摘 要： 本文在分析嵌入式系統(tǒng)中圖形系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)介紹了實(shí)現(xiàn)圖形化輸出的底層驅(qū)動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法實(shí)現(xiàn)，并介紹了將圖形顯示驅(qū)動(dòng)安裝到嵌入式操作系統(tǒng)?滋Clinux內(nèi)核的方法。
關(guān)鍵詞： μClinux 驅(qū)動(dòng) FrameBuffer
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)本身固有的嵌入性和專用性，所以對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有別于傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。嵌入式操作系統(tǒng)的普及使得基于嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)方式。
嵌入式系統(tǒng)對(duì)完整的圖形系統(tǒng)的要求越來(lái)越迫切，GUI(圖形化接口)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)信息輸出的一種重要方式。本文詳細(xì)闡述了基于?滋Clinux操作系統(tǒng)的圖形應(yīng)用的軟件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上介紹了圖形顯示的底層硬件驅(qū)動(dòng)技術(shù)，系統(tǒng)地給出了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。
1 μClinux簡(jiǎn)介
μClinux由Linux2.0內(nèi)核發(fā)展而來(lái)，它繼承了Linux的主要特點(diǎn)，并針對(duì)微控制領(lǐng)域中不具有MMU（存儲(chǔ)管理單元）的處理器做了修改。μClinux重寫了內(nèi)核中大部分的二進(jìn)制代碼和源代碼，因此內(nèi)核比Linux2.0小很多，但它同時(shí)卻保留了Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及出色地支持多種文件系統(tǒng)的特性。?滋Clinux已被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，本文將基于該操作系統(tǒng)研究圖形硬件驅(qū)動(dòng)。
2 圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
嵌入式系統(tǒng)的顯示輸出分為圖形輸出和純文本輸出二部分。μClinux操作系統(tǒng)中控制臺(tái)(Console)處理純文本的輸出，而幀緩沖(Frame Buffer)負(fù)責(zé)圖形信息的輸出。
μClinux操作系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)從軟件結(jié)構(gòu)角度可以分為如圖1所示的三層。
最底層是圖形硬件驅(qū)動(dòng)程序，用來(lái)操作圖形硬件設(shè)備。μClinux系統(tǒng)中對(duì)圖形硬件設(shè)備的操作通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用接口映射到該層實(shí)施。
中間層是GUI圖形引擎，該層把最底層提供的基本圖形輸出操作結(jié)合起來(lái)完成較為復(fù)雜的圖形輸出。為該層設(shè)計(jì)的GUI圖形引擎已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品，如國(guó)內(nèi)的MiniGUI、國(guó)外的MicroWindows以及Embedded QT等。
最高層是圖形應(yīng)用程序?qū)樱鞣N圖形應(yīng)用程序都在該層實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序調(diào)用中間層的圖形引擎完成各種復(fù)雜圖形效果的輸出。
本文研究的對(duì)象是圖形系統(tǒng)最底層的硬件驅(qū)動(dòng)。
3 圖形硬件驅(qū)動(dòng)
3.1 μClinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介
μClinux將設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三大類。圖形顯示硬件設(shè)備屬于字符設(shè)備。
μClinux驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)和Linux驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)類似。不同的是：Linux使用模塊化(module)的方式處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)需求將所需驅(qū)動(dòng)加載到系統(tǒng)內(nèi)核中。μClinux雖然也支持模塊化的處理方式，但是，由于存儲(chǔ)空間的限制以及嵌入式系統(tǒng)具有針對(duì)性的功能要求，所以，通常在編譯內(nèi)核時(shí)便放棄了對(duì)模塊化的支持而采用將驅(qū)動(dòng)直接編譯進(jìn)內(nèi)核的方式安裝驅(qū)動(dòng)。
μClinux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)緊密地結(jié)合在一起，各種設(shè)備以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為設(shè)備文件。用戶程序使用open( )、close( )、read( )、write( )等標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用函數(shù)操作硬件設(shè)備。內(nèi)核通過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)。這是一個(gè)通用的文件操作函數(shù)指針的集合，包含了?滋Clinux提供的全部文件系統(tǒng)操作函數(shù)。在硬件驅(qū)動(dòng)程序中只需實(shí)現(xiàn)該硬件所需的部分函數(shù)，而將其他的函數(shù)指針置空。
3.2 圖形硬件驅(qū)動(dòng)的研究與實(shí)現(xiàn)
3.2.1 圖形硬件驅(qū)動(dòng)
圖形硬件的驅(qū)動(dòng)在?滋Clinux中是比較復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，同它相關(guān)的函數(shù)及文件分為二類。
(1)Frame Buffer驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序的代碼存放在fbmem.c文件中。Frame Buffer為顯示設(shè)備提供一個(gè)通用接口，它是將顯存抽象后的設(shè)備。它通過(guò)地址映射允許上層用戶在圖形模式下對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫。Frame Buffer的存在使用戶不必關(guān)心物理顯存的位置、換頁(yè)機(jī)制等細(xì)節(jié)問(wèn)題，同時(shí)簡(jiǎn)化了用戶程序代碼在不同硬件平臺(tái)間的移植。
(2)Frmae Buffer的輔助函數(shù)。這些函數(shù)聲明在fb.h中。不同的嵌入式系統(tǒng)中，圖形顯示硬件不完全相同，硬件獨(dú)有的狀態(tài)數(shù)據(jù)由這些輔助函數(shù)記錄并修改。Frame Buffer調(diào)用輔助函數(shù)控制顯示硬件設(shè)備。
下面從這二方面探討圖形硬件驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。
3.2.2 Frame Buffer驅(qū)動(dòng)
Frame Buffer的驅(qū)動(dòng)代碼存放在fbmem.c中，該文件最早出現(xiàn)在Linux-1.3.94內(nèi)核版本中。其中最核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是包含操作Frame Buffer函數(shù)的指針集合struct file_operations fb_fops。
static struct file_operations fb_fops={
NULL， //lseek
fb_read， //read
fb_write， //write
NULL， //readdir
NULL， //select
fb_ioctl， //ioctl
fb_mmap， //mmap
fb_open， //open
fb_release， //release
NULL //fsync
}；
Frame Buffer設(shè)備文件的特征決定了其只需要實(shí)現(xiàn)文件操作函數(shù)中的部分調(diào)用，如：fb_read、fb_write、fb_mmap等。
由于處理器不支持MMU，μClinux操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理不同于標(biāo)準(zhǔn)的Linux。在沒(méi)有MMU的嵌入式系統(tǒng)中，顯存的空間是獨(dú)立且固定的，μClinux操作系統(tǒng)可以線性地訪問(wèn)顯存空間。基于此，?滋Clinux中的fb_mmap可以修改成如下代碼：
static int fb_mmap(struct inode*inode，struct file*file，
struct vm_area_struct*vma) {
struct fb_ops*fb=registered_fb[ GET_FB_IDX(inode->i_rdev)]；
struct fb_fix_screeninfo fix；
if(!fb)
return -ENODEV；
fb->fb_get_fix(&fix，PROC_CONSOLE( ))；
vma->vm_start=fix.smem_start+vma->vm_offset；
return 0；
}
由于μClinux直接通過(guò)地址總線訪問(wèn)顯存空間，所以地址映射被處理成直接訪問(wèn)內(nèi)存地址的方式。
fb_open、fb_write、fb_read等函數(shù)完成驅(qū)動(dòng)Frame Buffer所必須的另外幾個(gè)操作，函數(shù)fb_ioctl則用來(lái)調(diào)用輔助函數(shù)記錄和修改硬件狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些函數(shù)只需做微小的修改便可以滿足嵌入式系統(tǒng)圖形顯示的需要。限于篇幅，在此不作詳細(xì)說(shuō)明。
3.2.3 Frame Buffer的輔助函數(shù)
Frame Buffer調(diào)用顯示驅(qū)動(dòng)的輔助函數(shù)記錄與修改顯示硬件狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于不同顯示硬件設(shè)備的工作方式不同，所以需要為它們定制特別的輔助函數(shù)。Frame Buffer的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)輔助函數(shù)，因此include/linux/fb.h最初和fbmem.c一起出現(xiàn)在Linux-1.3.94內(nèi)核版本中。fb.h中聲明了輔助函數(shù)的接口，函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼則需要根據(jù)具體的硬件結(jié)構(gòu)編寫并保存在文件xxxfb.c中。
fb.h文件中定義了記錄圖形硬件固有狀態(tài)參數(shù)的struct fb_fix_screeninfo和記錄圖形硬件可變參數(shù)的struct fb_var_screeninfo，同時(shí)聲明了操作這二組數(shù)據(jù)的函數(shù)指針集合struct fb_ops：
struct fb_ops {
//讀取固有參數(shù)
int (*fb_get_fix) (struct fb_fix_screeninfo*，int)；
//讀取可變參數(shù)
int (*fb_get_var) (struct fb_var_screeninfo*，int)；
//設(shè)置可變參數(shù)
int (*fb_set_var) (struct fb_var_screeninfo*，int)；
//讀取color map
int (*fb_get_cmap) (struct fb_cmap*，int，int)；
//設(shè)置color map
int (*fb_set_cmap) (struct fb_cmap*，int，int)；
//平面顯示函數(shù)
int (*fb_pan_display) (struct fb_var_screeninfo*，int)；
int (*fb_ioctl)(struct inode*，struct file*，unsigned int，
unsigned long，int)；
}；
在xxxfb.c文件中必須聲明這樣兩個(gè)變量：
static struct fb_fix_screeninfo xxx_fb_fix；/*硬件固有參數(shù)*/
static struct fb_var_screeninfo xxx_fb_var；/*硬件可變參數(shù)*/
fb_ops中的函數(shù)指針在xxxfb.c文件中完成函數(shù)代碼：
static struct fb_ops xxxfb_ops={
xxxfb_get_fix，
xxxfb_get_var，
xxxfb_set_var，
xxxfb_get_cmap，
xxxfb_set_cmap，
xxxfb_pan_display，
xxxfb_ioctl
}；
結(jié)合顯示硬件結(jié)構(gòu)特征實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)函數(shù)，其中關(guān)鍵的函數(shù)有xxxfb_get_fix、xxxfb_set_var和xxxfb_get_var。這三個(gè)函數(shù)分別對(duì)xxx_fb_fix和xxx_fb_var中的參數(shù)進(jìn)行讀取和設(shè)置。
以xxxfb_get_fix為例，該函數(shù)從xxx_fb_fix中讀取硬件的固有狀態(tài)參數(shù)。有二種實(shí)現(xiàn)方法：(1)從xxx_fb_fix中逐個(gè)讀取需要的參數(shù)。對(duì)具體的硬件，fb_fix_screeninfo中只有部分?jǐn)?shù)據(jù)是需要被處理的，因此只需要讀取有效數(shù)據(jù)。(2)調(diào)用系統(tǒng)的memcpy( )函數(shù)將xxx_fb_fix完全拷貝出來(lái)。這種方法方便，但對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是以加大存儲(chǔ)空間的開(kāi)銷為代價(jià)的。
另外二個(gè)函數(shù)xxxfb_get_var和xxxfb_set_var也可以做類似的處理。
在xxxfb.c文件中，啟動(dòng)顯示硬件的函數(shù)是xxxfb_init( )。該函數(shù)將當(dāng)前的顯示硬件注冊(cè)到系統(tǒng)中供Frame buffer調(diào)用，同時(shí)還完成對(duì)xxx_fb_fix的賦值。具體代碼如下：
void xxxfb_init(void)
{
……
/*硬件的固有數(shù)據(jù)是固定的，因此在這里對(duì)xxx_fb_fix進(jìn)行賦值*/
……
//將顯示硬件注冊(cè)到系統(tǒng)中
err=register_framebuffer(&fb_info.gen.info)；
if (err<0)
return err；
……
return mem_start；//返回顯存起始地址
}
xxxfb_init( )函數(shù)被fbmem.c文件的fb_open( )函數(shù)調(diào)用。由于圖形硬件的多樣性，fb_open( )函數(shù)根據(jù)具體硬件信息選擇xxxfb_init( )啟動(dòng)輔助函數(shù)。
μClinux中線性的顯存訪問(wèn)是實(shí)現(xiàn)圖形顯示驅(qū)動(dòng)首先要注意的問(wèn)題，處理好上面提到的函數(shù)和數(shù)據(jù)就可以為特定嵌入式系統(tǒng)的顯示設(shè)備開(kāi)發(fā)出合適的輔助函數(shù)。
3.2.4 安裝驅(qū)動(dòng)
下面介紹將顯示驅(qū)動(dòng)安裝進(jìn)內(nèi)核的步驟。
(1)圖形顯示硬件屬字符設(shè)備，因此將fbme.c文件保存到目錄/linux-2.0/driver/char/中。
(2)將圖形設(shè)備加入到的Makefile文件中。
(3)在/linux/init/main.c文件中添加驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)函數(shù)fbmem_init( )。
(4)修改編譯選項(xiàng)文件，在/linux/arm/armnommu/config.in文件中加入：
bool′ framebuffer support′ CONFIG_FB_XXX
(5)為文件系統(tǒng)的open( )調(diào)用提供設(shè)備文件名。在/vendors/<VENDOR>/<BOARD>/Makefile的‘DEVICES=’中，加入‘xxxfb，c，29，0’作為顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)的入口。其中29是主設(shè)備號(hào)，從設(shè)備號(hào)可以根據(jù)需要改變，這里將它設(shè)為0。
(6)使用make工具重新編譯內(nèi)核，就可將圖形顯示的驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)μClinux內(nèi)核。
以上六步將顯示硬件驅(qū)動(dòng)安裝到μClinux的內(nèi)核中，在此基礎(chǔ)上選用合適的圖形包就可以在嵌入式系統(tǒng)中方便地開(kāi)發(fā)圖形應(yīng)用程序。
4 結(jié)束語(yǔ)
在某些特殊場(chǎng)合應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)可能需要支持多個(gè)顯示硬件的輸出，依照本文的方法可以為不同的顯示硬件設(shè)計(jì)輔助函數(shù)來(lái)支持多終端圖形輸出。
至此，本文完成了基于?滋Clinux操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備的圖形顯示驅(qū)動(dòng)的探討并給出了部分實(shí)現(xiàn)算法。
參考文獻(xiàn)
1 Bovet D P，Cesati M著，陳莉君譯.深入理解Linux內(nèi)核（第二版）.北京：中國(guó)電力出版社，2004
2 Rubini A，Corbet J著，魏永明譯.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(第二版).北京：中國(guó)電力出版社，2002
3 毛德操，胡希明.Linux內(nèi)核源代碼情景分析.杭州：浙江大學(xué)出版社，2001