯示，就可以在LCD上繪制基本圖形了。其中，水平線和垂直線是原始功能線型。本次研究指出，水平線的繪制就是保持點(diǎn)的縱坐標(biāo)不變，橫坐標(biāo)從x0變化到x1，依次顯示像素點(diǎn)，這樣就得到一條從（x0，y0）到（x1，y0）的水平線。同樣道理，橫坐標(biāo)不變，縱坐標(biāo)從y0變化到y(tǒng)1，依次顯示像素點(diǎn)，即可得到一條從（x0，y0）到（x0，y1）的垂直線。在此基礎(chǔ)上，矩形的繪制是給出矩形的左上角坐標(biāo)和右下角坐標(biāo)，而后根據(jù)這2個(gè)坐標(biāo)在矩形范圍內(nèi)畫(huà)線即可得到實(shí)現(xiàn)。

由于嵌入式系統(tǒng)不能處理浮點(diǎn)數(shù)，在LCD屏上顯示圓形則較復(fù)雜。本系統(tǒng)采用改進(jìn)的Bresenham畫(huà)圓算法，分別給出了空心圓和實(shí)心圓的繪制方法，空心圓程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。實(shí)心圓就是把空心圓內(nèi)的像素點(diǎn)顯示出來(lái)。

.4漢字及BMP位圖圖像顯示方法

漢字是以點(diǎn)陣字模形式存儲(chǔ)的，采用16×16點(diǎn)陣（32字節(jié)）、24×24點(diǎn)陣（72字節(jié)），每個(gè)點(diǎn)用一個(gè)二進(jìn)制位表示，將其在屏幕上顯示出來(lái)，就是研究指定刻畫(huà)的漢字。

BMP位圖文件和大多數(shù)圖形文件一樣，分為文件描述區(qū)（頭文件信息）和圖像存儲(chǔ)區(qū)（像素?cái)?shù)據(jù)）兩部分。圖像的顯示方法和漢字類似，區(qū)別之處只是需要從位圖文件里讀出頭文件信息，BMP位圖LCD顯示的程序流程如圖4所示。

3結(jié)束語(yǔ)

基于Linux的FrameBuffer和OMAP3530處理器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在LCD上顯示實(shí)現(xiàn)了清晰、穩(wěn)定的圖形、字符和圖像。該方法移植修改簡(jiǎn)單、方便，為嵌入式產(chǎn)品的顯示系統(tǒng)構(gòu)建了具體模式設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)嵌入式LCD的應(yīng)用提供了通用的實(shí)現(xiàn)方法。

參考文獻(xiàn)：[HT]

張策， 楊緒劍， 王君君. 基于 FrameBuffer 的 LCD 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30 （23）：5372-5375.

[2] 葛化敏，鄭靜，楊利青. 基于ARM-Linux的LCD顯示模塊設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2009（7）：75-77，86.

[3] 王海霞，武一. 基于SOPC的LCD顯示模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 液晶與顯示，2012，27（4）：508-514.

[4] 馬舜峰，金龍旭，安少婷，等. 一種基于ARM9的彩色TFT-LCD模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)， 液晶與顯示，2010，25（5）：718-723.