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。

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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 ioctl 或 write() 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。

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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）：

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;
}

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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）：

gpio_direction_output(LCD_BACKLIGHT_PIN, 1); // 打开背光

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2.3 调色板设置

对于 16 色 / 256 色模式，需要设置调色板（palette）。

在 fb_info 中有 pseudo_palette 用于存储颜色映射表。

示例：

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;
}

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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。

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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：

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

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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。

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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：

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);

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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：

if (copy_from_user(kernel_buf, user_buf, size))
    return -EFAULT;

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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：

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

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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。