基于嵌入式ARM的LCD圖像顯示系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)鍵詞： arm , LCD , 嵌入式 , 圖像 , 顯示系統(tǒng)

隨著嵌入式技術(shù)迅猛發(fā)展和Linux在信息行業(yè)中廣泛應(yīng)用，利用嵌入式Linux系統(tǒng)實現(xiàn)圖像采集處理已有可能。實時獲得圖像數(shù)據(jù)是實現(xiàn)這些應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。本文使用的系統(tǒng)硬件平臺采用Samsung公司的處理器S3C2410，并以此為基礎(chǔ)，在基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺上設(shè)計了建立圖像視頻的一種方法。  

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計  

S3C2410芯片處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16 kB的指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache、LCD(液晶顯示器)控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的定時器、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2個USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達203 MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，本平臺配置了64 MB的Flash和64 MB、32位的SDRAM，以支持操作系統(tǒng)和液晶屏顯示運算的需要。  

  
S3C2410內(nèi)置有液晶屏控制器，可以支持最大256 k色TFT彩色液晶屏、最大4 k色STN彩色液晶屏。考慮到本系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D像顯示的要求相對較高，故采用8英寸640×480 TFT液晶屏(型號為LQ080V3DG01)。LQ080V3DG01要求其電源電壓Vdd典型值為3.3 V/5 V，并且LCD數(shù)據(jù)和控制信號的高電平輸入電壓Vih最小值為2.3 V，所以本系統(tǒng)直接使用S3C2410的控制口線與它相連，而沒有設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路。具體的電路連接如圖1所示。芯片工作模式為16位色(5：6：5)。  

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計  

2.1 Linux操作系統(tǒng)  

本視頻顯示系統(tǒng)的軟件以嵌入式Linux為基礎(chǔ)。Linux是免費運行、快速高效的操作系統(tǒng)。在過去的幾年中，基于開源組織的Linux系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展。Linux操作系統(tǒng)雖然不是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，但是其模塊化的結(jié)構(gòu)使得用戶可以對其方便地進行配置，去除用戶系統(tǒng)不需要的模塊以減小系統(tǒng)的開銷，可以做到幾百k大小。綜合考慮系統(tǒng)的功能和可擴展性以及系統(tǒng)的運行速度，本方案中的嵌入式Linux所采用的內(nèi)核版本是kernel-2.4.18。  

在向基于S3C2410的硬件平臺上安裝嵌入式Linux操作系統(tǒng)μCLinux后，為了使LCD能正常顯示，還需要在μCLinux系統(tǒng)下開發(fā)LCD的驅(qū)動程序。  

2．2 Framebuffer設(shè)備驅(qū)動  

幀緩沖(Framebuffer)是出現(xiàn)在Linux2.2.xx內(nèi)核中的一種驅(qū)動程序接口，該設(shè)備提供了LCD控制器的抽象描述。它同時代表了LCD控制器上的顯存，應(yīng)用程序通過定義好的接口可以訪問LCD控制器，而不需要知道底層的任何操作。本系統(tǒng)通過幀緩沖實現(xiàn)LCD驅(qū)動程序的開發(fā)工作。  

該設(shè)備使用特殊的設(shè)備節(jié)點，是一個字符設(shè)備，其主設(shè)備號是29，次設(shè)備號定義幀緩沖個數(shù)。從用戶角度看，幀緩沖設(shè)備和其他位于/dev下面的設(shè)備類似。  

幀緩沖的顯示緩沖區(qū)位于μCLinux中核心態(tài)地址空間，而在μCLinux中，每個應(yīng)用程序都有自己的虛擬地址空間，在應(yīng)用程序中是不能直接訪問物理緩沖區(qū)地址的。為此，μCLinux提供了mmap函數(shù)，可將文件的內(nèi)容映射到應(yīng)用程序空間。對于幀緩沖設(shè)備，則可通過映射操作，將屏幕緩沖區(qū)的物理地址映射到應(yīng)用程序空間的一段虛擬地址中，之后就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上繪圖。幀緩沖中內(nèi)存塊分布如圖2所示。  

  
幀緩沖設(shè)備是一種普通的內(nèi)存設(shè)備，支持直接讀寫其內(nèi)容。支持使用read()，write()，seek()以及mmap()函數(shù)。不同之處是幀緩沖的內(nèi)存不是所有內(nèi)存區(qū)，而是LCD控制器專用的那部分內(nèi)存。/dev/fb*允許使用ioctl操作，通過ioctl可以讀取或設(shè)定設(shè)備參數(shù)。顏色映射表也通過ioctl設(shè)定。下面是ioctl和本系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分：  

a)獲取設(shè)備一些不變的信息，如設(shè)備名，屏幕的組織對應(yīng)內(nèi)存區(qū)的長度和起始地址。  
b)獲取可以發(fā)生變化的信息，例如位深、顏色格式、時序等，如果改變這些值，驅(qū)動程序?qū)χ颠M行優(yōu)化，以滿足設(shè)備特性。  
c)獲取或設(shè)定部分顏色表。  

但在實際系統(tǒng)運用時，使用read、write函數(shù)在讀或?qū)懼俺掷m(xù)地尋址將會導致很多開銷?；窘鉀Q方法是映射屏幕內(nèi)存。當屏幕內(nèi)存被映射到應(yīng)用程序時，將得到一個直接指向屏幕內(nèi)存的指針。  

在本系統(tǒng)和其他類似運用中，首先要從新得到的幀緩沖設(shè)備取回信息。幀緩沖設(shè)備在很大程度上依靠：Stnlct fb_var_screeninfo；Struct fb_fix_screeninfo；Struct fb_info這3個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們在include/linux/fb.h中聲明。第1個結(jié)構(gòu)是用來描述圖形卡的特性，通常由用戶設(shè)置；第2個結(jié)構(gòu)定義了圖形卡的硬件特性，是不能改變的，在選定了LCD控制器和顯示器后，它的硬件特性也就定下來了；第3個結(jié)構(gòu)定義了當前圖形卡幀緩沖設(shè)備的獨立狀態(tài)。  

2．3 幀緩沖驅(qū)動程序的實現(xiàn)  

與一般應(yīng)用類似，在本系統(tǒng)實現(xiàn)中，應(yīng)用程序主要通過下面3種方式實現(xiàn)內(nèi)核對幀緩沖的控制。  

a)讀/寫/dev/fb：相當于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。  
b)映射(map)操作：通過映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)，在屏幕上繪圖。  
c)I/O控制：對于幀緩沖設(shè)備，設(shè)備文件的ioctl操作可讀取顯示設(shè)備及屏幕的參數(shù)，如分辨率、顯示顏色數(shù)、屏幕大小等。ioctl操作是由底層的驅(qū)動程序來完成的。  

因此，幀緩沖驅(qū)動要完成的工作還包括：分配顯存的大小、初始化LCD控制寄存器、設(shè)置修改硬件設(shè)備相應(yīng)的var信息和fix信息。  
在μClinux中，由于幀緩沖設(shè)備是字符設(shè)備，應(yīng)用程序需按文件的方式打開一個幀緩沖設(shè)備，對幀緩沖設(shè)備進行讀、寫等操作。在上文中已經(jīng)介紹了幀緩沖設(shè)備的地址空間問題，對于操作系統(tǒng)來說，讀、寫幀緩沖設(shè)備就是對物理地址空間進行數(shù)據(jù)讀寫。所以，讀寫幀緩沖設(shè)備最主要就是獲取幀緩沖設(shè)備在內(nèi)存中的物理地址空間以及相應(yīng)LCD的一些特性。  

圖3反映了應(yīng)用程序如何寫幀緩沖設(shè)備來顯示圖形的全過程。  

  
在了解了上面所述的概念后，編寫幀緩沖驅(qū)動的實際工作并不復雜，針對本系統(tǒng)主要有以下工作。  

a)編寫初始化函數(shù)。初始化函數(shù)首先初始化LCD控制器，通過寫寄存器設(shè)置顯示模式和顯示顏色數(shù)，然后分配LCD顯示緩沖區(qū)。在Linux可通過kmal-loc函數(shù)分配一片連續(xù)的空間。本文采用的LCD顯示方式為640×480，通過ARM芯片和TFT控制器硬件連接方式可知，其顯示模式為16位，需要分配的顯示緩沖區(qū)分別為640×480×16/8=600 kB。緩沖區(qū)通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制器寄存器中。最后是初始化一個fb_info結(jié)構(gòu)，填充其中的成員變量，并調(diào)用register_Framebuffer(&fb_info)，將fb_info登記入內(nèi)核。  
b)編寫結(jié)構(gòu)fb_info中函數(shù)指針fb_ops對應(yīng)的成員函數(shù)對于嵌入式系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)，設(shè)置了下列3個函數(shù)以滿足要求：  

struct fb_ops在fb.h中定義。這些函數(shù)都是用來設(shè)置/獲取fb_info結(jié)構(gòu)中的成員變量的。當應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進行ioctl操作時會調(diào)用它們，例如，對于fb_get_fix()，應(yīng)用程序傳人的是fb_fix_screen info結(jié)構(gòu)，在函數(shù)中對其成員變量賦值，主要是smem-start(緩沖區(qū)起始地址)和smem-len(緩沖區(qū)長度)，最終返回給應(yīng)用程序。而fb_set_var()函數(shù)的傳人參數(shù)是fb_var_screen info，函數(shù)中需要對xres，yfes，和bits_per_pixel賦值。  

賦值時需注意，根據(jù)本系統(tǒng)硬件特性，LCD的16位為(5：6：5)，亦即：紅色5位(bits[11：15])，綠色6位(bits[5：10])，藍色5位(bits[0：4])。也就是說，LCD最大支持32種紅色、64種綠色、32種藍色的混合顯示。  

至此，顯示驅(qū)動開發(fā)工作已經(jīng)基本告畢。以本系統(tǒng)為例，如要顯示一個像素，只要通過如下步驟：  

由此便可以在LCD屏上逐一顯示每個像素，進而顯示整幅圖像。  

圖4是在所建立系統(tǒng)的LCD屏上顯示代表東南大學的"SEU"3個英文字母，其中"s"為純紅色(31，0，0)，"E"為純綠色(0，63，0)，"U"為純藍色(0，0，31)，而底色為純白色(31，63，31)。  

  
3 結(jié)束語  

由于嵌入式系統(tǒng)能保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性和運行的可靠性，目前廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。本文設(shè)計的圖像顯示系統(tǒng)可以作為安全監(jiān)控、工業(yè)檢測、遠程操作等應(yīng)用的基礎(chǔ)。從開發(fā)實例表明，嵌入式Linux系統(tǒng)在圖像采集及處理方面，不但在開發(fā)過程中簡捷高效，而且在現(xiàn)場應(yīng)用中也具有靈活多變的優(yōu)勢，在機器人監(jiān)控系統(tǒng)、工控圖像采集定位、遠程教學等應(yīng)用中有廣闊的發(fā)展空間。