fb设备驱动框架分析

news2024/11/20 8:46:29

一、字符设备注册过程：

归根到底，fb设备也是一个字符设备，所以逃不开常规的字符设备驱动框架：
在这里插入图片描述

Linux内核中编写字符设备驱动通常遵循以下步骤：

①、定义主设备号：

在Linux中，每个字符设备都有一个唯一的主设备号。你可以静态地分配一个主设备号，或者动态地从内核获取一个未使用的主设备号（一般使用动态获取即可）。

#define MY_DEVICE_MAJOR 240 // 示例：静态分配的主设备号  
// 或者使用动态分配，通过alloc_chrdev_region在运行时获取主设备号

②、构造file_operations结构体：

file_operations结构体定义了设备驱动程序提供的操作接口。需要根据不同设备需求实现相应的函数，如open, read, write, release等。

static const struct file_operations fops = {  
    .owner = THIS_MODULE,  
    .open = my_device_open,  
    .read = my_device_read,  
    .write = my_device_write,  
    .release = my_device_release,  
    // 还可以实现其他的函数接口，如ioctl, mmap等  具体查看file_operation结构体定义
};

③、注册驱动：

使用register_chrdev函数来注册你的字符设备驱动。注册驱动的时候需要主设备号、设备名称和file_operations结构体作为参数。

static int __init my_device_init(void) {  
    int result;  
      
    // 如果是动态分配主设备号，使用alloc_chrdev_region()  
    // alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "my_device");  
    // major = MAJOR(dev);  
  
    result = register_chrdev(MY_DEVICE_MAJOR, "my_device", &fops);  
    if (result < 0) {  
        printk(KERN_ALERT "Registering char device failed with %d\n", result);  
        return result;  
    }  
    // 其他初始化代码，如创建设备节点等  
    return 0;  
}

④、注册入口函数：

入口函数是模块的初始化函数，在模块加载时被调用（比如insmod(加载驱动)的时候就会调用了）。

module_init(my_device_init);

⑤、注册出口函数：

出口函数是模块的清理函数，在模块卸载时被调用。一般用来注销设备驱动并释放所有相关资源。

static void __exit my_device_exit(void) {  
    unregister_chrdev(MY_DEVICE_MAJOR, "my_device");  
    // 如果是动态分配的主设备号，还需要释放它  
    // unregister_chrdev_region(dev, 1);  
    // 其他清理代码  
}  
module_exit(my_device_exit);

最后添加模块描述、版本和许可证信息。

MODULE_LICENSE("GPL"); // 或你选择的许可证类型  
MODULE_AUTHOR("Your Name"); // 作者名  
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver"); // 模块描述  
MODULE_VERSION("1.0"); // 模块版本

上述过程就是编写一个字符设备驱动的整体过程，现在对应到LCD设备是怎么处理的呢？

二、 Framebuffer驱动程序框架

分析fb_mem.c文件（路径drivers\video\fbdev\core\fbmem.c）：

在这里插入图片描述

可以看到在fbmem.c文件中使用了上文所讲述的字符设备注册过程。首先通过register_chrdev函数注册主设备号为29的字符设备，注册的字符设备中的ops变量实现了很多fb操作函数。

其中fb_read函数做了大概得调用关系总结，fb_read函数首先会获取fb_info结构体，fb_info结构体里面实现了硬件的参数设置和具体的硬件操作。所以fb_read函数的核心就是调用fb_info结构体里面注册的read函数。

注：其他fb操作函数都类似，都是先获取info结构体，进而调用里面注册的底层硬件操作函数。

调用关系：

例子1：
app:  open("/dev/fb0", ...)   主设备号: 29, 次设备号: 0
--------------------------------------------------------------
kernel:
         fb_open
         	int fbidx = iminor(inode);
         	struct fb_info *info = = registered_fb[0];


例子2：
app:  read()
---------------------------------------------------------------
kernel:
		fb_read
			int fbidx = iminor(inode);
			struct fb_info *info = registered_fb[fbidx];
			if (info->fbops->fb_read)
				return info->fbops->fb_read(info, buf, count, ppos);
         	
			src = (u32 __iomem *) (info->screen_base + p);
			dst = buffer;
			*dst++ = fb_readl(src++);
			copy_to_user(buf, buffer, c)

2.3、fb设备驱动框架总结：

分为上下两层：

  • fbmem.c：承上启下
    • 实现、注册file_operations结构体
    • 把APP的调用向下转发到具体的硬件驱动程序
  • xxx_fb.c：硬件相关的驱动程序
    • 实现、注册fb_info结构体
    • 实现硬件操作

三、Framebuffer驱动程序实现过程

3.1、明确主线任务

通过分析上述fbmem.c文件我们可以看到，我们要是想要编写一个fb设备的驱动的话，最终要就是要是先fb_info结构体。有几个重要的成员变量如下：

在这里插入图片描述

  • var这个成员包含了屏幕的可变参数，如分辨率、色深等。在驱动初始化时，应该根据硬件的能力来填充这些参数。

  • fix这个成员包含了屏幕的固定参数，如屏幕的物理尺寸、内存类型等。这些参数也应该在驱动初始化时根据硬件设置。
    在这里插入图片描述

  • fbops这是一个指向fb_ops结构体的指针，它包含了帧缓冲设备所需的操作函数，如fb_fillrect、fb_copyarea、fb_imageblit等。这些函数是硬件相关的，必须根据具体的硬件设备来实现。

  • screen_base这是帧缓冲区的虚拟地址，它指向映射的显存区域。驱动需要设置这个指针以便用户空间可以访问显存。

  • screen_size表示映射的显存大小。这个值应该根据实际的显存大小来设置。

3.2、fb应用程序和驱动交互过程

1. open

app:  open("/dev/fb0", ...)   主设备号: 29, 次设备号: 0
--------------------------------------------------------------
kernel:
         fb_open   // fbmem.c
         	struct fb_info *info;
         	info = get_fb_info(fbidx);
			
			if (info->fbops->fb_open) {
				res = info->fbops->fb_open(info,1);   // 硬件相关的驱动
				if (res)
					module_put(info->fbops->owner);
			}

2. 获得可变信息(含有分辨率等)

app:  	ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_info->var);
-------------------------------------------------------------------------
kernel:
         fb_ioctl   // fbmem.c
         	struct fb_info *info = file_fb_info(file);

         	do_fb_ioctl(info, cmd, arg);
         		var = info->var;     // 硬件相关的驱动设置的
         		ret = copy_to_user(argp, &var, sizeof(var)) ? -EFAULT : 0;

3. 获得固定信息(含有显存信息)

app:  	ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_info->fix);
-------------------------------------------------------------------------
kernel:
         fb_ioctl   // fbmem.c
         	struct fb_info *info = file_fb_info(file);

         	do_fb_ioctl(info, cmd, arg);
         		fix = info->fix;     // 硬件相关的驱动设置的
         		ret = copy_to_user(argp, &fix, sizeof(fix)) ? -EFAULT : 0;

4. mmap

app：void *ptr = mmap(0,
			fb_info->var.yres_virtual * fb_info->fix.line_length,
			PROT_WRITE | PROT_READ,
			MAP_SHARED, fd, 0);
-------------------------------------------------------------------------
kernel:
         fb_mmap   // fbmem.c
         	struct fb_info *info = file_fb_info(file);

         	start = info->fix.smem_start;
         	len = info->fix.smem_len;
         	return vm_iomap_memory(vma, start, len);

3.2、实现"主线任务"

编写一个简单的FB设备驱动框架：

注：此处编写fb驱动只是为了更好的理解nxp官方的fb设备驱动代码。

代码如下：

#include <linux/module.h>  
#include <linux/kernel.h>  
#include <linux/platform_device.h>  
#include <linux/fb.h>  
  
static struct fb_info *my_fb_info;  
  
static struct fb_ops my_fb_ops = {  
    // .owner 应该在fb_info分配之后设置  
    // 其他操作函数根据需要进行实现  
};  
  
static int my_simple_fb_probe(struct platform_device *pdev)  
{  
    int ret;  
  
    my_fb_info = framebuffer_alloc(0, &pdev->dev);  
    if (!my_fb_info) {  
        ret = -ENOMEM;  
        dev_err(&pdev->dev, "Cannot allocate framebuffer\n");  
        return ret;  
    }  
  
    my_fb_info->fbops = &my_fb_ops;  
    my_fb_info->var.xres = 800;  
    my_fb_info->var.yres = 600;  
    // 设置其他framebuffer参数...  
  
    my_fb_ops.owner = THIS_MODULE;  
    // 设置其他fb_ops函数指针...  
  
    ret = register_framebuffer(my_fb_info);  
    if (ret < 0) {  
        dev_err(&pdev->dev, "Cannot register framebuffer\n");  
        goto err_register_fb;  
    }  
  
    platform_set_drvdata(pdev, my_fb_info);  
  
    dev_info(&pdev->dev, "Simple framebuffer driver loaded\n");  
    return 0;  
  
err_register_fb:  
    framebuffer_release(my_fb_info);  
    return ret;  
}  
  
static int my_simple_fb_remove(struct platform_device *pdev)  
{  
    struct fb_info *info = platform_get_drvdata(pdev);  
  
    if (info) {  
        unregister_framebuffer(info);  
        framebuffer_release(info);  
    }  
  
    return 0;  
}  
  
#ifdef CONFIG_OF  
static const struct of_device_id my_simple_fb_of_match[] = {  
    { .compatible = "vendor,my_simple_fb", },  
    {},  
};  
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_simple_fb_of_match);  
#endif  
  
static struct platform_driver my_simple_fb_driver = {  
    .probe = my_simple_fb_probe,  
    .remove = my_simple_fb_remove,  
    .driver = {  
        .name = "my_simple_fb",  
        .of_match_table = of_match_ptr(my_simple_fb_of_match),  
    },  
};  
  
module_platform_driver(my_simple_fb_driver);  
  
MODULE_DESCRIPTION("Simple Framebuffer Platform Driver");  
MODULE_LICENSE("GPL");

三、浅析NXP自己的LCD控制器的驱动程序

①、nxp自己的驱动程序分析
在这里插入图片描述

注：相关的fbops结构体中函数指针所指向的函数都是通过配置寄存器实现的，需要对照寄存器手册。其实就是配置寄存器进而设置lcdif（imx6ull）工作需要的一些配置。

②、imx6ull的lcd控制器dts分析

上面只是浅析了.c文件的大概实现，下面查看一下设备树的实现，直接查看他们自己的evk板子的设备树。

&lcdif {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_lcdif_dat
		     &pinctrl_lcdif_ctrl
		     &pinctrl_lcdif_reset>;
	display = <&display0>;
	status = "okay";

	display0: display {
		bits-per-pixel = <16>;
		bus-width = <24>;

		display-timings {
			native-mode = <&timing0>;
			timing0: timing0 {
			clock-frequency = <9200000>;
			hactive = <480>;
			vactive = <272>;
			hfront-porch = <8>;
			hback-porch = <4>;
			hsync-len = <41>;
			vback-porch = <2>;
			vfront-porch = <4>;
			vsync-len = <10>;

			hsync-active = <0>;
			vsync-active = <0>;
			de-active = <1>;
			pixelclk-active = <0>;
			};
		};
	};
};

pinctrl_lcdif_dat: lcdifdatgrp {
			fsl,pins = <
				MX6UL_PAD_LCD_DATA00__LCDIF_DATA00  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_lcdif_reset: lcdifresetgrp {
                        fsl,pins = <
                                /* used for lcd reset */
                                MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER9__GPIO5_IO09  0x79
                        >;
         };
 };

①、 &lcdif 节点:

  • pinctrl-names 和 pinctrl-0：这两个属性用于配置LCD接口的引脚控制（pinctrl）。pinctrl-names 指定了控制组的名称（“default”），而 pinctrl-0 则引用了三个pinctrl组，分别用于数据（pinctrl_lcdif_dat）、控制信号（pinctrl_lcdif_ctrl）和复位信号（pinctrl_lcdif_reset）。
  • display：此属性引用了一个名为 display0 的子节点，该子节点包含了显示器的具体配置。
  • status：表示此设备的状态为 “okay”，意味着这个设备是激活和可用的。

②、 display0 节点:

  • bits-per-pixel 和 bus-width：分别指定了每个像素使用的位数（16位）和总线宽度（24位）。
  • display-timings：这个节点包含了显示器的时序配置。
  • 在 timing0 中，详细定义了显示器的各种时序参数，如 clock-frequency（时钟频率）、hactive 和 vactive（水平和垂直有效像素数）、hfront-porch、hback-porch、hsync-len 等（水平时序参数），以及 vback-porch、vfront-porch、vsync-len 等（垂直时序参数）。此外，还定义了同步信号（hsync, vsync）和像素时钟的极性。
    ③、pinctrl组节点:
  • pinctrl_lcdif_dat、pinctrl_lcdif_ctrl 和 pinctrl_lcdif_reset 分别定义了LCD数据线、控制线和复位线的引脚配置。在这些节点中，fsl,pins 属性指定了具体的引脚分配和配置。例如，MX6UL_PAD_LCD_DATA00__LCDIF_DATA00 0x79 表示将 LCD_DATA00 引脚分配给 LCDIF_DATA00 功能，并设置其配置为 0x79。

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