【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践

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码农爱学习 发表于 2021/12/27 22:41:39 2021/12/27
【摘要】 本篇介绍了LCD屏幕驱动相关知识并进行了实验，通过实验，可以将企鹅logo显示出来，并将板子的输出信息定向到了LCD屏幕显示，通过接入键盘可实现与Linux板子的交互。最后，还测试了屏幕熄屏和亮度调节功能。

之前在Linux系统移植时提到过LCD驱动，本篇来看下Linux设备树如何配置LCD驱动。

1 知识点

首先需要了解一个新的概念：Framebuffer

1.1 Framebuffer

Framebuffer直译即帧缓冲，简称 fb，它是Linux将系统中所有跟显示有关的硬件以及软件集合起来，将底层的LCD虚拟抽象出一 个/dev/fbX设备，应用程序可以通过操作/dev/fbX来实现对屏幕的显示控制。

NXP官方Linux内核已默认开启了LCD驱动，在dev/目录下可以看到fb0这样一个设备

Framebuffer在内核中的表现就是fb_info结构体：

完整的结构体定义如下：

struct fb_info {
    atomic_t count;
    int node;
    int flags;
    struct mutex lock;      /* Lock for open/release/ioctl funcs */
    struct mutex mm_lock;       /* Lock for fb_mmap and smem_* fields */
    struct fb_var_screeninfo var;   /* 当前的可变参数 */
    struct fb_fix_screeninfo fix;   /* 当前的固定参数 */
    struct fb_monspecs monspecs;    /* Current Monitor specs */
    struct work_struct queue;   /* Framebuffer event queue */
    struct fb_pixmap pixmap;    /* Image hardware mapper */
    struct fb_pixmap sprite;    /* Cursor hardware mapper */
    struct fb_cmap cmap;        /* Current cmap */
    struct list_head modelist;      /* mode list */
    struct fb_videomode *mode;  /* current mode */
​
#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT
    /* assigned backlight device */
    /* set before framebuffer registration, 
       remove after unregister */
    struct backlight_device *bl_dev;
​
    /* Backlight level curve */
    struct mutex bl_curve_mutex;    
    u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
    struct delayed_work deferred_work;
    struct fb_deferred_io *fbdefio;
#endif
​
    struct fb_ops *fbops;       /* 帧缓冲操作函数集 */
    struct device *device;      /* This is the parent */
    struct device *dev;         /* This is this fb device */
    int class_flag;             /* private sysfs flags */
#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING
    struct fb_tile_ops *tileops;    /* Tile Blitting */
#endif
    char __iomem *screen_base;      /* 虚拟内存基地址(屏幕显存) */
    unsigned long screen_size;      /* 虚拟内存大小(屏幕显存大小) */ 
    void *pseudo_palette;           /* 伪16位调色板 */ 
#define FBINFO_STATE_RUNNING    0
#define FBINFO_STATE_SUSPENDED  1
    u32 state;                      /* Hardware state i.e suspend */
    void *fbcon_par;                /* fbcon use-only private area */
    /* From here on everything is device dependent */
    void *par;
    /* we need the PCI or similar aperture base/size not
       smem_start/size as smem_start may just be an object
       allocated inside the aperture so may not actually overlap */
    struct apertures_struct {
        unsigned int count;
        struct aperture {
            resource_size_t base;
            resource_size_t size;
        } ranges[0];
    } *apertures;
​
    bool skip_vt_switch; /* no VT switch on suspend/resume required */
};

注意结构体中的fb_fops这一项，/dev/fb0 是个字符设备，fb_fops就是它的文件操作结构体，它的file_operations操作集在drivers/video/fbdev/core/fbmem.c 文件中：

static const struct file_operations fb_fops = {
    .owner =    THIS_MODULE,
    .read =     fb_read,
    .write =    fb_write,
    .unlocked_ioctl = fb_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
    .compat_ioctl = fb_compat_ioctl,
#endif
    .mmap =     fb_mmap,
    .open =     fb_open,
    .release =  fb_release,
#ifdef HAVE_ARCH_FB_UNMAPPED_AREA
    .get_unmapped_area = get_fb_unmapped_area,
#endif
#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO
    .fsync =    fb_deferred_io_fsync,
#endif
    .llseek =   default_llseek,
};

可以看到有熟悉的open、release等函数接口。

因此，LCD驱动的重点就是初始化fb_info里面的各个成员。

fb_info结构体的成员变量很多，需要重点关注的是这几个：

  • var：当前的可变参数

  • fix：当前的固定参数

  • fbops：帧缓冲操作函数集

  • screen_base：虚拟内存基地址(屏幕显存)

  • screen_size：虚拟内存大小(屏幕显存大小)

  • pseudo_palette：伪16位调色板

初始化完成fb_info后，通过register_framebuffer函数向内核注册刚刚初始化的fb_info。

1.2 LCD驱动文件mxsfb介绍

LCD的驱动文件为mxsfb.c，这是一种platform驱动框架，驱动和设备匹配之后，mxsfb_probe函数就会执行。

LCD的初始化通过mxsfb_probe函数来实现，该函数的主要功能有：

  • 申请fb_info

  • 初始化fb_info结构体中的各个成员变量

  • 初始化eLCDIF控制器

  • 使用register_framebuffer函数向Linux内核注册初始化好的fb_info

该函数位于：/drivers/video/fbdev/mxsfb.c中

该函数的实现如下：

static int mxsfb_probe(struct platform_device *pdev)
{
    const struct of_device_id *of_id =
            of_match_device(mxsfb_dt_ids, &pdev->dev);
    struct resource *res;
    struct mxsfb_info *host; //<-----NXP的fb_info
    struct fb_info *fb_info; //<-----Linux的fb_info
    struct pinctrl *pinctrl;
    int irq = platform_get_irq(pdev, 0);
    int gpio, ret;
​
    if (of_id)
        pdev->id_entry = of_id->data;
​
    gpio = of_get_named_gpio(pdev->dev.of_node, "enable-gpio", 0);
    if (gpio == -EPROBE_DEFER)
        return -EPROBE_DEFER;
    //省略...
​
    fb_info = framebuffer_alloc(sizeof(struct fb_info), &pdev->dev);//<--------申请fb_info
    if (!fb_info) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to allocate fbdev\n");
        devm_kfree(&pdev->dev, host);
        return -ENOMEM;
    }
    host->fb_info = fb_info; //<---将mxsfb_info与fb_info联系起来
    fb_info->par = host;
    //省略...
​
    ret = mxsfb_init_fbinfo(host);
    if (ret != 0)
        goto fb_pm_runtime_disable;
​
    mxsfb_dispdrv_init(pdev, fb_info);
    //省略...
    
    ret = register_framebuffer(fb_info); //<------------注册
    if (ret != 0) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to register framebuffer\n");
        goto fb_destroy;
    }
​
    console_lock();
    ret = fb_blank(fb_info, FB_BLANK_UNBLANK);
    console_unlock();
    if (ret < 0) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to unblank framebuffer\n");
        goto fb_unregister;
    }
​
    dev_info(&pdev->dev, "initialized\n");
    
}

其中，register_framebuffer函数的原型如下：

函数参数和返回值含义：

  • fb_info：需上报的fb_info

  • 返回值：0-成功，负值-失败

1.3 LCD 驱动程序编写

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。

1.3.1 查看设备树

1.3 先来看一下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：

lcdif: lcdif@021c8000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-lcdif", "fsl,imx28-lcdif";
    reg = <0x021c8000 0x4000>;
    interrupts = <GIC_SPI 5 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clocks = <&clks IMX6UL_CLK_LCDIF_PIX>,
    <&clks IMX6UL_CLK_LCDIF_APB>,
    <&clks IMX6UL_CLK_DUMMY>;
    clock-names = "pix", "axi", "disp_axi";
    status = "disabled";
};

其中021c8000 这个地址，可以从参考手册中找到对应的介绍：


1.3.2 屏幕IO配置

打开 imx6ull-myboard.dts 文件，在 iomuxc 节点中找到如下内容：

具体为： 

pinctrl_lcdif_dat: lcdifdatgrp {
            fsl,pins = <
                MX6UL_PAD_LCD_DATA00__LCDIF_DATA00  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA01__LCDIF_DATA01  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA02__LCDIF_DATA02  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA03__LCDIF_DATA03  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA04__LCDIF_DATA04  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA05__LCDIF_DATA05  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA06__LCDIF_DATA06  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA07__LCDIF_DATA07  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA08__LCDIF_DATA08  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA09__LCDIF_DATA09  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA10__LCDIF_DATA10  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA11__LCDIF_DATA11  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA12__LCDIF_DATA12  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA13__LCDIF_DATA13  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA14__LCDIF_DATA14  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA15__LCDIF_DATA15  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA16__LCDIF_DATA16  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA17__LCDIF_DATA17  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA18__LCDIF_DATA18  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA19__LCDIF_DATA19  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA20__LCDIF_DATA20  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA21__LCDIF_DATA21  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA22__LCDIF_DATA22  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_DATA23__LCDIF_DATA23  0x79
            >;
        };
​
        pinctrl_lcdif_ctrl: lcdifctrlgrp {
            fsl,pins = <
                MX6UL_PAD_LCD_CLK__LCDIF_CLK        0x79
                MX6UL_PAD_LCD_ENABLE__LCDIF_ENABLE  0x79
                MX6UL_PAD_LCD_HSYNC__LCDIF_HSYNC    0x79
                MX6UL_PAD_LCD_VSYNC__LCDIF_VSYNC    0x79
            >;
        };
​
        pinctrl_pwm1: pwm1grp {
            fsl,pins = <
                MX6UL_PAD_GPIO1_IO08__PWM1_OUT   0x110b0
            >;
        };

这里有3个节点：

  • 子节点pinctrl_lcdif_dat ，为 RGB LCD 的 24根数据线配置项

  • 子节点 pinctrl_lcdif_ctrl ，为RGB LCD 的 4根控制线配置项，包括 CLK、ENABLE、VSYNC 和 HSYNC

  • 子节点 pinctrl_pwm1 ，为RGB LCD 的背光亮度配置项

1.3.3 屏幕参数配置

在imx6ull-myboard.dts 文件中找到lcdif 节点，根据自己使用的LCD，修改为对应的参数。

下面是NXP官方板子的参数：

我用的野火7寸屏（GT911，800x480），其参数为：

参数 值
width 800
height 480
HBP 46
HFP 22
VBP 23
VFP 22
HSPW 1
VSPW 1

修改后的lcdif 节点如下：

&lcdif {
    pinctrl-names = "default";             /* 使用到的 IO */ 
    pinctrl-0 = <&pinctrl_lcdif_dat
             &pinctrl_lcdif_ctrl
             &pinctrl_lcdif_reset>;
    display = <&display0>;
    status = "okay";
​
    display0: display {                  /* LCD 属性信息 */ 
        bits-per-pixel = <16>;           /* 一个像素占用几个bit */ 
        bus-width      = <24>;           /* 总线宽度 */ 
​
        display-timings {
            native-mode = <&timing0>;    /* 时序信息 */ 
            timing0: timing0 {
            clock-frequency = <9200000>; /* LCD像素时钟，单位Hz */ 
            hactive      = <800>;        /* LCD X轴像素个数 */ 
            vactive      = <480>;        /* LCD Y轴像素个数 */ 
            hfront-porch = <22>;         /* LCD hfp 参数 */ 
            hback-porch  = <46>;         /* LCD hbp 参数 */
            hsync-len    = <23>;         /* LCD hspw 参数 */ 
            vback-porch  = <22>;         /* LCD vbp 参数 */
            vfront-porch = <4>;          /* LCD vfp 参数 */ 
            vsync-len    = <1>;          /* LCD vspw 参数 */ 
​
            hsync-active    = <0>;       /* hsync 数据线极性 */ 
            vsync-active    = <0>;       /* vsync 数据线极性 */ 
            de-active       = <1>;       /* de 数据线极性 */ 
            pixelclk-active = <0>;       /* clk 数据线极性 */ 
            };
        };
    };
};


1.3.4 屏幕背光配置

通过PWM信号来控制LCD屏幕背光的亮度

pinctrl_pwm1: pwm1grp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_GPIO1_IO08__PWM1_OUT   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：

这个节点信息不用修改，使用默认的配置即可。如果要修改的话，也不要修改这里，可以通过imx6ull-myboard.dts文件中进行修改。

imx6ull-myboard.dts中的pwm1节点：

&pwm1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_pwm1>;
    status = "okay";
};

imx6ull-myboard.dts中的backlight节点：

backlight {
    compatible = "pwm-backlight";
    pwms = <&pwm1 0 5000000>;
    brightness-levels = <0 4 8 16 32 64 128 255>;
    default-brightness-level = <6>;
    status = "okay";
};


2 实验测试

2.1使能Linux logo显示

uboot启动的时候，LCD左上角上会显示NXP的图标，而Linux内核启动的时候，LCD左上角上会显示一个小企鹅。因此，可以通过小企鹅logo的显示来验证LCD 驱动是否正常。

默认情况下是已经开启logo显示的，可以再确认一下。

在Linux内核源码目录，输入以下指令打开内核的图形化配置：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

Linux内核配置界面：

然后按下路径找到对应的配置项： 

-> Device Drivers 
      -> Graphics support    
      -> Bootup logo (LOGO [=y])

最终到达这个界面：

这三个选项分别对应黑白、16 位、24 位色彩格式的 logo。

2.2 编译设备树

修改设备树中的lcdif节点后（主要是修改屏幕的参数），在Linux内核源码目录执行下面的命令，重新编译设备树并拷贝到网络启动位置。

make imx6ull-myboard.dtb
cp arch/arm/boot/dts/imx6ull-myboard.dtb ~/myTest/tftpboot/nxp/

然后重启开发板，就可以在Linux内核驱动的时候看到屏幕上的企鹅图标了：

2.3 设置LCD作为终端控制台

之前一直使用串口来显示板子的启动和调试信息，实际上可以设置 LCD 作为终端进行同步显示：

2.3.1 设置uboot的bootargs

重启开发板，在倒计时时按回充进入ubout，可以先看下之前的bootargs配置：

只需要在原来的基础上再添加console=tty1即可：

setenv bootargs 'console=tty1 console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.5.104:/home/xxpcb/myTest/nfs/rootfs,proto=tcp,nfsvers=4 rw ip=192.168.5.102:192.168.5.104:192.168.5.1:255.255.255.0::eth1:off'
saveenv

然后重启开发板，在Linux内核驱动的时候就可以在屏幕上看到输出信息了：

对比一下串口输出的信息，可以看出屏幕输出到Freeing unused kernel memory: 400K (8090e000 - 80972000)这句后就没有了，没有出现按下回车键继续的提示，也没有显示开启自启动的hello word测试程序的打印，这是因为某些设置还未完成。

2.3.2 修改/etc/inittab文件

该修改用于设置屏幕作为终端进行交互。

打开根文件系统中的/etc/inittab 文件，加入下面这一行：

tty1::askfirst:-/bin/sh

保存后重启板子，并在板子的USB接口插上键盘，就可以通过键盘和板子交互了：

现在通过板子插入键盘，也可以在屏幕上操作板子了。

注意，之前设置的开机启动的hello word程序的打印没有出现在屏幕上，是因为printf的输入没有设置的LCD中，我们可以通过将输出指向 /dev/tty1 来实现LCD屏幕的打印，比如测试屏幕输出hello linux:

echo hello linux > /dev/tty1

2.4 其它问题

2.4.1 自动熄屏的问题

当没有操作LCD屏幕一段时间后，屏幕会自动黑屏，这时可以通过接入键盘按下回车键进行唤醒（也可以通过板子的ON/OFF按键进行唤醒，因为该按键也被赋予了回车键的功能）。

这个时间是在Linux源码的 drivers/tty/vt/vt.c中设置的，默认是10分钟（10*60秒）。

如果想让屏幕一直亮着，可以将改值设为0，并重新编辑Linux内核得到zImage，然后用新的zImage启动开发板。

如果不想修改zImage，另外一种方式可以创建一个开机启动的应用程序来控制屏幕不熄灭， lcd_always_on.c的内容为：

#include <fcntl.h> 
#include <stdio.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
​
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
    int fd; 
    fd = open("/dev/tty1", O_RDWR); 
    write(fd, "\033[9;0]", 8); 
    close(fd); 
    return 0; 
}

在ubuntu中编译该程序，然后将可执行程序拷贝到板子的根文件系统中：

arm-linux-gnueabihf-gcc lcd_always_on.c -o lcd_always_on 
cp lcd_always_on ~/myTest/nfs/rootfs/usr/bin/

然后，/etc/init.d/rcS中设置该程序开机自启动即可。

保存后，重启开发板，屏幕就不会自动熄屏了。

2.4.2 屏幕亮度调节

屏幕的亮度也是可以调节的，设备树中背光节点设置了8 个等级，可以在 0~7范围内进行亮度调节，进入下面的目录，可以查看当前屏幕的亮度：

/sys/devices/platform/backlight/backlight/backlight

通过下面的指令可以实时修改屏幕的亮度，比如修改亮度为1：

echo 1 > brightness

总结

本篇介绍了LCD屏幕驱动相关知识并进行了实验，因为NXP官方的板子和我这个板子的LCD引脚一样，因此主要的修改就是将设备树中的lcdif 节点的屏幕参数进行修改即可。

通过实验，可以将企鹅logo显示出来，并将板子的输出信息定向到了LCD屏幕显示，通过接入键盘可实现与Linux板子的交互。最后，还测试了屏幕熄屏和亮度调节功能。

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