高清嵌入式系統中的DVI驅動開發

郭小梅

（南京曉莊學院，南京 210001）

郭小梅（副教授），主要研究方向為計算機軟件與理論、嵌入式應用技術。

引 言

DVI是Digital Visual Interface（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作為系統的軟、硬件平臺，詳細論述了基于framebuffer技術開發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4.9Gbps，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 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MX51LCD1 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MX51I2C接口的2個引腳。以上硬件電路連接，可實現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。設置顯示緩沖區的首地址。

②LSR寄存器。設置顯示緩沖區的大小。

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＿SYNC＿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，調節范圍為0x00～0xFF。

3 Linux的幀緩沖設備

3.1 framebuffer機制

framebuffer（幀緩沖）是出現在 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，它是一種供用戶態實現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，fb＿setcolreg設置color寄存器來實現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，并且在系統運行時不能被修改，例如緩沖區的首地址、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，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指定的接口函數。

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注冊用到的設備，此處包括MX51的LCD控制器和TFP410DVI視頻輸出芯片，使得設備驅動加載時可以從系統中查詢到相應的設備是已注冊的狀態，然后執行設備驅動程序中的probe函數。

在 arch／arm／mach－mx51／mx51＿3stack.c 中，設 置platform＿device結構變量 mxc＿fb＿device和i2c＿board＿info。結構變量 mxc＿i2c1＿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＿i2c1＿board＿info，ARRAY＿SIZE（mxc＿i2c1＿board＿info））向系統注冊以上設備。

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。

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＿register（＆dvi＿driver）注冊 DVI驅動，驅動加載后，系統自動調用探測函數dvi＿probe，該函數主要實現以下操作：一是指定framebuffer設備，由于 MX51 IPU（圖像處理單元）支持多個framebuffer設備，此處要確定DVI究竟使用MX51IPU 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，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registered＿fb表示系統注冊的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。

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Image2lcd）把一幅1024×768大小的jpg圖片轉換為RGB 888分辨率、1024×768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。framebuffer是Linux提供給用戶的一個直接面向顯示緩沖區的接口，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方法進行了詳細的介紹。

［1］Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg kroah－Hartman.LINUX設備驅動程序［M］.魏永明，等譯.3版.北京：中國電力出版社，2006.

［2］馮國進.嵌入式Linux驅動程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］劉淼.嵌入式系統接口設計與Linux驅動程序開發［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［4］孫天澤.嵌入式設計及Linux驅動開發指南：基于ARM處理器［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［5］Freescalei.MX51Applications Processors for Consumer and Industrial Products［EB／OL］.［2011－08］.http：／／www.freescale.com.