嵌入式驱动开发详解12（LCD驱动）

文章目录

前言
LCD
- [LCD 简介](#LCD 简介)
- LCD屏幕时序
- 单片机eLCDIF接口
[Linux 下 LCD 驱动简析](#Linux 下 LCD 驱动简析)
- [Framebuffer 设备](#Framebuffer 设备)
- 设备树配置
- LCD相关系统设置
后续
参考文献

前言

LCD 是现在最常用到的显示器，手机、电脑、各种人机交互设备等基本都用到了 LCD，最常见就是手机和电脑显示器了。通过 LCD 可以显示绚丽的图形、界面等，提高人机交互的效率。

LCD

LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置 TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过 TFT 上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。

LCD 简介

分辨率 ：提起 LCD 显示器，我们都会听到 720P、1080P、2K 或 4K 这样的字眼，这个就是 LCD 显示器分辨率。LCD 显示器都是由一个一个的像素点组成，像素点就类似一个灯(在 OLED 显示器中，像素点就是一个小灯)，这个小灯是 RGB 灯，也就是由 R(红色)、G(绿色)和 B(蓝色)这三种颜色组成的，而 RGB 就是光的三原色。1080P 的意思就是一个 LCD 屏幕上的像素数量是 1920*1080 个，也就是这个屏幕一列 1080 个像素点，一共 1920 列。

但是并不是分辨率越高的 LCD 就越好。衡量一款 LCD 的好坏，分辨率只是其中的一个参数，还有色彩还原程度、色彩偏离、亮度、可视角度、屏幕刷新率等其他参数。
像素格式：一个像素点就相当于一个 RGB 小灯，通过控制 R、G、B 这三种颜色的亮度就可以显示出各种各样的色彩。一般一个 R、 G、B 这三部分分别使用 8bit 的数据，那么一个像素点就是 8bit*3=24bit，也就是说一个像素点 3 个字节，这种像素格式称为 RGB888。如果再加入 8bit 的 Alpha(透明)通道的话一个像素点就是 32bit，也就是 4 个字节，这种像素格式称为 ARGB8888。如果学习过 STM32 的话应该还听过 RGB565 这种像素格式。
屏幕接口 ：LCD 屏幕或者说显示器有很多种接口，比如在显示器上常见的 VGA、HDMI、DP 等等，

R[7:0]、G[7:0]和 B[7:0]这 24 根是数据线，DE、VSYNC、 HSYNC 和 PCLK 这四根是控制信号线。RGB LCD 一般有两种驱动模式：DE 模式和 HV 模式，这两个模式的区别是 DE 模式需要用到 DE 信号线，而 HV 模式不需要用到 DE 信号线，在 DE 模式下是可以不需要 HSYNC 信号线的，即使不接 HSYNC 信号线 LCD 也可以正常工作。

以 ATK-7016 这款屏幕为例讲解， ATK-7016 (7 寸，1024*600)的屏幕接口原理图如图：

右侧的几个电阻，并不是都焊接的，而是可以用户自己选择。默认情况，R1 和 R6 焊接，设置 LCD_LR 和 LCD_UD，控制 LCD 的扫描方向，是从左到右，从上到下（横屏看）。而 LCD_R7/G7/B7 则用来设置 LCD 的 ID，由于 RGBLCD 没有读写寄存器，也就没有所谓的 ID，这里我们通过在模块上面，控制 R7/G7/B7 的上/下拉，来自定义 LCD 模块的 ID，帮助 MCU 判断当前 LCD 面板的分辨率和相关参数，以提高程序兼容性。其中LCD_BL是控制背光灯的，TP开头的是控制触摸屏的。

LCD屏幕时序

LCD时间参数 ：。HSYNC 是水平同步信号，也叫做行同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一行了，所以此信号都是在图的最左边。当 VSYNC 信号是垂直同步信号，也叫做帧同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一帧图像了，所以此信号在图的左上角。

以看到有一圈"黑边"，真正有效的显示区域是中间的白色部分。RGB LCD 屏幕内部是有一个 IC 的，发送一行或者一帧数据给 IC，IC 是需要反应时间的。通过这段反应时间可以让 IC 识别到一行数据扫描完了，要换行了，或者一帧图像扫描完了，要开始下一帧图像显示了。因此，在 LCD 屏幕中继续存在 HBP、HFP、VPB 和 VFP 这四个参数的主要目的是为了锁定有效的像素数据。当显示完一行以后会发出 HSYNC 信号，此时电子枪就会关闭，然后迅速的移动到屏幕的左边，当 HSYNC 信号结束以后就可以显示新的一行数据了，电子枪就会重新打开。在 HSYNC 信号结束到电子枪重新打开之间会插入一段延时，这段延时就图中的 HBP。当显示完一行以后就会关闭电子枪等待 HSYNC 信号产生，关闭电子枪到 HSYNC 信号产生之间会插入一段延时，这段延时就是图中的 HFP 信号。同理，当显示完一帧图像以后电子枪也会关闭，然后等到 VSYNC 信号产生，期间也会加入一段延时，这段延时就是图中的 VFP。 VSYNC 信号产生，电子枪移动到左上角，当 VSYNC 信号结束以后电子枪重新打开，中间也会加入一段延时，这段延时就是图中的 VBP。
LCD屏幕时序 ：

上面讲了行显示和帧显示，我们来看一下行显示对应的时序图

HSYNC：行同步信号，当此信号有效的话就表示开始显示新的一行数据；HSPW：有些地方也叫做 thp，是 HSYNC 信号宽度，也就是 HSYNC 信号持续时间。HSYNC 信号不是一个脉冲，而是需要持续一段时间才是有效的；HBP和HFP：前面已经说了；HOZVAL：有些地方叫做 thd，显示一行数据所需的时间，假如屏幕分辨率为 1024*600，那么 HOZVAL 就是 1024；所以显示一行所需要的时间就是：HSPW + HBP + HOZVAL + HFP。

一帧图像就是由很多个行组成的，RGB LCD 的帧显示时序如图

以上单位都是1行的时间，因此行显示一致，显示一帧所需要的时间就是：VSPW+VBP+LINE+VFP 个行时间。因此显示一帧数据所需要的时间为：T = (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)

单片机eLCDIF接口

eLCDIF 是 I.MX6U 自带的液晶屏幕接口，用于连接 RGB LCD 接口的屏幕

①、支持 RGB LCD 的 DE 模式。

②、支持 VSYNC 模式以实现高速数据传输。

③、支持 ITU-R BT.656 格式的 4:2:2 的 YCbCr 数字视频，并且将其转换为模拟 TV 信号。

④、支持 8/16/18/24/32 位 LCD。

具体的逻辑配置不做详细描述，需要裸机驱动的话可以参考芯片手册。

Linux 下 LCD 驱动简析

Framebuffer 设备

裸机的时候 LCD 驱动是怎么编写的，裸机 LCD 驱动编写流程如下：

①、初始化 I.MX6U 的 eLCDIF 控制器，重点是 LCD 屏幕宽(width)、高(height)、hspw、 hbp、hfp、vspw、vbp 和 vfp 等信息。

②、初始化 LCD 像素时钟。

③、设置 RGBLCD 显存。

④、应用程序直接通过操作显存来操作 LCD，实现在 LCD 上显示字符、图片等信息。

在 Linux 中应用程序最终也是通过操作 RGB LCD 的显存来实现在 LCD 上显示字符、图片等信息。在裸机中我们可以随意的分配显存，但是在 Linux 系统中内存的管理很严格，显存是需要申请的，不是你想用就能用的。而且因为虚拟内存的存在，驱动程序设置的显存和应用程序访问的显存要是同一片物理内存。为了解决上述问题，Framebuffer 诞生了， Framebuffer 翻译过来就是帧缓冲，简称 fb，因此大家在以后的 Linux 学习中见到"Framebuffer"或者"fb"的话第一反应应该想到 RGBLCD 或者显示设备。fb 是一种机制，将系统中所有跟显示有关的硬件以及软件集合起来，虚拟出一个 fb 设备，当我们编写好 LCD 驱动以后会生成一个名为/dev/fbX(X=0~n)的设备，应用程序通过访问/dev/fbX 这个设备就可以访问 LCD。关于 fb 的详细处理过程就不去深究了，我们的重点是驱动 LCD。

设备树配置

NXP 官方的设备树已经添加了 LCD 设备节点，只是此节点的 LCD 屏幕信息是针对 NXP 官方 EVK 开发板所使用的 4.3 寸 480*272 编写的，我们需要将其改为我们所使用的屏幕参数。
我们简单看一下 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，可以看出 lcdif 节点的 compatible 属性值为"fsl,imx6ul-lcdif"和" fsl,imx28-lcdif"，因此在 Linux 源码中搜索这两个字符串即可找到 I.MX6ULL 的 LCD 驱动文件，这个文件为 drivers/video/fbdev/mxsfb.c。
可以看出该文件是一个标准的 platform 驱动，当驱动和设备匹配以后 mxsfb_probe 函数就会执行。
Linux 内核将所有的 Framebuffer 抽象为一个叫做 fb_info 的结构体，fb_info 结构体包含了 Framebuffer 设备的完整属性和操作集合，因此每一个 Framebuffer 设备都必须有一个 fb_info。换言之就是，LCD 的驱动就是构建 fb_info，并且向系统注册 fb_info 的过程。
mxsfb_probe 函数实现非常负责，如果不从事LCD驱动相关工作的话没必要了解那么深入，这里我们就简单了解一下 Linux 下 Framebuffer 驱动的框架。

设备树配置

c 复制代码

pinctrl_lcdif_dat: lcdifdatgrp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_LCD_DATA00__LCDIF_DATA00  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA01__LCDIF_DATA01  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA02__LCDIF_DATA02  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA03__LCDIF_DATA03  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA04__LCDIF_DATA04  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA05__LCDIF_DATA05  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA06__LCDIF_DATA06  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA07__LCDIF_DATA07  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA08__LCDIF_DATA08  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA09__LCDIF_DATA09  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA10__LCDIF_DATA10  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA11__LCDIF_DATA11  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA12__LCDIF_DATA12  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA13__LCDIF_DATA13  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA14__LCDIF_DATA14  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA15__LCDIF_DATA15  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA16__LCDIF_DATA16  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA17__LCDIF_DATA17  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA18__LCDIF_DATA18  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA19__LCDIF_DATA19  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA20__LCDIF_DATA20  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA21__LCDIF_DATA21  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA22__LCDIF_DATA22  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_DATA23__LCDIF_DATA23  0x49
	>;
};
pinctrl_lcdif_ctrl: lcdifctrlgrp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_LCD_CLK__LCDIF_CLK	    0x49
		MX6UL_PAD_LCD_ENABLE__LCDIF_ENABLE  0x49
		MX6UL_PAD_LCD_HSYNC__LCDIF_HSYNC    0x49
		MX6UL_PAD_LCD_VSYNC__LCDIF_VSYNC    0x49
	>;
};
pinctrl_pwm1: pwm1grp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_GPIO1_IO08__PWM1_OUT   0x110b0
	>;
};

c 复制代码

&lcdif {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_lcdif_dat
	     &pinctrl_lcdif_ctrl>;
/*		     &pinctrl_lcdif_reset>;  */
display = <&display0>;
status = "okay";
display0: display {
	bits-per-pixel = <24>;
	bus-width = <24>;
	display-timings {
		native-mode = <&timing0>;
		timing0: timing0 {
			clock-frequency = <51200000>;
			hactive = <1024>;
			vactive = <600>;
			hfront-porch = <160>;
			hback-porch = <140>;
			hsync-len = <20>;
			vback-porch = <20>;
			vfront-porch = <12>;
			vsync-len = <3>;
			hsync-active = <0>;
			vsync-active = <0>;
			de-active = <1>;
			pixelclk-active = <0>;
			};
		};
	};
};

c 复制代码

&pwm1 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_pwm1>;
	status = "okay";
};
backlight {
	compatible = "pwm-backlight";
	pwms = <&pwm1 0 5000000>;
	brightness-levels = <0 4 8 16 32 64 128 255>;
	default-brightness-level = <6>;
	status = "okay";
};

以上便是对LCD设备树的展示，需要配置好LCD所需要用到的数据引脚，控制引脚以及背光引脚，随后需要对lcd屏幕的相关参数进行设置，并配置好背光引脚，但是linux系统并不知道pwm1_out就是对应LCD的背光引脚，这里我们需要参考设备树绑定文档Documentation/devicetree/indings/video/backlight/pwm-backlight.txt 这个文档，此文档详细讲解了 backlight 节点该如何去创建。

LCD相关系统设置

将前面设备树小节所修改的文件编译生成新的设备树文件，
Linux 内核启动的时候可以选择显示小企鹅 logo，只要这个小企鹅 logo 显示没问题那么我们的 LCD 驱动基本就工作正常了，我们可以通过图形化界面使能 Linux logo 显示。
设置 LCD 作为终端控制台
重启开发板，进入 Linux 命令行，重新设置 bootargs 参数的 console 内容，命令如下所示：
c 复制代码
```
setenv bootargs 'console=tty1 console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.250: /home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs ip=192.168.1.251:192.168.1.250:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0: off'
```
打开开发板根文件系统中的/etc/inittab 文件，在里面加入下面这一行：
c 复制代码
```
tty1::askfirst:-/bin/sh
```
修改完成后重启开发板即可。

后续

本文对LCD驱动进行了基本的讲解，主要是讲解了LCD的基本工作原理，以及如何修改LCD的设备树使其适应不同的LCD，对LCD的framebuffer没有深入讲解，需要深入研究的时候会继续更新此文。

参考文献

个人专栏系列文章
正点原子嵌入式驱动开发指南
对代码有兴趣的同学可以查看链接https://github.com/NUAATRY/imx6ull_dev