Linux 驱动开发入门:LCD 驱动与内核机制详解

Linux 驱动开发入门:LCD 驱动与内核机制详解

本文面向初学者,从最基础的 LCD 屏幕驱动编写 讲起,逐步带你理解 framebuffer 框架、内核空间与用户空间、内核链表、file_operations、内存分配与信号处理 等核心知识。

整理自原始学习笔记,进行了扩展和补充,力求深入浅出


一、什么是 LCD 驱动?

1.1 硬件与驱动的关系

  • LCD 控制器:硬件模块,负责向 LCD 屏幕输出信号。
  • LCD 驱动:运行在内核态的代码,负责初始化控制器、分配显存、提供用户空间访问接口。
  • 应用程序 :运行在用户态,通过 ioctlwrite() 等方式访问驱动,从而在屏幕上显示图像。

1.2 framebuffer 框架

Linux 提供了 framebuffer (fb) 框架,用来屏蔽底层硬件差异。

驱动开发者只需要实现 fb_info 结构体,注册 framebuffer 设备,应用程序即可通过 /dev/fb0 访问。


二、LCD 驱动开发基本流程

2.1 初始化 LCD

在驱动的 init 函数中完成:

  1. 配置 LCD 控制器寄存器(分辨率、时序、色彩格式等)。
  2. 开启电源管理(例如控制 GPIO 使能背光)。
  3. 分配显存(frame buffer),并映射给 framebuffer 框架。

示例(简化伪代码):

c 复制代码
static struct fb_info *my_lcd_info;

static int __init lcd_init(void) {
    // 1. 分配 fb_info
    my_lcd_info = framebuffer_alloc(0, NULL);

    // 2. 配置分辨率和颜色深度
    my_lcd_info->var.xres = 480;
    my_lcd_info->var.yres = 272;
    my_lcd_info->var.bits_per_pixel = 16;

    // 3. 分配显存并映射
    my_lcd_info->screen_base = dma_alloc_coherent(...);

    // 4. 注册 framebuffer
    register_framebuffer(my_lcd_info);

    printk("LCD driver loaded\n");
    return 0;
}

2.2 背光控制

LCD 屏幕通常需要单独控制背光。方法有:

  • 通过 GPIO 设置高低电平开启/关闭背光;
  • 或通过 PWM 控制亮度。

示例(GPIO 控制):

c 复制代码
gpio_direction_output(LCD_BACKLIGHT_PIN, 1); // 打开背光

2.3 调色板设置

对于 16 色 / 256 色模式,需要设置调色板(palette)。

fb_info 中有 pseudo_palette 用于存储颜色映射表。

示例:

c 复制代码
static int my_setcolreg(unsigned regno, unsigned red, unsigned green, unsigned blue,
                        unsigned transp, struct fb_info *info) {
    if (regno < 16) {
        ((u32 *)info->pseudo_palette)[regno] =
            (red & 0xff) << 11 | (green & 0xff) << 5 | (blue & 0xff);
    }
    return 0;
}

三、内核空间与用户空间

3.1 基本概念

  • 用户空间(User Space):应用程序运行区域,不能直接访问硬件。
  • 内核空间(Kernel Space):驱动和内核代码运行区域,有最高权限,可以直接访问寄存器/内存。

3.2 内核态与用户态切换

  • 系统调用(如 open()write())会让 CPU 从用户态切换到内核态,执行驱动的函数(file_operations)。
  • 这种切换需要保存上下文,开销比普通函数调用大。

四、file_operations 与设备模型

4.1 file_operations 结构

驱动中定义 文件操作函数 ,映射到 /dev 节点。

常见成员:

  • .open → 打开设备时调用
  • .release → 关闭设备时调用
  • .read → 从设备读数据
  • .write → 向设备写数据
  • .ioctl/unlocked_ioctl → 设备控制命令

示例:

c 复制代码
static struct file_operations lcd_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = lcd_open,
    .release = lcd_release,
    .write = lcd_write,
};

五、内存分配方式

Linux 内核中常用的内存分配函数:

  • kmalloc:分配小块内存(连续物理地址)。
  • vmalloc:分配较大内存(虚拟连续,但物理不一定连续)。
  • dma_alloc_coherent:分配适合 DMA 的物理连续内存(常用于显存)。

LCD 驱动通常用 dma_alloc_coherent 分配 framebuffer。


六、内核链表(list_head)

Linux 内核大量使用链表管理设备/任务。

  • 定义:struct list_head
  • 常见操作:list_add()list_del()list_for_each()

示例:

c 复制代码
struct my_device {
    int id;
    struct list_head list;
};
struct list_head device_list;

INIT_LIST_HEAD(&device_list);
list_add(&dev->list, &device_list);

七、用户空间与内核空间数据交互

用户传给内核的指针不能直接使用,必须通过拷贝函数:

  • copy_from_user() → 从用户空间拷贝数据到内核空间。
  • copy_to_user() → 从内核空间拷贝数据到用户空间。

示例:

c 复制代码
if (copy_from_user(kernel_buf, user_buf, size))
    return -EFAULT;

八、卸载驱动

在模块卸载函数中,必须:

  1. 注销 framebuffer 或字符设备。
  2. 释放显存。
  3. 释放 GPIO、时钟等硬件资源。

示例:

c 复制代码
static void __exit lcd_exit(void) {
    unregister_framebuffer(my_lcd_info);
    dma_free_coherent(...);
    printk("LCD driver unloaded\n");
}

九、总结

  1. LCD 驱动开发流程:初始化控制器 → 分配显存 → 注册 framebuffer → 控制背光。
  2. 内核与用户空间 :应用调用 open() / write() → 内核通过 file_operations 调用驱动函数。
  3. 内存管理:驱动开发常用 kmalloc/vmalloc/dma_alloc_coherent。
  4. 内核链表:统一管理内核对象,几乎无处不在。
  5. 数据交互 :必须通过 copy_from_user / copy_to_user
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