Linux 驱动开发入门：LCD 驱动与内核机制详解
Linux 驱动开发入门：LCD 驱动与内核机制详解
本文面向初学者，从最基础的 LCD 屏幕驱动编写 讲起，逐步带你理解 framebuffer 框架、内核空间与用户空间、内核链表、file_operations、内存分配与信号处理 等核心知识。
整理自原始学习笔记，进行了扩展和补充，力求深入浅出。
一、什么是 LCD 驱动？
1.1 硬件与驱动的关系
- LCD 控制器：硬件模块，负责向 LCD 屏幕输出信号。
- LCD 驱动：运行在内核态的代码，负责初始化控制器、分配显存、提供用户空间访问接口。
- 应用程序：运行在用户态，通过
ioctl或write()等方式访问驱动，从而在屏幕上显示图像。
1.2 framebuffer 框架
Linux 提供了 framebuffer (fb) 框架，用来屏蔽底层硬件差异。
驱动开发者只需要实现 fb_info 结构体，注册 framebuffer 设备，应用程序即可通过 /dev/fb0 访问。
二、LCD 驱动开发基本流程
2.1 初始化 LCD
在驱动的 init 函数中完成：
- 配置 LCD 控制器寄存器（分辨率、时序、色彩格式等）。
- 开启电源管理（例如控制 GPIO 使能背光）。
- 分配显存（frame buffer），并映射给 framebuffer 框架。
示例（简化伪代码）：
static struct fb_info *my_lcd_info;static int __init lcd_init(void) {// 1. 分配 fb_infomy_lcd_info = framebuffer_alloc(0, NULL);// 2. 配置分辨率和颜色深度my_lcd_info->var.xres = 480;my_lcd_info->var.yres = 272;my_lcd_info->var.bits_per_pixel = 16;// 3. 分配显存并映射my_lcd_info->screen_base = dma_alloc_coherent(...);// 4. 注册 framebufferregister_framebuffer(my_lcd_info);printk("LCD driver loaded\n");return 0;
}
2.2 背光控制
LCD 屏幕通常需要单独控制背光。方法有：
- 通过 GPIO 设置高低电平开启/关闭背光；
- 或通过 PWM 控制亮度。
示例（GPIO 控制）：
gpio_direction_output(LCD_BACKLIGHT_PIN, 1); // 打开背光
2.3 调色板设置
对于 16 色 / 256 色模式，需要设置调色板（palette）。
在 fb_info 中有 pseudo_palette 用于存储颜色映射表。
示例：
static int my_setcolreg(unsigned regno, unsigned red, unsigned green, unsigned blue,unsigned transp, struct fb_info *info) {if (regno < 16) {((u32 *)info->pseudo_palette)[regno] =(red & 0xff) << 11 | (green & 0xff) << 5 | (blue & 0xff);}return 0;
}
三、内核空间与用户空间
3.1 基本概念
- 用户空间（User Space）：应用程序运行区域，不能直接访问硬件。
- 内核空间（Kernel Space）：驱动和内核代码运行区域，有最高权限，可以直接访问寄存器/内存。
3.2 内核态与用户态切换
- 系统调用（如
open()、write()）会让 CPU 从用户态切换到内核态，执行驱动的函数（file_operations）。 - 这种切换需要保存上下文，开销比普通函数调用大。
四、file_operations 与设备模型
4.1 file_operations 结构
驱动中定义 文件操作函数，映射到 /dev 节点。
常见成员：
.open→ 打开设备时调用.release→ 关闭设备时调用.read→ 从设备读数据.write→ 向设备写数据.ioctl/unlocked_ioctl→ 设备控制命令
示例：
static struct file_operations lcd_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = lcd_open,.release = lcd_release,.write = lcd_write,
};
五、内存分配方式
Linux 内核中常用的内存分配函数：
- kmalloc：分配小块内存（连续物理地址）。
- vmalloc：分配较大内存（虚拟连续，但物理不一定连续）。
- dma_alloc_coherent：分配适合 DMA 的物理连续内存（常用于显存）。
LCD 驱动通常用 dma_alloc_coherent 分配 framebuffer。
六、内核链表（list_head）
Linux 内核大量使用链表管理设备/任务。
- 定义：
struct list_head - 常见操作：
list_add()、list_del()、list_for_each()
示例：
struct my_device {int id;struct list_head list;
};
struct list_head device_list;INIT_LIST_HEAD(&device_list);
list_add(&dev->list, &device_list);
七、用户空间与内核空间数据交互
用户传给内核的指针不能直接使用，必须通过拷贝函数：
copy_from_user()→ 从用户空间拷贝数据到内核空间。copy_to_user()→ 从内核空间拷贝数据到用户空间。
示例：
if (copy_from_user(kernel_buf, user_buf, size))return -EFAULT;
八、卸载驱动
在模块卸载函数中，必须：
- 注销 framebuffer 或字符设备。
- 释放显存。
- 释放 GPIO、时钟等硬件资源。
示例：
static void __exit lcd_exit(void) {unregister_framebuffer(my_lcd_info);dma_free_coherent(...);printk("LCD driver unloaded\n");
}
九、总结
- LCD 驱动开发流程：初始化控制器 → 分配显存 → 注册 framebuffer → 控制背光。
- 内核与用户空间：应用调用
open()/write()→ 内核通过 file_operations 调用驱动函数。 - 内存管理：驱动开发常用 kmalloc/vmalloc/dma_alloc_coherent。
- 内核链表：统一管理内核对象，几乎无处不在。
- 数据交互：必须通过
copy_from_user/copy_to_user。