高清嵌入式系統(tǒng)中的DVI驅(qū)動(dòng)開發(fā)

引言

DVI是Digital Visual Interface(數(shù)字視頻接口)的縮寫。在嵌入式電子領(lǐng)域，像DVI這樣的高清接口應(yīng)用越來越多，很多嵌入式產(chǎn)品采用H.264視頻編碼技術(shù)，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(shè)備。

MX51是飛思卡爾半導(dǎo)體的基于ARM CortexA8內(nèi)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(jī)頂盒、上網(wǎng)本等產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)核和MX51作為系統(tǒng)的軟、硬件平臺，詳細(xì)論述了基于framebuffer技術(shù)開發(fā)DVI顯示驅(qū)動(dòng)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(shù)字信號，它傳輸沒有經(jīng)過壓縮的數(shù)字信號，最高速率可達(dá)4.9 Gbps，對高清視頻顯示可以達(dá)到較好的保真度，減少模擬信號傳輸時(shí)的信號損失。

DVI基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，轉(zhuǎn)換最小差分信號)技術(shù)來傳輸數(shù)字信號，TMDS運(yùn)用先進(jìn)的編碼算法把8位數(shù)據(jù)(R、G、B中的每路基色信號)通過最小轉(zhuǎn)換編碼為10位數(shù)據(jù)(包含行場同步信息、時(shí)鐘信息、數(shù)據(jù)DE、糾錯(cuò)等)，經(jīng)過DC平衡后，采用差分信號傳輸數(shù)據(jù)。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(shí)現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號傳輸。

2　硬件接口

本設(shè)計(jì)采用的硬件平臺是基于飛思卡爾半導(dǎo)體的MX51多媒體應(yīng)用處理器開發(fā)板。該處理器集成了多種外設(shè)接口，其中包括兩個(gè)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(kuò)德州儀器公司的TFP410芯片實(shí)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(shè)備。圖1為MX51的LCD1接口與TFP410的連接圖。

圖1　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(gè)信號。DATA[23:0]是視頻數(shù)據(jù)輸入信號，對應(yīng)MX51 LCD1的DATA[23:0];DE、VSYNC、HSYNC、IDCK±等時(shí)鐘信號分別對應(yīng)LCD1的相應(yīng)的引腳。SCL、SDA是I2C總線時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號，接MX51 I2C接口的2個(gè)引腳。以上硬件電路連接，可實(shí)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(nèi)部集成的LCD控制器包括如下主要寄存器：

① LSSAR寄存器。設(shè)置顯示緩沖區(qū)的首地址。

② LSR寄存器。設(shè)置顯示緩沖區(qū)的大小。

③ LPCR寄存器。設(shè)置像素時(shí)鐘頻率PCD、同步時(shí)鐘極性FB_SYNC_CLK_INVERT、OE信號極性FB_SYNC_OE_ACT_HIGH、垂直信號時(shí)鐘極性FB_SYNC_VERT_HIGH_ACT、水平信號時(shí)鐘極性FB_SYNC_HOR_HIGH_ACT。

④ LHCR寄存器。設(shè)置行同步信號的hsync_len、left_margin和right_margin。

⑤ LVCR寄存器。設(shè)置幀同步信號的vsync_len、upper_margin和lower_margin。

⑥ LPCCR寄存器。設(shè)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(diào)節(jié)范圍為0x00～0xFF。

3　Linux的幀緩沖設(shè)備

3.1　framebuffer機(jī)制

framebuffer(幀緩沖)是出現(xiàn)在Linux2.2.xx之后版本內(nèi)核的一種驅(qū)動(dòng)程序接口, 在Linux體系中它居于上層應(yīng)用程序和底層顯示設(shè)備之間。framebuffer屏蔽了不同顯示設(shè)備間的差異,將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)，它是一種供用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)直接寫屏的抽象設(shè)備。framebuffer可以看成是顯存的一個(gè)映像，用戶通過內(nèi)存映射將其映射到進(jìn)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(shè)備驅(qū)動(dòng)主要基于linux/include/linux/fb.h和linux/drivers/video/fbmem.c 這兩個(gè)文件。fb.h中包含了與幀緩沖設(shè)備相關(guān)的重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。fbmem.c是framebuffer機(jī)制的核心程序，它為上層應(yīng)用程序提供了通用接口，同時(shí)也為下層特定硬件提供了接口。其內(nèi)的函數(shù)可對具體硬件進(jìn)行操作，比如對寄存器進(jìn)行設(shè)置，對顯示緩沖進(jìn)行映射等。

3.2　幾個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1) struct fb_info

這個(gè)結(jié)構(gòu)是Linux為幀緩沖區(qū)設(shè)備定義的驅(qū)動(dòng)層接口，它包含了關(guān)于幀緩沖設(shè)備屬性和操作的完整描述，部分成員定義如下：

struct fb_info{

……

struct fb_var_screeninfo var;

struct fb_fix_screeninfo fix;

struct fb_cmap cmap;

struct fb_ops *fbops;

struct device *dev;

char __iomem *screen_base;

……

}

其中，var記錄用戶可以修改的顯示控制器參數(shù)，包括屏幕分辨率和每個(gè)像素的位寬等;fix記錄用戶不能修改的顯示控制器參數(shù);cmap為當(dāng)前的顏色表;fbops指向?qū)Φ讓佑布僮鞯暮瘮?shù)集;dev 表示幀緩沖設(shè)備;screen_base為I/O映射的虛擬基地址。

(2) struct fb_ops

該結(jié)構(gòu)提供了指向底層操作的函數(shù)指針，其成員函數(shù)最終與LCD 控制器硬件打交道，這些函數(shù)需要驅(qū)動(dòng)開發(fā)者根據(jù)LCD 控制器的硬件設(shè)置及LCD顯示屏的硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)部分成員定義如下：

struct fb_ops {

……

ssize_t (*fb_read)(struct fb_info *info, char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos);//讀屏幕緩沖區(qū)

ssize_t (*fb_write)(struct fb_info *info, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos);//寫屏幕緩沖區(qū)

int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);

int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);

……

}

其中，fb_check_var用于檢查可變的屏幕參數(shù)，并調(diào)整其為硬件支持的值;fb_set_par根據(jù)屏幕參數(shù)設(shè)置具體讀寫LCD控制器的寄存器以使其進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，fb_setcolreg設(shè)置color寄存器來實(shí)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(jié)構(gòu)體，它記錄了幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息，包括屏幕分辨率、每個(gè)像素的位寬、幀延時(shí)、行延時(shí)等。

(4) struct fb_fix_screeninfo

這是fb_info的成員結(jié)構(gòu)體，它描述顯示卡的屬性，并且在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不能被修改，例如緩沖區(qū)的首地址、長度等。當(dāng)一種模式被設(shè)定后，內(nèi)存信息由顯示卡硬件給出，內(nèi)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(nèi)部，這為嵌入式系統(tǒng)關(guān)于顯示功能的擴(kuò)展提供了直接接口。LCD控制器驅(qū)動(dòng)是DVI設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的framebuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，首要的是配置LCD控制器,設(shè)置幀緩沖區(qū)，這在很大程度上要依賴于上述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需填寫相關(guān)結(jié)構(gòu)體并完成系統(tǒng)指定的接口函數(shù)。

4　DVI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4.1　平臺驅(qū)動(dòng)

從Linux2.6起引入了一套新的驅(qū)動(dòng)管理和注冊機(jī)制：platform_device和platform_driver。

設(shè)備用platform_device表示，驅(qū)動(dòng)用platform_driver注冊。平臺設(shè)備包括基于端口的設(shè)備、外圍總線和集成在片上系統(tǒng)中的大多數(shù)控制器，作為MX51片上的獨(dú)立硬件模塊。LCD控制器是一個(gè)平臺設(shè)備，因此驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中需包含平臺驅(qū)動(dòng)。平臺驅(qū)動(dòng)的任務(wù)是向系統(tǒng)注冊用到的設(shè)備，此處包括MX51的LCD控制器和TFP410 DVI視頻輸出芯片，使得設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載時(shí)可以從系統(tǒng)中查詢到相應(yīng)的設(shè)備是已注冊的狀態(tài)，然后執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的probe函數(shù)。

在arch/arm/mach?mx51/mx51_3stack.c中,設(shè)置platform_device結(jié)構(gòu)變量mxc_fb_device和i2c_board_info。結(jié)構(gòu)變量mxc_i2c1_board_info定義LCD控制器和TFP410設(shè)備。

調(diào)用函數(shù)platform_device_register(&mxc_fb_device)和i2c_register_board_info(1, mxc_i2c1_board_info,ARRAY_SIZE(mxc_i2c1_board_info))向系統(tǒng)注冊以上設(shè)備。

4.2　設(shè)備驅(qū)動(dòng)

4.2.1　LCD控制器驅(qū)動(dòng)

LCD控制器驅(qū)動(dòng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)。首先在drivers/video/mxc/mxc_ipuv3_fb.c中定義全局結(jié)構(gòu)變量mxcfb_driver：

static struct platform_driver mxcfb_driver={

.driver={

.name=MXCFB_NAME,

},

.probe=mxcfb_probe,

.remove=mxcfb_remove,

.suspend=mxcfb_suspend,

.resume=mxcfb_resume,

};

然后，在驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)mxcfb_init(void)中調(diào)用platform_driver_register(&mxcfb_driver)注冊驅(qū)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)加載成功后，會自動(dòng)調(diào)用探測函數(shù)mxcfb_probe。

mxcfb_probe是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的重要函數(shù)。主要負(fù)責(zé)初始化硬件。申請中斷、分配framebuffer所需的內(nèi)存、注冊幀緩沖設(shè)備等，以下是與framebuffer相關(guān)的操作。

① 調(diào)用mxcfb_init_fbinfo(&pdev?﹥dev, &mxcfb_ops)函數(shù),在其內(nèi)通過framebuffer_alloc函數(shù),為mx51幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體struct mxcfb_info分配所需空間。參數(shù)mxcfb_ops的定義如下：

static struct fb_ops mxcfb_ops={

.owner=THIS_MODULE,

.fb_set_par=mxcfb_set_par,

.fb_check_var=mxcfb_check_var,

.fb_setcolreg=mxcfb_setcolreg,

.fb_pan_display=mxcfb_pan_display,

……

};

mxcfb_ops 定義了指向底層操作的一系列函數(shù)，這些函數(shù)針對MX51幀緩沖操作，是framebuffer核心驅(qū)動(dòng)操作的具體實(shí)現(xiàn)。

② 初始化幀緩沖信息結(jié)構(gòu)體fb_info的固定和可變參數(shù)，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(jié)構(gòu)的fbops成員。

調(diào)用mxcfb_check_var(&fbi?﹥var, fbi)函數(shù)，檢查和調(diào)整fb_info結(jié)構(gòu)中變量var的值。var是一個(gè)struct fb_var_screeninfo類型的變量，表示顯示控制器參數(shù)，其中與顯示輸出狀態(tài)有關(guān)的信息，如屏幕分辨率等將在后面的DVI驅(qū)動(dòng)中設(shè)置。

調(diào)用mxcfb_set_fix(fbi)函數(shù)，用于填充一個(gè)struct fb_fix_screeninfo結(jié)構(gòu)變量fbi?﹥fix,它描述了顯示輸出設(shè)備自身的屬性。

③ 調(diào)用register_framebuffer(fbi)函數(shù)，注冊幀緩沖驅(qū)動(dòng)程序，該函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，即前面已定義的、指向struct fb_info結(jié)構(gòu)的指針fbi。

4.2.2DVI設(shè)備驅(qū)動(dòng)

LCD控制器將DVI芯片作為它所連接的顯示外設(shè)，在完成LCD控制器驅(qū)動(dòng)后還需編寫DVI設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在文件drivers/video/mxc/mxcfb_dvi.c中定義驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體：

static struct platform_driver dvi_driver={

.driver={

.name="dvi_tfp410"},

.probe=dvi_probe,

.remove=__devexit_p(dvi_remove),

.suspend=dvi_suspend,

.resume=dvi_resume,

};

然后，在外設(shè)驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)dvi_init(void)中調(diào)用platform_driver_register(&dvi_driver)注冊DVI驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)加載后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用探測函數(shù)dvi_probe，該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)以下操作：一是指定framebuffer設(shè)備，由于MX51 IPU(圖像處理單元)支持多個(gè)framebuffer設(shè)備，此處要確定DVI究竟使用MX51 IPU framebuffer的哪一個(gè)設(shè)備;二是填充fb_var_screeninfo結(jié)構(gòu)變量var中有關(guān)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(jié)構(gòu)數(shù)組video_modes：

static struct fb_videomode video_modes[]={

{

/*1024×768 @ 60 Hz,像素時(shí)鐘頻率為33 MHz */

"DVITFP410", 60, 1024, 768, 33260, 117, 18, 23, 28, 2, 3,

0, FB_VMODE_NONINTERLACED,0,

},

……

};

結(jié)構(gòu)struct fb_videomode用于描述顯示輸出狀態(tài)，調(diào)用函數(shù)“fb_videomode_to_var(&var, &video_modes[0])”將屏幕顯示參數(shù)轉(zhuǎn)換為var結(jié)構(gòu)變量的相關(guān)成員，由于var的部分成員值已在前面LCD控制器驅(qū)動(dòng)中確定，此處完成了對var全部成員的設(shè)置。[!--empirenews.page--]

一個(gè)frambuffer設(shè)備由一個(gè)struct fb_info結(jié)構(gòu)表示，本設(shè)計(jì)用fb_info結(jié)構(gòu)的全局變量registered_fb表示系統(tǒng)注冊的frambuffer設(shè)備，驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)之一是填充這個(gè)結(jié)構(gòu)變量。LCD控制器驅(qū)動(dòng)與DVI外設(shè)驅(qū)動(dòng)之間的信息傳遞，通過該全局變量實(shí)現(xiàn)。

5　DVI驅(qū)動(dòng)測試

首先，通過顯示一幅圖片測試DVI輸出是否正常。通過轉(zhuǎn)換工具(如Image2lcd)把一幅1024×768大小的jpg圖片轉(zhuǎn)換為RGB 888分辨率、1024×768的RGB格式的二進(jìn)制圖片。然后鍵入命令： cp pic.bin /dev/fb0，此時(shí)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(gè)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(jié)語

經(jīng)測試，DVI驅(qū)動(dòng)程序在MX51平臺上成功實(shí)現(xiàn)。framebuffer是Linux提供給用戶的一個(gè)直接面向顯示緩沖區(qū)的接口，本設(shè)計(jì)是一個(gè)面向應(yīng)用的framebuffer驅(qū)動(dòng)，文中給出了DVI驅(qū)動(dòng)的整體架構(gòu)，對主要模塊的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。