【正点原子FPGA连载】第九章Linux显示设备的使用--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之linux驱动开发指南

正点原子

1）实验平台：正点原子领航者ZYNQ开发板
2）平台购买地址：https://item.taobao.com/item.htm?&id=606160108761
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_linhanz.html
4）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：876744900 点击加入:       
5）关注正点原子公众号，获取最新资料

第九章Linux显示设备的使用

领航者开发板上有两个显示设备接口，分别为HDMI接口和LCD接口，这两个接口可以用来接HDMI显示器和正点原子的LCD液晶屏，使用图形界面的时候可以通过这两个接口分别显示在HDMI显示器和LCD液晶屏上。本章我们讲解如何使用Petalinux配置Linux内核和设备树来驱动HDMI显示器和LCD液晶屏。


9.1准备工作
HDMI的显示首先需要硬件层面的支持，在《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》的《SD卡读BMP图片HDMI显示实验》中我们实现了裸机驱动HDMI的显示，可见硬件层面是没有问题的。如果想实现Linux驱动HDMI的显示，除了需要该实验对应的Vivado工程的硬件平台支持外，还需要相应的Linux驱动程序，同样LCD的显示除了硬件层面的支持外也需要一个驱动。
Linux显示设备的驱动程序我们放在了提供的内核源码中。在我们提供的光盘资料：ZYNQ开发板资料盘(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7020\3_Embedded_Linux\资源文件\kernel目录下有两个源码包，分别是linux-xlnx-xilinx-v2018.3.tar.gz和linux-4.14.0-atk-v2018.3.tar.gz，前者是Xilinx官方提供的Linux内核源码包，后者是我们定制的用于领航者开发板的Linux内核源码包，里面添加了适用于领航者开发板的驱动程序，该内核源码已托管到gitee网站：https://gitee.com/greatdream/linux，可从该网站获取最新的领航者开发板的linux内核源码。
我们将linux-4.14.0-atk-v2018.3.tar.gz解压到ubuntu系统的work/petalinux/目录下，或者从gitee网站clone到work/petalinux/目录下，推荐使用第二种方式，在终端输入命令如下：

1. cd ~/work/petalinux/
   
2. git clone <a href="https://gitee.com/greatdream/linux.git" target="_blank">https://gitee.com/greatdream/linux.git</a> linux-4.14

复制代码

上面的命令实现的功能就是将托管到gitee上的Linux内核源码clone到linux-4.14目录下，clone完成后，进入到linux-4.14目录下，可看到linux内核源码已下载完成，如下图所示：

图 20.1.1 linux内核源码目录

至此我们的准备工作就完成了，下面我们配置Petalinux工程和Linux内核以及设备树来驱动HDMI或LCD的显示。
9.2配置Petalinux工程
进入到第六章创建的Petalinux工程目录下，输入如下命令，设置Petalinux运行所需的环境变量，

1. sptl

复制代码

或者

1. source /opt/pkg/petalinux/2018.3/settings.sh

复制代码

执行结果如下图所示：

图 20.2.1 设置Petalinux运行所需的环境变量

现在重新配置petalinux，重新设置Linux内核的来源，输入如下命令：

1. petalinux-config

复制代码

在弹出的配置窗口中，进入到“Linux Components Selection--->linux-kernel(linux-xlnx)”菜单下，配置Linux内核来源。此处选择“ext-local-src”，也就是本地存放的Linux内核源码，如下图所示：

图 20.2.2 选择“ext-local-src”

也可以选择“remote”选项，将远程路径指向我们托管的gitee网站，此处以本地路径为例进行讲解。按键盘上的下方向键移到“ext-local-src”，然后按键盘上的“Enter“键确定，返回到上一界面，如下图所示：

图 20.2.3 返回到上一界面

进入“External linux-kernel local source settings”子菜单，如下图所示：

图 20.2.4 “External linux-kernel local source settings”子菜单

按键盘上的“Enter”键配置“EXternal linux-kernel local source path”，如下图所示：

图 20.2.5 填写Linux内核源码的本地路径

也就是填写Linux内核源码的本地路径，上一节我们将Linux内核源码clone到/home/zynq/work/petalinux/linux-4.14目录，所以此处填写该目录。填写完成后，按键盘上的“Enter”键完成配置，返回到上一界面，如下图所示：

图 20.2.6 填写内核路径完成后的界面

现在保存配置并退出，下一步，配置Linux内核。
9.3配置Linux内核
Linux内核默认都是配置好的，无需配置。下面我们看下进行了那些配置。在终端中输入如下命令：
petalinux-config -c kernel
弹出Linux内核的配置窗口。在内核配置窗口中，进入“Device Drivers”菜单下的“Graphics support”菜单下，

图 20.3.1 “Graphics support”菜单

可以看到默认配置了“Xilinx LCD framebuffer driver support By Alientek”，该驱动可以用来驱动HDMI和LCD的显示。
在“Device Drivers”菜单下的“Common Clock Framework”菜单下，可以看到默认配置了“Digilent axi_dynclk Driver”，该驱动可以根据不同的分辨率输出不同的像素时钟。
至此，内核方面的配置也就完成了。保存并退出，进入下一步，配置设备树。
9.4配置设备树
编辑当前工程目录下的project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi文件。由于文件内容太长，此处就不全部粘贴了，主要讲解下在第6.2.7节的配置的基础上追加哪些内容，在beep后面追加视频时序，内容如下：

1. 94      beep {
   
2. 95          compatible = "gpio-beeper";
   
3. 96          gpios = <&gpio0 57 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
   
4. 97      };
   
5. 98  
   
6. 99      video_timings {
   
7. 100             timing_4x3_480x272: timing0 {
   
8. 101                 clock-frequency = <9000000>;
   
9. 102                 hactive = <480>;
   
10. 103                 vactive = <272>;
    
11. 104
    
12. 105                 hback-porch = <40>;
    
13. 106                 hsync-len = <20>;
    
14. 107                 hfront-porch = <5>;
    
15. 108                 vback-porch = <8>;
    
16. 109                 vsync-len = <3>;
    
17. 110                 vfront-porch = <8>;
    
18. 111
    
19. 112                 hsync-active = <0>;
    
20. 113                 vsync-active = <0>;
    
21. 114                 de-active = <1>;
    
22. 115                 pixelclk-active = <0>;
    
23. 116             };
    
24. 117
    
25. 118             timing_4x3_800x480: timing1 {
    
26. 119                     clock-frequency = <33000000>;
    
27. 120                     hactive = <800>;
    
28. 121                     vactive = <480>;
    
29. 122
    
30. 123                     hback-porch = <88>;
    
31. 124                     hsync-len = <48>;
    
32. 125                     hfront-porch = <40>;
    
33. 126                     vback-porch = <32>;
    
34. 127                     vsync-len = <3>;
    
35. 128                     vfront-porch = <13>;
    
36. 129
    
37. 130                     hsync-active = <0>;
    
38. 131                     vsync-active = <0>;
    
39. 132                     de-active = <1>;
    
40. 133                     pixelclk-active = <0>;
    
41. 134             };
    
42. 135
    
43. 136             timing_7_800x480: timing2 {
    
44. 137                     clock-frequency = <33000000>;
    
45. 138                     hactive = <800>;
    
46. 139                     vactive = <480>;
    
47. 140
    
48. 141                     hback-porch = <46>;
    
49. 142                     hsync-len = <20>;
    
50. 143                     hfront-porch = <210>;
    
51. 144                     vback-porch = <23>;
    
52. 145                     vsync-len = <3>;
    
53. 146                     vfront-porch = <22>;
    
54. 147
    
55. 148                     hsync-active = <0>;
    
56. 149                     vsync-active = <0>;
    
57. 150                     de-active = <1>;
    
58. 151                     pixelclk-active = <0>;
    
59. 152             };
    
60. 153
    
61. 154             timing_7_1024x600: timing3 {
    
62. 155                     clock-frequency = <51000000>;
    
63. 156                     hactive = <1024>;
    
64. 157                     vactive = <600>;
    
65. 158
    
66. 159                     hback-porch = <140>;
    
67. 160                     hsync-len = <20>;
    
68. 161                     hfront-porch = <160>;
    
69. 162                     vback-porch = <20>;
    
70. 163                     vsync-len = <3>;
    
71. 164                     vfront-porch = <12>;
    
72. 165
    
73. 166                     hsync-active = <0>;
    
74. 167                     vsync-active = <0>;
    
75. 168                     de-active = <1>;
    
76. 169                     pixelclk-active = <0>;
    
77. 170             };
    
78. 171
    
79. 172             timing_10x1_1280x800: timing4 {
    
80. 173                     clock-frequency = <71100000>;
    
81. 174                     hactive = <1280>;
    
82. 175                     vactive = <800>;
    
83. 176
    
84. 177                     hback-porch = <80>;
    
85. 178                     hsync-len = <10>;
    
86. 179                     hfront-porch = <70>;
    
87. 180                     vback-porch = <10>;
    
88. 181                     vsync-len = <3>;
    
89. 182                     vfront-porch = <10>;
    
90. 183
    
91. 184                     hsync-active = <0>;
    
92. 185                     vsync-active = <0>;
    
93. 186                     de-active = <1>;
    
94. 187                     pixelclk-active = <1>;
    
95. 188             };
    
96. 189
    
97. 190             timing_1920x1080: timing5 {
    
98. 191                     clock-frequency = <148500000>;
    
99. 192                     hactive = <1920>;
    
100. 193                     vactive = <1080>;
     
101. 194
     
102. 195                     hback-porch = <148>;
     
103. 196                     hsync-len = <44>;
     
104. 197                     hfront-porch = <88>;
     
105. 198                     vback-porch = <36>;
     
106. 199                     vsync-len = <5>;
     
107. 200                     vfront-porch = <4>;
     
108. 201
     
109. 202                     hsync-active = <0>;
     
110. 203                     vsync-active = <0>;
     
111. 204                     de-active = <1>;
     
112. 205                     pixelclk-active = <1>;
     
113. 206             };
     
114. 207     };

复制代码

video_timings开始就是追加的内容，以timing_4x3_480x272为例，讲解下命名的格式，timing也就是时序，4x3对应的是4.3寸LCD液晶屏，480x272对应的是该液晶屏的分辨率为480x272，{}内的就是具体的驱动时序，需要说明的是timing_1920x1080对应的是HDMI分辨率为1920x1080的时序。
除了追加以上内容外，还需要在该文件的尾部追加以下内容：

1. 231 &axi_dynclk_0 {
   
2. 232     compatible = "digilent,axi-dynclk";
   
3. 233     clocks = <&clkc 15>;
   
4. 234     #clock-cells = <0>;
   
5. 235 };
   
6. 236
   
7. 237 &v_tc_0 {
   
8. 238     compatible = "xlnx,v-tc-5.01.a";
   
9. 239 };
   
10. 240
    
11. 241 &amba_pl {
    
12. 242     xlnx_vdma_hdmi {
    
13. 243         compatible = "xilinx,vdmafb";
    
14. 244         status = "okay";
    
15. 245
    
16. 246         xlnx,vtc = <&v_tc_0>;
    
17. 247         clocks = <&axi_dynclk_0>;
    
18. 248         clock-names = "hdmi_pclk";
    
19. 249         dmas = <&axi_vdma_0 0>;
    
20. 250         dma-names = "hdmi_vdma";
    
21. 251
    
22. 252         is-hdmi = <0x1>;
    
23. 253
    
24. 254         display-timings = <&timing_1920x1080>;
    
25. 255         xlnx,pixel-format = "bgr888";
    
26. 256     };
    
27. 257 };

复制代码

amba_pl配置的是HDMI的驱动，如果显示设备是LCD液晶屏，则需要将amba_pl修改成如下的内容：

1. &amba_pl {
   
2.     xlnx_vdma_lcd {
   
3.         compatible = "xilinx,vdmafb";
   
4.         status = "okay";
   
5. 
   
6.         xlnx,vtc = <&v_tc_0>;
   
7.         clocks = <&axi_dynclk_0>;
   
8.         clock-names = "lcd_pclk";
   
9.         dmas = <&axi_vdma_0 0>;
   
10.         dma-names = "lcd_vdma";
    
11. 
    
12.         is-hdmi = <0x0>;
    
13. 
    
14.         rst-gpios = <&gpio0 62 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
15.         bl-gpios = <&gpio0 61 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    
16.         
    
17.         atk,lcd-id = <&axi_gpio_0 0 0 GPIO_ACTIVE_LOW
    
18.                   &axi_gpio_0 1 0 GPIO_ACTIVE_LOW
    
19.                   &axi_gpio_0 2 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
20. 
    
21.         display-timings = <&timing_4x3_480x272
    
22.                    &timing_4x3_800x480
    
23.                    &timing_7_800x480
    
24.                    &timing_7_1024x600
    
25.                    &timing_10x1_1280x800>;
    
26.         xlnx,pixel-format = "rgb888";
    
27.     };
    
28. };

复制代码

设备树配置内容已经放在我们提供的例程源码当中，路径为：“领航者ZYNQ开发板资料盘(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7020\3_Embedded_Linux\zynq_petalinux\2_linux_hdmi\software\petalinux\project-spec\meta-user\recipes-bsp\device-tree\files\system-user.dtsi”，可以打开这个文件将里面的内容拷贝到这个文件中，默认提供的是HDMI的驱动配置，LCD的驱动配置需要自行替换该文件中amba_pl的内容。
配置完了设备树之后，就是编译Petalinux工程了。
9.5编译Petalinux工程
现在我们编译整个Petalinux工程，在终端输入如下命令：

1. petalinux-build

复制代码

执行结果如下图所示：

图 20.5.1 编译整个Petalinux工程

9.6制作BOOT.BIN启动文件并复制到SD卡
使用下面命令生成 BOOT文件：

1. petalinux-package --boot --fsbl ./images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga --u-boot --force

复制代码

执行结果如下图所示：

图 20.6.1 生成 BOOT文件

生成BOOT文件后，我们插入SD卡，将该工程image/linux目录下的BOOT.BIN和image.ub文件拷贝到名为BOOT的分区也即/dev/sdc1分区中，如下图所示：

图 20.6.2 拷贝启动镜像到第一个分区

本实验只需要这两个文件即可，现在可以卸载SD卡了。
9.7在开发板上启动Linux
将SD卡插入领航者开发板的SD卡槽（卡槽位于开发板背面），然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。接下来将领航者底板上的启动模式开关设置为从SD卡启动。最后连接开发板的电源线，并打开电源开关。
HDMI显示器显示的内容如下图所示：

图 20.7.1 HDMI显示器显示结果

此时如果在领航者开发板上插入键盘，就可以登录了，登录的用户名为：root，密码为：root。此处我们就不演示了。
至此我们完成了Linux显示设备的驱动。