Linux-LCD驱动

环境

硬件环境

  • 开发板型号： 100ask_imx6ull_pro 开发板
  • 处理器类型：NXP IMX6ULL
  • 处理器架构：恩单核 Cortex-A7
  • 处理器主频：800MHZ
  • 内存容量：512 MB DDR3
  • 存储介质：4GB eMMC
  • 本次测试的驱动：7 寸 LCD 屏幕

软件环境

  • 宿主机
    • 宿主机操作系统：Ubuntu 18.04
    • 交叉编译器：100ask 提供的工具链 arm-buildroot-linux-gnueabihf- 支持的最低内核版本：4.9.0
  • 开发板

OLED 和 LCD

  • OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）屏幕中的每个像素点都能自发光，当电流通过时，有机材料层发光。
    • OLED 屏幕响应时间更快
    • OLED 不需要背光层，可以关闭对应像素发光，降低功耗
    • OLED 频闪现象明显，可能会烧屏
  • LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）屏幕本身不发光，需要背光层来提供光源，通过控制液晶分子的转动方向来调节光线的透过，从而显示图像。
    • LCD 需要背光层提供光源，功耗相对较高
    • LCD 无频闪，更耐用，寿命更长

https://www.topwaydisplay.com/cn/blog/lcd-oled-microled-comparison

LCD时序参数概念

LCD 信号线

LCD 信号线有 24 根数据线均分为红色数据、绿色数据和蓝色数据，控制线有 CLK、VSYNC、HSYNC和 DE。

  • CLK：同步时钟信号。
  • VSYNC：垂直同步信号，也叫帧同步信号，表示液晶屏一帧像素数据的传输结束，每传输完成一帧像素数据时，VSYNC 会发生电平跳变。
  • HSYNC：水平同步信号，也叫行同步信号，表示液晶屏一行像素数据的传输结束，每传输完成液晶屏的一行像素数据时，HSYNC 会发生电平跳变。
  • DE：数据使能信号，表示数据的有效性，当 DE 为高电平时，RGB 信号线表示的数据有效。

LCD 数据传输时序

LCD 传输一帧图形数据的时序大致如下：

image8

LCD 显示的图像可看作一个矩形，液晶屏有一个显示指针，它指向将要显示的像素。显示指针的扫描方向方向从左到右、从上到下，一个像素点一个像素点地描绘图形。这些像素点的数据通过 RGB 数据线传输至液晶屏，它们在同步时钟 CLK 的驱动下一个一个地传输到液晶屏中，交给显示指针，传输完成一行时，水平同步信号 HSYNC 电平跳变一次，而传输完一帧时 VSYNC 电平跳变一次。

image9

液晶显示指针在行与行之间，帧与帧之间切换时需要延时，而且 HSYNC 及 VSYNC 信号本身也有宽度。

  • VBP：垂直后肩（vertical back porch），表示一帧图像开始时，这个 VSYNC 信号以后无效的行数。
  • VFP：垂直前肩（vertical front porch），表示一帧图像结束后，到下一个 VSYNC 信号无效的行数。
  • HBP：水平后肩（horizontal back porch），表示 HSYNC 信号开始到一行的有效数据开始之间的 CLK 个数。
  • HFP：水平前肩（horizontal front porch），表示一行的有效数据结束到下一个 HSYNC 信号开始之间的 CLK的个数。
  • VSW：表示 VSYNC 信号的宽度，单位为行。
  • HSW：表示 HSYNC 信号的宽度，单位为 CLK 的个数。

24. eLCDIF—液晶显示 — 野火 i.MX RT库开发实战指南——基于i.MXRT1052 文档 (embedfire.com)

Linux-LCD驱动解析

LCD 显示原理

Linux 内核驱动申请一片内存空间——Framebuffer，LCD 控制器将 Framebuffer 中的数据拷贝到 LCD 的 SRAM 上显示图像。

image-20240630112737450

Framebuffer 设备

Framebuffer（fb 帧缓冲），是 Linux 内核虚拟出来的一个设备，属于字符设备类型。主要作用是为应用层提供一个统一标准接口的显示设备，通过 fb 应用程序可以直接对显存进行操作。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节， 这些都是由 FrameBuffer 设备驱动来完成的。

LCD 驱动编写完成后会生成一个名为 /dev/fbX(X=0~n) 的设备，NXP 官方的 Linux 内核默认已经开启 LCD 驱动了，NXP 官方的设备树已经添加了 LCD 设备节点，只是用到的 IO 口以及屏幕参数可能不同，所以我们要做的是在设备树修改成自己使用的 IO 口和屏幕参数。

LCD 设备树描述信息解析

LCD 屏幕 IO 配置

100ASK_IMX6ULL_PRO 开发板的 LCD 背光引脚、数据线、控制线均和和 NXP 开发板的一样，只有复位引脚不同，所以 IO 配置部分只需要修改复位引脚即可。

NXP 官方的设备树：imx6ul-14x14-evk.dts 文件下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
pinctrl_lcdif_dat: lcdifdatgrp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_LCD_DATA00__LCDIF_DATA00  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA01__LCDIF_DATA01  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA02__LCDIF_DATA02  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA03__LCDIF_DATA03  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA04__LCDIF_DATA04  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA05__LCDIF_DATA05  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA06__LCDIF_DATA06  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA07__LCDIF_DATA07  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA08__LCDIF_DATA08  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA09__LCDIF_DATA09  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA10__LCDIF_DATA10  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA11__LCDIF_DATA11  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA12__LCDIF_DATA12  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA13__LCDIF_DATA13  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA14__LCDIF_DATA14  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA15__LCDIF_DATA15  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA16__LCDIF_DATA16  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA17__LCDIF_DATA17  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA18__LCDIF_DATA18  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA19__LCDIF_DATA19  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA20__LCDIF_DATA20  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA21__LCDIF_DATA21  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA22__LCDIF_DATA22  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_DATA23__LCDIF_DATA23  0x79
	>;
};

pinctrl_lcdif_ctrl: lcdifctrlgrp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_LCD_CLK__LCDIF_CLK	    0x79
		MX6UL_PAD_LCD_ENABLE__LCDIF_ENABLE  0x79
		MX6UL_PAD_LCD_HSYNC__LCDIF_HSYNC    0x79
		MX6UL_PAD_LCD_VSYNC__LCDIF_VSYNC    0x79
		/* used for lcd reset */
		MX6UL_PAD_SNVS_TAMPER9__GPIO5_IO09  0x79
	>;
};

pinctrl_pwm1: pwm1grp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_GPIO1_IO08__PWM1_OUT   0x110b0
	>;
};
  • 子节点 pinctrl_lcdif_dat 定义了 LCD 屏幕的 24 根数据线配置项
  • 子节点 pinctrl_lcdif_ctrl 定义了 LCD 屏幕的复位引脚和 4 根控制线：CLK、ENABLE、HSYNC、VSYNC
  • 子节点 pinctrl_pwm1 定义了 LCD 屏幕背光 PWM 引脚配置项

NXP 官方设备树是将 GPIO5_9 作为 LCD 复位引脚，跟 100ask 开发板的复位引脚不同，在 iomuxc 节点下的 imx6ul-evk 子节点添加：

1
2
3
4
5
6
pinctrl_lcdif_reset: lcdifresetgrp {
		fsl,pins = <
				/* used for lcd reset */
				MX6UL_PAD_LCD_RESET__GPIO3_IO04  0x1b0b0
		>;
};

Linux 系统如何知道引脚 PWM1_OUT 是用来控制 LCD 背光的呢？通过 backlight 节点来将 LCD 背光和引脚 PWM1_OUT 连接起来：

backlight 节点描述可以参考 Documentation/devicetree/indings/video/backlight/pwm-backlight.txt 这个文档

NXP 官方的设备树：imx6ul-14x14-evk.dts 文件下：

1
2
3
4
5
6
7
backlight {
	compatible = "pwm-backlight";
	pwms = <&pwm1 0 5000000>;	
	brightness-levels = <0 4 8 16 32 64 128 255>;
	default-brightness-level = <6>;
	status = "okay";
};
  • compatible = “pwm-backlight”; 在 Linux 内核中 drivers/video/backlight/pwm_bl.c 文件中又具体的驱动程序
  • pwms 属性用于描述背光所使用的 PWM 和 PWM 频率，5000000 表示 5000000 ns，即 5 ms，1s / 5ms = 200 Hz，即 PWM 频率为 200Hz
  • brightness-levels 属性描述亮度级别，范围为0~255，0 表示 PWM 占空比为 0%，也就是亮度最低，255 表示 100% 占空比，也就是亮度最高
  • default-brightness-level 属性为默认亮度级别

LCD 屏幕参数节点信息

imx6ull.dtsi 文件：定义了 LCD 节点通用信息

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
lcdif: lcdif@021c8000 {
	compatible = "fsl,imx6ul-lcdif", "fsl,imx28-lcdif";
	reg = <0x021c8000 0x4000>;
	interrupts = <GIC_SPI 5 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
	clocks = <&clks IMX6UL_CLK_LCDIF_PIX>,
		 <&clks IMX6UL_CLK_LCDIF_APB>,
		 <&clks IMX6UL_CLK_DUMMY>;
	clock-names = "pix", "axi", "disp_axi";
	status = "disabled";
};

这些 LCD 节点通用信息，适用于 IMX6ULL 芯片的板子，不是完整的节点信息，需要我们在自己板子上的设备树进行补充 LCD 屏幕信息。

NXP 官方的设备树：imx6ul-14x14-evk.dts，LCD 节点如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
&lcdif {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_lcdif_dat
		     &pinctrl_lcdif_ctrl>;
	display = <&display0>;
	status = "okay";

	display0: display@0 {
		bits-per-pixel = <16>;
		bus-width = <24>;

		display-timings {
			native-mode = <&timing0>;

			timing0: timing0 {
				clock-frequency = <9200000>;
				hactive = <480>;
				vactive = <272>;
				hfront-porch = <8>;
				hback-porch = <4>;
				hsync-len = <41>;
				vback-porch = <2>;
				vfront-porch = <4>;
				vsync-len = <10>;
				hsync-active = <0>;
				vsync-active = <0>;
				de-active = <1>;
				pixelclk-active = <0>;
			};
		};
	};
};

在设备树下修改成自己的屏幕信息：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
&lcdif {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_lcdif_dat			/* 使用到的IO */
             &pinctrl_lcdif_ctrl
             &pinctrl_lcdif_reset>; 
    display = <&display0>;
    status = "okay";
    reset-gpios = <&gpio3 4 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* 屏幕复位IO */

    display0: display {				/* LCD 属性信息 */
        bits-per-pixel = <24>;		/* RGB888 一个像素占用几个bit */
        bus-width = <24>;			/* 总线宽度 */

        display-timings {
            native-mode = <&timing0>;	/* 时序信息 */

             timing0: timing0_1024x768 {
             clock-frequency = <50000000>;	/* LCD 像素时钟，单位Hz */
             hactive = <1024>;				/* LCD X 轴像素个数 */
             vactive = <600>;				/* LCD Y 轴像素个数 */
             hfront-porch = <160>;			/* LCD hfp 参数 */
             hback-porch = <140>;			/* LCD hbp 参数 */
             hsync-len = <20>;				/* LCD hspw 参数 */
             vback-porch = <20>;			/* LCD vbp 参数 */
             vfront-porch = <12>;			/* LCD vfp 参数 */
             vsync-len = <3>;				/* LCD vspw 参数 */

             hsync-active = <0>;			/* hsync 数据线极性 */
             vsync-active = <0>;			/* vsync 数据线极性 */
             de-active = <1>;				/* de 数据线极性 */
             pixelclk-active = <0>;			/* clk 数据线先极性 */
             };

        };
    };
};

运行测试

Linux 内核启动时显示企鹅 logo，显示表示 LCD 驱动基本正常，这个 logo 需要在 Linux 内核配置启动，一般内核是默认启动的。

Linux 内核修改：使能 Linux logo 显示，按如下路径找到配置项：

1
2
3
4
5
6
-> Device Drivers
    -> Graphics support
    	-> Bootup logo (LOGO [=y])
    		-> Standard black and white Linux logo
    		-> Standard 16-color Linux logo
    		-> Standard 224-color Linux logo

如下：

image-20240707143216743

默认是选择的，三个选项分别对应着黑白、16 位、24 位色彩格式的 logo。

编译设备树
1
make dtbs

设备修改完成后，进行编译烧录到开发板。

LCD 背光调节

设备树节点设置了 8 个等级的背光调节，可以设置为 0~7，/sys/class/backlight/backlight 目录下存放背光调节的信息：

1
2
cd /sys/class/backlight/backlight
cat /sys/class/backlight/backlight

brightness 表示当前亮度等级，max_brightness 表示最大亮度等级，使用 echo 命令可以修改屏幕亮度：

1
echo 7 > brightness

brigtness 为 0 的话会关闭 LCD 背光，即屏幕会熄灭。

设备 LCD 作为终端控制台

设置 uboot 启动参数

重启开发板进去 uboot 界面

1
setenv bootargs 'console=tty1 console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.5:/home/router2/100ask_imx6ull-sdk/nfs_ubuntu/busybox1.29.0_rootfs,proto=tcp rw ip=192.168.1.7:192.168.1.5:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off'
  • console=tty1：表示设置 LCD 屏幕为控制台
  • console=ttymxc0,115200：表示设置串口为控制台
  • 后面是根文件系统的目录等信息
修改根文件系统

打开根文件系统中的 /etc/inittab 文件，添加这一行

1
tty1::askfirst:-/bin/sh

修改完成后保存文件，重启开发板，就可以发现 LCD 屏幕上呈现系统启动信息了。

Linux 内核默认使能了 USB 键盘驱动，直接插上键盘就可以实现在 MobaXterm 软件通过串口操作开发板一样的效果了，但是 LCD 控制台还不支持中文操作，后续再进行优化。

image-20240707153334139