（电路与系统专业论文）基于intel+xscale架构的嵌入式linux中显示设备驱动的研究与实现.pdf

东南大学硕士沦文 摘要 显示驱动是操作系统内核和显示外设问的一个软件层，它抽象了外设的细节，并提供接 口给内核调h j 。在内核的调用r ，显示驱动管理外设实现显示图像功能。本课题的主要目的 是研究显示驱动的工作机制并基于1 n l e lx s c a l e 架构实现嵌入式l l n u xr 的显示设备驱动。 文章首先对显示驱动的基础、原理、发展做了系统的说明。接着文章结合当前主流嵌入 式处理器x s c a l e 中的p x a 2 5 5 特点，提出了其显示功能实现的硬件方案。其次，对常用内核 a r ml i n u x 2 4 1 9 下的显示驱动进行系统研究，指出其分层设计的优点：同时，文章又分析 了其显示驱动中实现f r a m e b u f f e r 控制台的方法所带来的缺点。随后，文章基于p x a 2 5 5 处 理器特点提山了显示驱动的新方案。相对于a r ml i n u x 2 4 1 9 中的显示驱动只实现了常规嵌 入式显示功能外，新的驱动还增加了三个特点：( 1 ) 去除了f r a e b u f f e r 控制台功能：( 2 ) 增 加了动态修改调色板功能：( 3 ) 改进了原有驱动中的中断处理缺陷。最后，文章说明了x s c a l e 系列各处理器中l c d 控制单元的异同，并简介了将基于p x a 2 5 5 的显示驱动移植到其他处理 器的方法。 新驱动已经经过初步验证，能够实现显示功能，这表明在将f r a m e b u f f e r 控制台去除后 的显示驱动方案正确。对下新驱动中的动态修改凋色板功能，则还需要进一步检验。文章最 后分析了本文实现方案中的一些不足，并针对显示驱动的改进提出了一些想法。 关键词： t f r _ l c dl i 彻xx s c a l ep x a 2 5 5f r a m c b u e rd e v i c edr i v e r 4 东南大学硕士沦文 a b s t r a c t v i d e od r i v e ri sas o f t w a r el a y e rb e t w e e no sk e r n e la n dt h ev 1 d e od c v l c e ，w h l c he x p r e s s e st h e d e t a i lo ft h el a t t c ra b s 【r a c l l ya n ds u p p l i e st h ef o r m e rw i l ha p i t h a ti st os a y ，v i d e od “v e rc a n m a k ed e v i c e sr e a z et h ef u n c t i o no fd i s p l a y i n gi i n a g e sc a l l e db yo sk e r n e l t h em a i ng o a lo f t h i s p a p e ri st oi n v e s t i g a t et h ep r i n c p l eo fv i d e od r i v e la n da p p l i e si tt oe m b e d d e dl l n u xb a s c d0 n i n t e lx s c a l ep l a 【f o m l f i r s t ly i h ef o u n d a t i o n ，pr i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n to fv i d e 0d r i v e ra r ee x p l a i n e d ，a n dt h ev j d e o d r i v e ri np o p u j a ra r ml i n u x 2 4 1 9i sr e s e a r c h e ds y s 【e r r n t i c a l l mw h i c hs h o w st h ea d v a n t a g eo f d u a l 1 e v e ld e s i g n a tt h es a m et j m e ，j ta l s 0e x p l a i n st h ed l s a d v a n t a g et h a ty o uc a n n o tc o m p i i et h e v i d e odr i v e rw i t h o u tc o m p i l et h ef r a n l e b u n e rc o n s o l ec o d c a f t e r w a r d s ，an e wv i d e od v e rf o r p x a 2 5 5i sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fp x a 2 5 5 c o m p a r e dw i 【ht h eo r i 画n a ln l e t h o d t h a io n l yi m p l e m c n t sn o r m a ld i sp l a yf u n c u o n s ，t h en e wv i d e od r i v e rh a st h r e ec h a r a c t e r j s t i c s ：( 1 ) t h ef r a r m b u 付- e rc o n s o l eh a sb e e nr e m o v e d ：( 2 ) l h ef u n c t i o n 0 fd y n a m j c m o d i f y i n gt h op a l e t t ei s a d d e d ：( 3 ) t h cd e f e c to fo r 睹n a li n t e r r u p 【p f o c e s s n gi sv e r i n e d l a s t l y ，t h i sp a p e re xp l a i n e dc h e d 色r e n c ea m o n gv a r i o u sl c dc o n t r o io fl h ei n t e lx s c a l ec p uf am j ly ，a n dt h em e 【h o dh o wt o p o r tn e wv i d e od r j v e rt ot h ex s c a l ec p uf a m i l y sc x p l a i n e d t h en e wdr i v e rh a sa l r e a d yb e e nv e r i n e dp r e l i m i n a r i iy ，a n dt h ed j s p l a yf u n c “o nc a nb e i m p l e m e n t c d s u c c e s s f u l ly ，w h i c hi nd j c a t e s【h cv i d e od r i v e rr n e t h o di sc o r r e c tw h e n【h e f r a m e b u f f e rc o n s o l er e m 。v e d s o m e t h i n gs h 。u l db ev e “n c dr u n h e rt oi m p r o v ct h ef u n c 【1 0 no f d y n a m i c m o d i t y i n gl h op a 】c t t e f i n a l ly ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es h o r t a g eo fl h i sd e s i g n ，a n d p r o p o s e st h e 汜n t a l i v ep i a n st ot h ei m p m v e 呲n ta n dd e v c l o p n 期o fv i d e od f i v e l k e yw o r d s ：n _ l c d l i n u xx s c a l ep x a 2 5 5f r a t t l e b u 此rd e v i c ed r i v e r 东南大学硕士论文 学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：垒堡坞日期：兰! 卫f 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交的学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查询 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 繇鳓翩虢l 鲈瓤一 东南大学硕士论文 1 课题研究背景 绪言 随着高性能嵌入式处理器的普及，高档嵌入式系统在越来越多的领域中得到应i l = j ；具有 色彩丰富、画面逼真的终端产品，不仅可满足人们享受高科技带来的美好生活之外，更能刺 激人们的购买欲，达到提高产品竞争力的效果。因此，处理器的性能越来越好、显示器件的 色彩越来越丰富这是高档嵌入式产品发展的大方向。而性能不断进步的这些硬件对驱动开发 者提出了更高的要求。 因为嵌入式“n u x 具备的稳定、高效、易定制、易裁减、硬什支持广泛等特点，所以它 在嵌入式领域l 与据着越米越重要的地位。显示驱动是操作系统中较复杂的驱动之一，它要处 理时序信号、数据的格式利传输等。当前，对丁嵌入式u n u x 下显示驱动的介绢，j a m e s s i m m o n s 写r “n u xf r ar m b u f f e rd r j v c rw r i 【i n gh o w l d 文章，简略的介绍了显示驱动 的土体组成。除此之外，人们还可以参考w i n d o w sc e 系统_ f 的一篇短文m i c r o s o f t w i n d o w s c e 显示设备的驱动程序和l 硬件来获得一些帮助。更多的有帮助性的文章比较难找到。 因此，在开发高端的嵌入式的显示外发的驱动中，人们面对如恫处理时序信号的匹配、数据 格式的处理、数据流的传输的问题时，常抱怨参考资料的不足。这最终会影响开发速度和效 果。 高档掌上嵌入式系统的处理器不仅要求能1 f 常好的支持各_ 手l | j 外设，而且还应有着较高的 速率、较低的功耗等特点，才更能赢得客户的青睐。2 0 0 2 年，i n t l e 公司推出基于x s c a l 一 技术的新型处理器。英特尔x s c a l e 内核是和a r m 架构v 5 t e 结构兼容的微处理器，支持 高效通讯指令。这系列的产品特点有功耗较低、支持动态电源管理、核心频率较高。同时， 这种系列的处理器还内部集成了许多外- 搜驱动模块，如：l c d 显示控制器等。在嵌入式的 高档处理器市场中占有了极重要的地位。显示器件种类繁多，随着显示技术的发展，高档嵌 入式的显示部分常选用体积小、色彩丰富的彩色的t f t 型l c d ( 液晶显示屏) 。即使这样，不 同公司生产的t f tl c d 的接口也存在着一定的差别。：| = = 程师需要针对各种显示屏的不同要求 来设置显示控制器，从而输山复杂的时序信号驱动显示屏，把i 划像数据输出到l c d 。这些l c d 与处理器的特点都表明：现在的显示外设不断在发展和越来越复杂，最好有一定的参考文档 来介绍现在主流的显示外设的使用方法。 由于显示设备的重要性和显示设备不断的发展，为了有助于人们更快的开发出驱动来支 持新型显示设备，从而增加产品在市场上的竞争力，本课题结合p x a 2 5 5 和s o n v a c x 5 0 2 a m 显示硬件分析显示驱动的基础、原理和实现形式，说明如何实现基于i n i e lx s c a l e 的显示 设备驱动。本课题对从事显示驱动开发等相关人员有一定的参考价值。 2 课题的主要工作 本课题主要是研究显示设备在基下t n t c lx s c a l e 处理器的平台中的应用。具体采削的硬 东南大学硕士论文 件平台是以p x a 2 5 5 为处理器的掌上电脑，采用的操作系统是a r m n u x 2 4 1 9 。课题的具 体研究一 作如下： 学习平| 】查找有关显示驱动的基础知识，如时序信号的作用和意义等，可以为以后管 理l c d 控制器输出时序信号作基础。接着以主流的显示屏为对象，分析它的： 作 原理，为后面的驱动的具体代码实现作基础 熟悉i n e lx s c a l ep x a 2 5 5 和s o n ya c x 5 0 2 a ml c d 的：i ：作特性与使用方法，结合所 采用平台的特点，提出合适的硬件方案。 ，解l i n u x 下的显示驱动的发展，并深八理解当前l i n u x 下显示驱动的实现方法。 系统的分析其优点和缺点，根据硬什平台，提出实现显示驱动的软件方案。 按照l l n u x 下的接口要求和分层结构，结合p x a 2 5 5 的显示控制器和s o n ya “5 0 2 a m l c d 的特性，说明如何实现基于p x a 3 5 5 处理器的显示驱动，并指出移植到x s c a l e 的可行性。 总结基于x s c a i ep x a 2 5 5 芯片的嵌入式显示驱动的实现，并指出待改进之处和发 展的方向。 3 论文的主要结构 本论文总体可以分为五部分，共六章，第一部分综述了显示驱动的基础利彩色显示驱动 的基本原理；第二部分介绍本课题的软硬件研究平台以及使j = 的一些软件编泽调试：【具；第 三部分是详细讲述了埂什实现方案，包括s o n y a c x 5 0 2 a m 和lp x a 2 5 5 的l c d 控制器的使用、 硬件连接方案：菊四部分( 包括第四和第五章) 系统地分析了l j n u xf 的显示驱动的实现方 法，在此基础上，结合我们的硬件特性，提出了新的显示驱动的实现方案，在这部分的末尾， 我wj 详细说明了新的显示驱动的实现方法，以及它在x s c a l e 系列处理器i 的移植：在论文 的最后部分是系统评测与技术展望。 具体篇章安排如下： 第一章显示驱动的基础与原理 第二章软硬件平台简介 第三章基于p x a 2 5 5 的显示功能的硬件实现 第四章嵌入式“n u x 与显示驱动 第五章基于p x a 2 5 5 的显示驱动的实现 第六章试验结果与性能测评 4 东南大学硕士论文 第一章显示驱动的基础与原理 人们在生活中离不开视觉感觉到的信息，面对现代浩如烟海的大量信息，人们已成功的 使用计算机把这些信息处理成数字、字符、图像，而且它们都通过显示驱动来还原成原来的 信息，因此，在了解显示驱动前。有必要先了解l c d 的工作原理和驱动技术。其次要明白描 述颜色的像素值的意义等。驱动开发人员只有在理解l c d 的驱动技术后才能理解时序信号的 要求，设置l c d 控制器输出合适的时序信号：同时，驱动开发人员只有在理解像素值格式的 基础上，才能把部分需要处理的像素值通过调色板来处理，形成适合选用的显示屏所支持的 格式。 1 - 1 时序信号一驱动处理的对象之一 最早期的显示器件只支持单色，后发展到可支持有限的彩色。现在甚至可支持2 ”种 颜色。从t 作机制上分为阴极射线管( c r t ) 羊| 液晶型( l c d ) 2 种。其中，l c d 显示屏 囚可集成性等优点，使得它广泛的应用存嵌入式系统。它的：r 作原理是利_ i = | j 利用液晶的光电 效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，产生 具有不同灰度层次及颜色的幽像。l c d 犁显示屏又分为被动技术和主动技术两种。其中， 作为主动技术中的代表性的产品t f tl c d 以其体积小、色彩丰富、屏幕反应速度快、对 比度好、亮度高成为高档掌上殴备的首选。 现有的使用不同的工作原理的两种液晶显示技术，但它们对时序信号的要求比较相同。 本文以高档掌上设备的主流液品1 1 可l c d 为例，先介绍其驱动技术，再说明驱动中要处理 的时序信号。 1 11t f tl c d 的驱动技术 由于可l c d 是利用电压改变液晶的排列控制光的偏转，产生具有不同灰度层次及颜 色的图像。因此，在整个显示过程中，液晶起到一个被电压控制的光阀作用。理解控制电压 如何被加载到液品上前本文先介绍像素结构，如图所示： 数据线 数据线数据线 l l 娟 兰茎兰l j 像元电橙 玎叮 l - 液晶_ 液晶- l 公熬电极公共电较 图1 1t f u ：d 像素的结构示意图 扫箍线 扫搞线 东南大学硕士论文 薄膜晶体管的作用是把显示像素和扫描电极很好的分隔开来。当栅极扫描信号到达某一行时 这一行上所有的耵可单元同时打开，控制电压( 源极电荷) 可加到液晶像素上，使显示像素产 生电压差。当扫描信号撤消时此像素上储存的电荷因耵可关闭而一直保持，直到下一个扫 描信号到来。这是单色l c d 的像素结构，而彩色l c d 的每个像素由红绿蓝三个子像素组成， 目前子像素一般排列存水平方向( 即行驱动电极上) 。1 1 可液晶为每个子像素都殴有一个! r 导 体开关，且每个子像素都可以通过点脉冲独立控制。 t f t l c d 驱动电路 为了支持数量巨大的像素，t f l c d 用n n 点排列的逐行扫描矩阵显示。耵下l c d 的 驱动电路大致分成：信号控制电路、电源电路、灰度电压电路、公用电极驱动电路、数据线 驱动电路和栅极驱动电路。县体结构如下图4 1 ： 控制信哮散据信号 图1 2 耵可l c d 驱动芯片的系统框图 理解下面栅极驱动电路、数据驱动电路、直流变换电路的：j ：_ 作原理，对在显示驱动中设置 l c d 控制器，输出l c d 时序有直接的意义。 1 栅极驱动电路是产生逐行扫描信号，使得每行的可管的栅极被依次接通或断开。 2 数据驱动电路功能，先接收r 、g 、b 三色数据信号，在移位时钟信号的作用下把驱 动中处理好的图像数据转换成并行数据，并存储在显示r a m 当中。在锁存脉冲的控制 下，显示r a m 中的数据经过d ，a 转换后输出实际模拟电压，再在行扫描信号的作用下， 把转换好的模拟电乐传送给相应的各对应单元液品。控制液品的扭转角度。 其实，上面是可l c d 的：i 二作流程而被动模式的l c d ( 如d s t nl c d ) 还要求 提供给液晶的电压必须在时间上平均接近为0 ，以防l e 液晶加速老化，因此它们需要控 制器提供，0 行反转信号线。 3 直流变换电路，将外部提供的电源转换成数据驱动模块和栅极驱动模块所需的电压。 其实，其中的逐行扫描是n 叮型的l c d 的扫描模式而有的显示屏是交叉扫描模式，如 d s t nl c d 是这样的：扫描屏幕被分为上下两部分，驱动电路同时并行对这两部分进行刷 新( 烈扫描) ，这样的刷新额率虽然要比单扫描( s t nl c d ) 熏绘整个屏幕快倍”。 6 东南大学硕士论文 1 2 像素值的属性一驱动处理的对象之二 显示内存中存放的形式是一个个像素值，彩色l c d 将把它们转化成色彩艳丽的图象， 这是因为在计算机的显示系统中，像素值中包含了r g b 的成分信息。因此说计算机中存放 的幽像是有属性的。它的属性包含分辨率像素深度、图像的表示法和种类等翻。作为图像 的组成单元，我们可以把每个像素值也看作有自己的属性，如：像素深度、像素值与显存的 值的映射关系等。 1 21 像素深度、像素值与颜色的映射关系3 】 像素深度被用来度量图像的分辨率，它反映图像中的每像素点对应计算机存储器内的一 个或多个比特。当前计算机世界的图像使用的像素深度有1 、4 、8 、1 6 、2 4 和3 2 位等。 了解像素值与颜色的映射关系，对于理解像素值中的颜色分量和驱动中处理它们有直接 的指导意义。比如，图像为伪彩时，当显示控制器提供硬件调色板时，伪彩剀像通过调色板 的作用显示到l c d 上。像素值与颜色的映射关系如下图： 1 、f b v i s u a l m o n 0 0 1 、f b v i s u a l _ m o n 0 1 0 指示的映射关系：它们是描述单色显示 器的像素值与颜色的映射关系。甲期的显示器只支持2 种颜色，前景色和背景色。除很少的 被用在古老的绿色的显示器的场合下，通常前景色和背景色用黑白色来代称。 f b v i s u a l m o n 0 0 l 和f b v i s u a l m o n o l 0 是指刚好相反的两种前景色和背景色表示 法。 2 、f b v l s u a l p s e u d o c o l o r 和f b v i s u a l s t a 兀c p s e u d o c o l o r 指示的映射关 系：随着显示技术的发展，它们可变得以支持小数量的彩色，但由于受到内存空间有限的约 束，为了显示丰富的色彩图像，产生了硬件调色板( 关丁= 调色板的原理，本文将在下一节说 明) ，它把像素值映射成人”j 想要的色彩像素值，这样在消耗同样的内存情况可以实现显示 更多的色彩，这种实现方式被人们称为伪彩模式。伪彩色图像的含义是：它的像素深度通常 小于显示屏所支持的像素深度，此时它的每个像素值不可直接分成三个基色分量值，而是 把像素值整体当作阔色扳( p a i e t t e ) 的表项入口地址的索引，去查找相应单元中由三个基色分 量组成的像素值，后者才送到显示屏。在驱动中，要处理的伪彩映劓模式有：静态伪彩 ( s n 皿c - p s e u d o c 0 l o r ) 和动态伪彩( p s e u d o c o l o r ) 。前者表明显示驱动芯片( 包 括l c d 控制器) 的调色板的内容是不可修改：而后者，驱动可以修改它的值，j h 来显示更 东南大学硕士论文 大范同的颜色数。早期的调色板支持4 值像素深度到1 6 色的转变，现在高档嵌入式处理器 ( 内建的l c d 控制器) 常提供8 位像素深度的图像转换成6 4 k 彩色的图像的功能。 3 、兀j v t s u a l d i r e c l o l o r 、f b v i s u a l t r u e c o l o r 指示的映射关系：随着内存 平显示技术的发展，它们不再限制一帧图像中可以显示的颜色数了。如在桌面系统人们可 以直接分配1 0 2 4 x 1 0 2 4 x 2 4 内存j 1 j 来存放像素值，主流的显示器件也都2 4 位色。于是，新的 映射关系开发出来了，一种是直接色( d m e c tc o l o r ) ，它从动态伪彩发展而来，常用在 大型复杂的系统中：另一种是真彩( 讯u ec o l o r ) ；从动态伪彩发展形成。在现在的嵌入 式系统中，真彩图像通常是指它能包含的颜色数目至多可达2 ”种等，此时，组成图像的每 个像素值中，有r ，g ，b 三个基色分量，每个基色分量直接决定碌示设备的基色强度，而 不川经过凋色板的作用，这样产生的彩色称为真彩色。例如用r g b5 ：5 ：5 表示的彩色图像， r ，g ，b 各用5 位，州r ，g ，b 分量大小的值直接确定三个基色的强度。 表示真彩图像的像素值的r g b 的格式有许：多种。在桌面系统中，真彩色常指r g b8 ：8 ：8 格式的像素值等；而在嵌入式系统中，真彩常指的是r g b5 ：6 ：5 或5 ：5 ：5 两种。如r g b 5 ：6 ：5 格式的像素值表示方法是：计算机通常用一个字( w o r d ) 来表示它，当读出一个 像素值后，这个字的各个位的意义如f ： 高字节低字仃 rrrrrggg gggbbbbb 这样r g b 三色组成2 个字：缸，方便计算机的运算和存储。 其实，计算机世界中，色彩不只是用r g b 表示，有时还采用r g b t 的表示方法。此时 的真彩的格式就复杂些，在目前的嵌入式系统中有2 种格式：r g b t 5 ：6 ：5 ：o 、r g b t 5 ：5 ：5 ：1 。 t ( t r a n s p a r e n c y ) 是显示属性控制位，它的含义可以这样米理解：假如显示屏上已经有一幅 图存在，当这幅图或者这幅图的一部分要重叠在上面时，t 位就用来控制原图是否能看得见。 如可定义t = 1 ，原图完全看不见；t = 0 ，原i 到能完全看见旧。 1 2 2 像素值与显示内存的映射关系 像素值与显示内存的映射关系有5 种，具体的关系如下图 图1 4 像素值在显示内存中存储方式 本文主要说明最通用的方式一f b t y p e p a c k e d p e l s 方式”。这种方式下，像素 值与内存有直接对应关系，当你在显示内存某单元写入一个“5 ”，该单元对应的像素值也将 是“5 ”。这对应用层把显示内存映射到用户空间时非常方便吲。嵌入式l j n u x 下的示驱动管 东南大学硕士论文 理显示内存时就常基于这种方式。 1 3 调色板的原理和作用 调色板的原理”“ 当前，高档嵌入式处理器内常集成调色板，支持动态伪彩模式。凋色板的大小一般为 2 5 6 个单元，每单元占字节多少随处理器的不同而各异。显示驱动对调色板的使用时，先在 存储器中分配2 5 6 个单元的调色板内存；接着把想要的颜色像素值( r a wp i x c ld a t a ) 按照一定 顺序写入调色板内存；当要显示的图像是伪彩时，显示驱动将先把调色板内存中的颜色像素 值( m w p i x c ld a 【a ) 载入到调色板中：在数据传输通道( 现在常用d m a ) 的作用下，显示内存 中的编码像素值( e n c o d e e dp i x e ld a i a ) 传到显示控制器的输入缓冲区，并被作为索引去调用 调色板剥应单元中的颜色像素值。 为了充分发挥调色板的作用，每个内存单元内的值都应该被设置成对应不同颜色。此外， 设置调色板的颜色像素值时，驱动开发人员要考虑调色板的每单元的字节数和l c d 所支持 的像素深度，它们共同决定了调色板的像素值的大小。为了加深理解调色板的上作原理，下 面给山支持2 4 位色的调色板一| = = 作示意图： 012 80 0 2 4 位r g b 颜色 002 5 5 2 5 502 5 5 口 2 5 52 5 5 调色板( r g b 颜色表) 显示器 圈15 调色板： 作原理 其中，相邻两单元的值之间是独立设置，且显示驱动可修改凋色板中每一单元对应的值。 调色板的作用 调色极长度一般为2 5 6 ，这表示调色板模式下的图像一次最多只能拥有2 5 6 种颜色。对 人类的视觉米说，2 5 6 色图像县有照片的效果，比较真实。当一幅颜色数大于2 5 6 的图像转 换到“索引色模式”f 时，应用层可以使用图像处理软件分析图像色彩，并从中选取2 5 6 种最主要的色彩作为润色板的值，然后将图像中每一个像素点的色彩都替换为凋色板中相对 应的色彩。若某一像素点的色彩超出“凋色板”的色彩范围，则以相近的色彩代替。当下一 帧图像与正在显示的图像色彩范围不同时，只需改变调色板的颜色项就可。比如使用的硬件 平台中的调色板和l c d 都支持1 6 位色，虽然每帧只可显示2 5 6 种色彩，但通过修改调色板 的值，也可以显示6 4 k 种颜色。调色板的作用主要是为了仃省内存、提高系统的整体性能。 9 东南大学硕+ 论文 比如：显示一幅2 4 0 x 3 2 0 的豳像时，8 位色显示模式比1 6 位色1 ，省7 5 k 内存，且减少对系 统的占用。 1 4 彩色l c d 显示驱动的原理 嵌入式的处理器和液晶显示屏种类都较繁多，为了提供相对更多的参考意义，本文将针 对嵌入式系统中的高端处理器，说明嵌入式显示驱动的主要原理。在介绍它之前，我们先说 明硬件的特性，只有明白这些知识后，才能更容易明白驱动的t 作原理。 高端处理器( 如x s c a l e 系列) ，它们的l c d 控制器内都集成了调色板和专用d 【a 。当l c d 控制器进入： 作态时，d m a 同日j 被使能，并把它的地址寄存器对应的像素值，传到l c d 控制 器的输入缓冲器，而l c d 控制器被使不能时，它也被关断，即不需要中断函数来管理d h i a 的运行，非常高效且1 ，省系统开销。l c d 屏的参数非常多，其中在设置l c d 控制器的寄存器 时要考虑的是：驱动模式( 主动态、被动态) 、像素深度、时序信号( 包括像素时钟信号、 行扫描信号、帧扫描信号、极性偏转) 、数据信号等。 嵌入式显示驱动的原理主要是：首先根据选定的屏，确定一行的点数、一列的点数币l 位 色的值。求出它们的乘积；这个乘积决定了将来要分配的内存大小，接着驱动分配显示内存 用来存放像素值：并把它的起始地址和艮眨赋给d m a 控制器；驱动中按照l c d 屏的时序 要求，设置显示控制模块各寄存器；接着设置相应的d m a 通道；在显示醴备初始化1 f i 彳，显 存中的像素值通过d m a 的传送进入到显示控制模块的输入缓冲器中；如果彩屏是1 6 位色， 像素编码值将被l c d 控制器直接输出到显示控制模块的输出引脚，否则像素编码值则用来 索引调色板中的颜色值，后者才被输出到显示控制模块的输出引脚：在l c d 控制模块输出 的时序信号的管理下，显示数据以一定的帧频刷新到显示屏上。这样，显示驱动利用l c d 的： 作原理，把像素值还原成图像，实现了显示图像的功能。此外当l c d 控制器不支持 调色板功能时，图像编码的处理在应用层( 实际是g d i 层) 实现图像编码到图像数据的转 换，此时显示内存中存放的全是色彩数据( r a wp j x e ld a t a ) ，而不是编码数据。 显示驱动的这种设计，把显示硬件抽象成一个显示内存。显示图像时，应用层不需了解 硬件的细仃，而只要通过映射显示内存到应j = | | 层空问，把图像像素值写到显示内存，就可实 现显示图像功能。从应用层的角度看，这种设计大大降低了应用释序的开发难度。下幽是硬 件的传输通道支持d m a 和调色板功能的彩色显示驱动的系统示意图。 0 东南大学硕士论文 l c d 控制模块 图1 6 真彩色显示驱动的系统示意图 显示驱动在实现形式上：初始化显示设备并提供函数接口来根据需要米修改显示方案；而在 实现的过程中，都是围绕着下面2 个对象来进行操作：提供合适的时序信号；接收图像 编码，输出图像数据。详细说明这些方面，有利于进一步了解显示驱动的原理。 1 初始化并维护显示方案：根据显示屏的特性，驱动要瑟置外殴来支持一种显示方案，实 现单一的显示幽形功能。这个设置过程包括每行的、每列的像素数目数、扫描频率、 色深( 一个像素用几位表示) 、显存大小、调色板信息、以及此显示驱动芯片支持的设 备选项( 比如是否支持便件加速) 。在驱动的初始化中殴置显示方案。此外，针对应 用层的不同要求，驱动需要能更改显示方案。冈此，驱动还要提供函数接口，供应川层 用来改变显示方案。 2 ，提供合适的时序信号：以外部提供的时钟信号为基础，驱动程序配置显示驱动芯片( 模 块) 的寄存器，提供合适的时序。据前面液晶显示屏的驱动技术可知，一般应为如下几 个：移位信号、行同步、帧同步、偏转信号。其中行同步信号是连接到行扫描端，它是 确保行扫揣t 作j i i 常，它的宽度常等于几个像素时钟的值；同理，帧同步的宽度是几个 行时钟的值。但在上面这些信号中，真正被需要的信号是由选用的显示屏决定的。不同 的显示屏集成功能模块的程度不同，对信号的输入也因之不同。如s o n v 的a c x 5 0 2 a m 彩屏内自构建了许多时序实现模块，而只要求外界提供的时序信号为：主时钟( m c k ) 、 行同步( h s y n c ) 、帧同步( v s y n c ) 。 3 接收图像编码，输出图像数据：它主要是分配显示内存，用来存储接收到图像编码， 分配调色板内存，转换幽像编码成真正的图像数据，设置数据传输通道。 分配显示内存：驱动程序先根据选用的显示屏支持的一行的像素点数、。一列的点数 利位色的值。求出它们的乘积，这个乘积就是要分配的显示内存大小，接着驱动程序分 配显示内存，用来存放图像像素值。 分配调色板内存：目前，一般驱动彩屏的调色板是2 5 6 单元，每单元长度通常为2 东南大学硕士论文 字肖。而单色屏是2 5 6 单元，每单元为1 字节。根据选用屏的特性，计算出系统调色板 所需的长度，分配调色板内存。 根据需要，转换图像编码成真正的图像数据：因为应用层写入显示内存的图像编码， 可能是伪彩，据第二章的分析知道，此时要用调色板，把图像编码作为索引去取调色 板相应单元中的数据，此数据( r a wp i x e ld a t a ) 真正代表颜色值。 不同的显示硬件传送图像编码时，使用的通道不同。现在高端的嵌入式设备的彩屏 常采用t f tl c d ，因其数据量大，速度要求高。针对这个特点，当前高端的嵌入式处理 器中普遍集成了儿个专用的d m a 传输模块。如p x a 2 5 5 ，它集成了2 个d m a ，但当驱动单 显示屏时，它只使_ | = | j 一个d m a 。这种专用d m a 的：【作方式是：驱动中只要配置d m a 寄存 器。当l c d 控制器使能后，d m a 自动向c p u 申请释放总线控制权，它不需驱动程序的 进一步管理。驱动中配置d 姒寄存器时，主要包括数据传输的源地址和凋色板显存：l 作方式。其中，单d m a 要负责传输幽像数据和调色板数据。当要使用调色板时，它被设 置成调色板 二作模式和获得调色板数据地址；接着，单d m a 将被设置成显存上作模式和 图像数据地址，实现传送图像数据功能。这种专用d m a 的优点是工作状态是同步于l c d 控制器的t 作状态。既实现了传输数据功能，又减少了驱动程序的管理：l 一作。 在驱动实现了显示图像的功能后。应用程序可通过操作系统提供的接口把i 到像编码写到 显示内存，显示驱动将管理外设把图像显示到l c d 。其实，通常复杂的图形用户界面( g u ) 是通过图形驱动引擎( g d i ) 来调用操作系统提供的接口，实现画点、画线函数等州。 东南大学硕十论文 2 1 硬件开发平刨垌 第二章软硬件平台简介 2 0 0 2 年2 月2 5 日，英特尔公司正式推出了基于英特尔x s c a l 一技术的新型处理器。i n t e l x s c a l e 内核是和a r m 架构v 5 t e 结构兼容的微处理器。它集成了多种微结构的特点，内置 j t a g 调试接口、存储器控制器、实时时钟及系统时钟、通用及红外串行、蓝牙接口、a c 9 7 接口、扩展 接口、l c d 控制器、电源管理模块等等。其主要针对r 一代高性能的p d a 市 场，支持视频流、m p 3 、无线互联网存取以及其他前沿领先技术而殴计。i n t e lx s a c l e 系列的：i o p 3 1 0 、i o p 3 2 l 、p x a 2 1 0 、p x a 2 5 0 、p x a 2 5 5 、p x a 2 6 x 等。其中i o p 3 l o 、i o p 3 2 l 的应用主要是针对网络存储和网络计算，它们没有自建l c d 控制器，不常被用在带显示功 能的掌上设备中。而p x a 2 1 0 、p x a 2 5 0 、p x a 2 5 5 、p x a 2 6 x 都内建了显示控制模块，且 l c d 控制器的架构和特点基本相似1 。本课题最终实现的硬件平台是基于p x a 2 5 5 处理器 为核心、显示功能的实现采用了s o n va c x 5 0 2 a m 彩屏的掌上电脑系统。由前面说明的原因 可知：在基于p x a 2 5 5 利s o n ya c x 5 0 2 a m 上显示驱动的实现方案，对其余的p x a 2 x x 处理 器的使用和驱动的开发也可提供不错的参考价值。本文的硬件平台的框架如下图： 东南大学硕+ 论文 2 2 软件平台 图2 ，】硬件系统框架示意图 嵌入式l j n u x 是从“n u x 衍变而来的嵌入式操作系统。将l i n u x 作为一个嵌入式操作系统具 有许多的优点： _ 自由软件可以有效降低开发成本 - 模块化可裁减特性非常适合嵌入式系统的要求，系统完全启动只需要小到5 0 0 k 字 = 竹不到的目标代码，完全可以把“n u x 内核和r o o t 文件系统放在一张软盘上。 一 系统稳定，功能强大，支持多种硬件平台。它可以非常稳定地运行在许多种体系结 构的处理器上。最新的l i n u x 内核支持i n t e lx 8 6 、m o t o r o l “r b mp o w e r p c 、a r m 、 c o 唧a q ( d e c ) a l p h a 、l a 6 4 、s ，3 9 0 、s u i ) e r h 等微处理器体系结构。 文档完善，支持渠道众多。 _ 强大的网络功能，完全适用移动互连的嵌入式设备发展趋势。 4 东南大学颁十论文 下图是嵌入式l i n u x 内核的系统框架图。 图22 嵌入式l l n u x 内核的框架图 其中在驱动程序部分实现了显示驱动的部分操作，对具体的屏的支持需要驱动开发人 员修改来实现。本课题使用的是运行在a r m 体系上的嵌入式a r ml i n u x 2 4 1 9 ，该内核已 经被成功移植到兼容a r m 体系的i n t l e x s c a l e p x a 2 5 5 处理器上( 本课题的前期： 作) 。 2 3 软件开发环境 绝人多数的l i n u x 软件开发都是以本机方式进行开发、调试，本机运行的，但是这种方 式通常不适台于嵌入式系统的软什开发。因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本 机( 即板子上系统) 运行开发l ：具和调试：c 具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉 编译澜试的方式。交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上的。开发时使用宿主 机上的交义编译工具链( 包括编泽、汇编及连接工具) 来生成目标板上运行的二进制的代码， 然后把可执行文件下载到目标机上运行。 5 东南大学硕十论文 h u b 图2 3 调试环境 本课题采闩j 了装有r e d h a t 7 3 操作系统的主机作为宿主机，并安装了交叉编译工具链 a r | t 卜l i n u x g c c 2 9 5 3 ，该j ：具可以从唧：n p a r m l i n u x o r g u k 下载，也可以自行下载源代码 编译得到。本课题中的调试采用了插桩的调试方法，开发板和宿主机通过串口方式进行通信。 此外，本课题采用的b o o t l o a d e r ( 引导装载程序) 是m i c r o m o n i t o r ，它是朗讯开发的一款多 功能b 0 0 t l o a d e r 。它的作用是把编译好的内核镜像写入开发板中的f l a s h 中，并完成启动时 加载和引导内核的功能。 东南大学硕士论文 第三章基于p x a 2 5 5 的显示功能的硬件实现 3 1p x a 2 5 5 处理器介绍 p x a 2 5 5 整合的功能极为强大，可支持4 b a n k 结构、虽多2 5 6 m b 容量的1 0 0 m h zs d r a m 内存或闪存，采用1 6 、3 2 位宽度总线连接；支持双b a n k 结构的p c m c i a 、c f 控制器和 m m c ，s d 存储膏控制器；支持a c 9 7 音频、u s b 、蓝牙和红外接口：整合l c d 显示控制器， 可支持4 、8 、1 6 位色彩显示等等。p x a 2 5 5 为了省电，可凋整：| 二作频率在1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、 4 0 0 m h z 。它的芯片结构如下图： 图3 1p x a 2 5 5 芯片结构图 从上图我们看到p x a 2 5 5 内构了l c dc o n l r 0 1 l e r ，对于支持暾入式l c d 屏，它有着方便使 用、功能强大等优点。 7 东南大学硕士论文 3 2p x a 2 5 5 的l c d 控制器的特点和使用 3 2 1l c d 控制器的特点 p x a 2 5 5 的芯片内部集成了l c d 控制器，它支持单色、被动、主动液晶屏；支持l 、2 、 4 、8 或1 6 值共四种像素深度的数据；它内部构建了一个2 5 6 单元1 6 位宽的惆色板，当从显示 内存取来的编码数据是伪彩时，调色板会自动转换它成真正表示颜色的像素数据；此外它还 内建了一个帧速率控制( 抖动逻辑) 电路，它使用一种空基和时基算法促使每一个象素以不 同的速率在每一帧上关断，形成不同的灰度感。整个l c d 控制器的结构示意如下图： 8 东南大学硕士沦文 图32l c d 控制器的结构示意图 该控制器有非常灵活的特性，可以进行编程控制相应的寄存器值，以适应不同的l c d 显示 板，它支持下面四种显示类型： 无源彩色模式 有源彩色模式 无源黑白模式 双屏显示模式 在1 6 _ b i t 州e d 的抖动逻辑单元的作用下，总共可支持6 5 5 3 6 种彩色 支持高达6 5 5 3 6 种彩色； 可支持2 5 6 级灰度： 可支持无源2 5 6 彩色。 对下可支持的屏的火小，l c d 控制器支持高达1 0 2 4 1 0 2 4 的显示屏。它的特点还包括它集 9 东南大学硕士论文 成了取通道d m a 控制器。d m a 控制器的一个通道