摘要：以飛思卡爾半導體的MX51為系統(tǒng)硬件平臺，給出了高清嵌入式產品中DVI視頻顯示接口的實現(xiàn)方案；通過處理器的LCD1接口，外擴TFP 410芯片實現(xiàn)DVI視頻輸出；分析了framebuffer的實現(xiàn)機制及其在驅動中的應用；詳細講述Linux2．6．28內核下基于framebuffer開發(fā)DVI驅動的方法及步驟。該設計應用于高清機頇盒等產品中，效果良好。
關鍵詞：Linux；設備驅動；DVI；framebuffer；MX51

引言
    DVI是Digital VisualInterface(數字視頻接口)的縮寫。在嵌入式電子領域，像DVI這樣的高清接口應用越來越多，很多嵌入式產品采用H．264視頻編碼技術，支持播放H．264格式的720P分辨率的視頻文件，這就需要至少1024×768分辨率的顯示輸出設備。
    MX51是飛思卡爾半導體的基于ARM Cortex-A8內核的高端ARM嵌入式多媒體處理器，支持720P視頻多種格式的硬解碼，可以用來開發(fā)高清機頂盒、上網本等產品，很多情況下需要集成DVI這樣的高清視頻端子。
    在嵌入式電子產品中，Linux操作系統(tǒng)占有越來越多的市場份額。本文采用Linux2．6．28內核和MX51作為系統(tǒng)的軟、硬件平臺，詳細論述了基于framebtffer技術開發(fā)DVI顯示驅動程序的方法。

1 DVI概述
    DVI接口只在一些高端顯示器上可以看到，一般常見的液晶顯示器只有VGA接口。VGA接口顯示的是模擬信號，而DVI接口顯示的是數字信號，它傳輸沒有經過壓縮的數字信號，最高速率可達4．9 Gbps，對高清視頻顯示可以達到較好的保真度，減少模擬信號傳輸時的信號損失。
    DVI基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，轉換最小差分信號)技術來傳輸數字信號，TMDS運用先進的編碼算法把8位數據(R、G、B中的每路基色信號)通過最小轉換編碼為10位數據(包含行場同步信息、時鐘信息、數據DE、糾錯等)，經過DC平衡后，采用差分信號傳輸數據。DVI和LVDS、TTL相比有較好的電磁兼容性能，可以用低成本的專用電纜實現(xiàn)長距離、高質量的數字信號傳輸。

2 硬件接口
    本設計采用的硬件平臺是基于飛思卡爾半導體的MX51多媒體應用處理器開發(fā)板。該處理器集成了多種外設接口，其中包括兩個液晶顯示控制器(LCDC)及其接口，可以連接各類LCD，分辨率最大支持1280×800像素。通過MX51的LCD1接口，外擴德州儀器公司的TFP410芯片實現(xiàn)DVI視頻輸出，MX51的高清720P視頻解碼能力需要較大分辨率的顯示輸出設備。圖1為MX51的LCD1接口與TFP410的連接圖。

    圖1中的TX2±、TX1±、TX0±、TXC±信號是DVI視頻輸出信號4對，8個信號。DATA[23：0]是視頻數據輸入信號，對應MX51 LCD1的DATA[23：0]；DE、VSYNC、HSYNC、IDCK±等時鐘信號分別對應LCD1的相應的引腳。SCL、SDA是I2C總線時鐘和數據信號，接MX51 I2C接口的2個引腳。以上硬件電路連接，可實現(xiàn)MX51輸出高清視頻到DVI芯片，再通過外接LCD顯示。MX51處理器內部集成的LCD控制器包括如下主要寄存器：
    ①LSSAR寄存器。設置顯示緩沖區(qū)的首地址。
    ②LSR寄存器。設置顯示緩沖區(qū)的大小。
    ③LPCR寄存器。設置像素時鐘頻率PCD、同步時鐘極性FB_SYNC_CLK_INVERT、OE信號極性FB_SYNC_OE_ACT_HIGH、垂直信號時鐘極性FB_SY NC_VERT_HIGH_ACT、水平信號時鐘極性FB_SYNC_HOR_HIGH_ACT。
    ④LHCR寄存器。設置行同步信號的hsync_len、left_margin和right_margin。
    ⑤LVCR寄存器。設置幀同步信號的vsync_len、upper_margin和lower_margin。
    ⑥LPCCR寄存器。設置屏幕的顯示亮度，LPCCR的低8位控制PWM的脈沖高電平占空比，調節(jié)范圍為0x00～0xFF。
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3 Linux的幀緩沖設備
3．1 framebuffer機制
    framebuffer(幀緩沖)是出現(xiàn)在Linux2．2．xx之后版本內核的一種驅動程序接口，在Linux體系中它居于上層應用程序和底層顯示設備之間。framebuffer屏蔽了不同顯示設備間的差異，將顯示設備抽象為幀緩沖區(qū)，它是一種供用戶態(tài)實現(xiàn)直接寫屏的抽象設備。framebuffer可
以看成是顯存的一個映像，用戶通過內存映射將其映射到進程的地址空間后，通過對顯示緩沖區(qū)的讀寫操作可直接控制LCD的屏幕輸出。
    frameBuffer設備驅動主要基于linux／include／linux／fb．h和linux／drivers／video／fbmem．c這兩個文件。fb．h中包含了與幀緩沖設備相關的重要的數據結構。fbmem．c是framebuffer機制的核心程序，它為上層應用程序提供了通用接口，同時也為下層特定硬件提供了接口。其內的函數可對具體硬件進行操作，比如對寄存器進行設置，對顯示緩沖進行映射等。
3．2 幾個重要的數據結構
    (1)struct fb_info
    這個結構是Linux為幀緩沖區(qū)設備定義的驅動層接口，它包含了關于幀緩沖設備屬性和操作的完整描述，部分成員定義如下：
   
    其中，var記錄用戶可以修改的顯示控制器參數，包括屏幕分辨率和每個像素的位寬等；fix記錄用戶不能修改的顯示控制器參數；cmap為當前的顏色表；fbops指向對底層硬件操作的函數集；dev表示幀緩沖設備；screen_base為I／O映射的虛擬基地址。
    (2)struct fb_ops
    該結構提供了指向底層操作的函數指針，其成員函數最終與LCD控制器硬件打交道，這些函數需要驅動開發(fā)者根據LCD控制器的硬件設置及LCD顯示屏的硬件參數進行設計。該結構部分成員定義如下：
   
    其中，fb_check_var用于檢查可變的屏幕參數，并調整其為硬件支持的值；fb_set_par根據屏幕參數設置具體讀寫LCD控制器的寄存器以使其進入相應的工作狀態(tài)，fb_setcolreg設置color寄存器來實現(xiàn)偽顏色表和顏色表的填充。
    (3)struct fb_var_screeninfo
    這是fb_info的成員結構體。它記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的可修改信息，包括屏幕分辨率、每個像素的位寬、幀延時、行延時等。
    (4)struct fb_fix_screeninfo
    這是fb_info的成員結構體，它描述顯示卡的屬性，并且在系統(tǒng)運行時不能被修改，例如緩沖區(qū)的首地址、長度等。當一種模式被設定后，內存信息由顯示卡硬件給出，內存的位置等信息就不可修改。
    MX51將LCD控制器直接嵌入到處理器芯片內部，這為嵌入式系統(tǒng)關于顯示功能的擴展提供了直接接口。LCD控制器驅動是DVI設備驅動的核心，它是一個標準的framebuffer設備驅動。設計驅動程序，首要的是配置LCD控制器，設置幀緩沖區(qū)，這在很大程度上要依賴于上述的數據結構，驅動設計需填寫相關結構體并完成系統(tǒng)指定的接口函數。
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4 DVI驅動程序設計
4．1 平臺驅動
    從Linux2．6起引入了一套新的驅動管理和注冊機制：platform_device和platform_driver。
    設備用platform_device表示，驅動用platform_driver注冊。平臺設備包括基于端口的設備、外圍總線和集成在片上系統(tǒng)中的大多數控制器，作為MX51片上的獨立硬件模塊。LCD控制器是一個平臺設備，因此驅動設計中需包含平臺驅動。平臺驅動的任務是向系統(tǒng)注冊用到的設備，此處包括MX51的LCD控制器和TFP410 DVI視頻輸出芯片，使得設備驅動加載時可以從系統(tǒng)中查詢到相應的設備是已注冊的狀態(tài)，然后執(zhí)行設備驅動程序中的probe函數。
    在arch／arm／mach-mx51／rex51_3stack．C中，沒置platform_device結構變量mxc_fb_device和i2c_board_info。結構變量mxc_i2cl_ board_info定義LCD控制器和TFP410設備。
    調用函數platform_device_register(＆mxc_fb_device)和i2c_register_board_info(1，mxc_i2cl_board_info，ARRAY_SIZE(mxc_i2cl_ board_info))向系統(tǒng)注冊以上設備。
4．2 設備驅動
4．2．1 LCD控制器驅動
    LCD控制器驅動是一個標準的幀緩沖設備驅動。首先在drivers／video／mxc／mxc_ipuv3_fb．c中定義全局結構變量mxcfb_driver：
   
    然后，在驅動入口函數mxcfb_init(void)中調用platform_driver_register(＆mxcfb_driver)注冊驅動，當驅動加載成功后，會自動調用探測函數mxcfb_probe。
    mxcfb_probe是驅動設計中的重要函數。主要負責初始化硬件。申請中斷、分配framebuffer所需的內存、注冊幀緩沖設備等，以下是與framebuffer相關的操作。
    ①調用mxcfb_init_fbinfo(＆pdev->dev，＆mxcfb_ops)函數，在其內通過framebuffer_alloc函數，為mx51幀緩沖信息結構體struct mxcfb_info分配所需空間。參數mxcfb_ops的定義如下：
   
    mxcfb_ops定義了指向底層操作的一系列函數，這些函數針對MX51幀緩沖操作，是framebuffer核心驅動操作的具體實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
    ②初始化幀緩沖信息結構體fb_info的固定和可變參數，填充fb_var_screeninfo var和fb_fix_screeninfo fix成員。
定義fbi為struct fb_info類型的指針，通過fbi->fbops=＆mxcfb_ops語句，將已定義的文件操作接口mxcfb_ops賦予fb-info結構的fbops成員。
    調用mxcfb_check_var(＆fbi->var，fbi)函數，檢查和調整fb_info結構中變量var的值。var是一個struct fb_var_screeninfo類型的變量，表示顯示控制器參數，其中與顯示輸出狀態(tài)有關的信息，如屏幕分辨率等將在后面的DVI驅動中設置。
    調用mxcfb_set_fix(fbi)函數，用于填充一個struct fb_fix_screeninfo結構變量fbi->fix，它描述了顯示輸出設備自身的屬性。
    ③調用register_framebuffer(fbi)函數，注冊幀緩沖驅動程序，該函數只有一個參數，即前面已定義的、指向struct fb_info結構的指針fbi。
4．2．2 DVI設備驅動
    LCD控制器將DVI芯片作為它所連接的顯示外設，在完成LCD控制器驅動后還需編寫DVI設備驅動。在文件drivers／video／mxc／mxcfb_ dvi．c中定義驅動結構體：
   
    然后，在外設驅動入口函數dvi_init(void)中調用platform_driver_regtster(＆dvi_driver)注冊DVI驅動，驅動加載后，系統(tǒng)自動調用探測函數dvi_probe，該函數主要實現(xiàn)以下操作：一是指定framebuffer設備，由于MX51IPU(圖像處理單元)支持多個framebuffer設備，此處要確定DVI究竟使用Mx51 IPU framebuffer的哪一個設備；二是填充fb_var_screeninfo結構變量var中有關顯示輸出狀態(tài)的信息，如屏幕的顯示分辨率、畫面位置等，為此在程序中定義結構數組video_modes：
   
    結構struct fb_videomode用于描述顯示輸出狀態(tài)，調用函數“fb_videomode_to_var(＆var，＆video_modes[0])”將屏幕顯示參數轉換為var結構變量的相關成員，由于var的部分成員值已在前面LCD控制器驅動中確定，此處完成了對var全部成員的設置。
    一個frambuffer設備由一個struct fb_info結構表示，本設計用fb_info結構的全局變量regtstered_fb表示系統(tǒng)注冊的frambuffer設備，驅動程序的主要任務之一是填充這個結構變量。LCD控制器驅動與DVI外設驅動之間的信息傳遞，通過該全局變量實現(xiàn)。

5 DVI驅動測試
    首先，通過顯示一幅圖片測試DVI輸出是否正常。通過轉換工具(如Image21cd)把一幅1024×768大小的jpg圖片轉換為RGB 888分辨率、1024x 768的RGB格式的二進制圖片。然后鍵入命令：cp pic．bin／dev／fb0，此時圖片顯示于屏幕上。接下來，再使用MX51的視頻解碼測試程序播放一個720P的視頻H．264文件，可以看到視頻播放清晰流暢，效果很好。

結語
    經測試，DVI驅動程序在MX51平臺上成功實現(xiàn)。framebuffer是Linux提供給用戶的一個直接面向顯示緩沖區(qū)的接口，本設計是一個面向應用的framebuffer驅動，文中給出了DVI驅動的整體架構，對主要模塊的設計思想和實現(xiàn)方法進行了詳細的介紹。