【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践

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

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第1张图片

Framebuffer在内核中的表现就是fb_info结构体:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第2张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第3张图片

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

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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:

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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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第6张图片

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:

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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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第8张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第9张图片

我用的野火7寸屏(GT911,800x480),其参数为:

参数
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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第10张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第11张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第12张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第13张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第14张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第15张图片

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。

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第16张图片

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 

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第17张图片

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:

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第18张图片

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 

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第19张图片

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)。

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第20张图片

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  
#include  
#include  

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/

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然后,/etc/init.d/rcS中设置该程序开机自启动即可。

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第22张图片

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

【i.MX6ULL】驱动开发11——LCD驱动实践_第23张图片

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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