LCD和LED屏幕的工作原理总结

1 点阵取模原理之横向取模与纵向取模
1.1 针式打印机
- 针式打印机16针是纵向排列，每次打印垂直的16bit，然后右移一bit，继续下列打印；字节的MSB表示最上面的点，字节LSB表示最下面的点
- 由于汉字字模的点阵是横向排列的，而提供给打印头的信息却需要按纵向排列，所以必须再对字模缓冲区中存放的字模数据进行变换，变成打印机按图形方式工作时所需要的数据格式才能送出
- 参考Nokia5110和JLX12864的字符显示原理

Figure 1-1 针式打印机纵向排列点阵字模

Figure 1-2 针式打印机打印头运动方向

2 LED显示屏控制卡  - 点阵横向取模
2.1 芯片
ASAP1826T - AlphaScale，仰邦LED控制卡
AT89C52 - 最早的LED条屏控制卡，直到09年才兴起U盘LED控制卡
AT91SAM9 - Smart ARM-based Microcontroller，中航U盘控制卡
gd32f105 - GigaDevice
stm32f105 - 72MHz，中航U盘控制卡

2.2 LED控制卡接口
- LED用汉字字模点阵是16 x 16，每行16点占用2个字节，总共16行，所以占用32个字节
- HUB08控制2行汉字显示（16 x 16点阵），R1和G1控制第一行汉字的列，R2和G2控制第二行汉字的列
- HUB12控制1行汉字的显示（16 x 16点阵）

行译码：74HC138，A（LSB）、B、C、D （MSB）4根线译码出点阵的16行
列译码：74HC595，串并转换，接口类似于SPI接口，每8个clk一个字节；Q7’串行输出引脚，若输入位数比8多，则通过此引脚连接下一个74HC595，作为下一个级联74HC595的DS（Data Serial）；R1和G1处理上半部的串行输入（16 x 64），R2和G2处理下半部的串行输入（16 x 64）。SPI每次传输1个字节。

2.3 LED驱动芯片
max7219

3 MCU LCD
3.1 段码LCD
- 车载空调屏幕
- 测温仪

3.2 字符型Nokia5110
V=0 水平寻址
V=1 垂直寻址

- 接口SPI
- 内部集成GRAM，Driver IC是PCD8544
- 液晶5110每次写入命令是写一个竖着的8个bit即一个字节，这是它的一个最基本的写入单元，故SPI每次传输1个字节
- 最上面的点是每个字节的LSB，最下面的点是每个字节的MSB；与针式打印机的LSB和MSB的方向是反的
- 坐标范围为X 0~83(1010011)，Y 0~5(101)

3.3 字符型JLX12864
- 接口SPI
- 内部集成GRAM
- 12864表示分辨率是128 x 64，类似于Nokia5110，只是模块额外集成了一个SPI接口的字库

3.4 8080并行接口LCD

4 Android LCD
4.1 MIPI DSI几个重要的概念
MIPI DSI分为物理层和链路层。
物理层的传输模式分为：HS模式和低功耗LP模式，LP模式只使用Lane0通道，时钟通道关闭，此时Lane0既传输数据，也传输时钟，并且数据是单端模式。

链路层的模式分为：
- Command模式，原理类似于带有内部GRAM的Nokia5110
- Video模式，原理类似于传统的RGB TFT-LCD

Command模式数据格式：
命令类型（如0x05/0x15/0x39）+ 指令 + 参数
0x05：只有指令，没有参数
0x15：只有一个参数
0x39：有多个参数

当链路层选择Command模式时，物理层可以为HS模式，也可以为LP模式；但链路层选择Video模式时，物理层只能选择HS模式。所以初始化MIPI DSI屏幕时，如果要使用低速模式配置DSI屏幕的寄存器，那么链路层就选择Command模式，而物理层选择LP模式。

4.2 Android多屏显示不同内容
ActivityOptions.java
ActivityOptions.setLaunchDisplayId()
ActivityOptions.getLaunchDisplayId()

4.3 AMOLED
AMOLED需要NOR Flash，因为AMOLED的Demura（Mura表示亮度不均匀）校准数据需要保存到NOR Flash中，开机后，驱动IC将NOR Flash中的数据读出，加载到驱动IC中的SRAM。

5 显示SerDes
5.1 SerDes透传I2C或者UART数据
FCC：Forward Control Channel bit，正向传递I2C的SCL/SDA或者UART的TX/RX数据位，编码到一帧32b中的第bit 30，32b的数据使用8b/10b编码成40b
RCC：Reverse Control Channel bit，反向传递I2C的SCL/SDA或者UART的TX/RX数据位，编码成1 us的脉冲，所以最大速率为1 Mbps
PCB：Packet Parity Check bit，奇偶校验位，编码到一帧32b中的bit 31，32b的数据使用8b/10b编码成40b

5.2 SerDes初始化
1）SerDes的Serializer中需要配置Deserializer、背光、触摸屏的I2C地址。
2）SerDes的Serializer中需要配置屏幕分辨率参数，包括但不限于长、宽、前肩、后肩、pclk等。

5.3 backlight
ILight.setLight(Type type,
        LightState state)

2-byte frame_len +
3-byte frame_hdr (0, (tx_seq << 1) | type, 0x7f << 1) +
1-byte ch_id +
1-byte reserved +
2-byte data_len +
2-byte data (id + brightness) +
2-byte crc (not including frame_len)
Note: 3-byte frame_hdr bit field definitions are different from standard HDLC frame.
U-frame RST frame_hdr: 0x00, 0x8f, 0x03
U-frame ACK frame_hdr: 0x00, 0x63, 0x03

echo "\x31\x99" > \
/dev/backlight_node
cat /dev/backlight_node | \
busybox hexdump -C

5.4 Lattice ECP5-45
4ch-eDP  8ch-947/RGB-921
Diamond IDE
q <= #1 1b0 : delay one clock to set 0 to q.

6 Linux DRM
6.1 前言
fb驱动主要是嵌入式设备用，Android最开始也是用fb，但是渐渐就发现它不好用了，主要是对多硬件图层的支持不好，不过那时候DRM对嵌入式系统也不友好，Google中间还开发了一个ADF（Atomic Display Framework）的驱动框架代替fb，不过没什么人响应，后面DRM里面加了Atomic KMS的功能，对多图层的支持基本能满足Android的需求了，而且很多芯片厂家既要做Android又要做Chrome，所以都直接转向DRM了，要不然就要维护两套驱动，所以DRM现在就成了Android上的标准图形驱动。

6.2 Broxton Graphics
Intel Open Source HD Graphics Programmer's Reference Manual
page 14
Pipe A and Pipe B have four planes and a cursor. Each plane can be used as a sprite, primary, or overlay. Pipe C has three planes and a cursor. Each plane can be used as a sprite, primary, or overlay.
The plane blending follows a fixed Z-order. Plane 1 is the bottom most plane and higher numbered planes stack on top of it.

6.3 A-KMS pipeline
fb -> CRTC -> encoder -> connector，connector是hotpluggable。
fb -> CRTC -> encoder -> bridge，最后一步的桥会创建connector，譬如encoder是dpi，lvds是桥，负责输出。

A-KMS工具：libdrm/tests/modetest

6.4 kernel
1）struct drm_device
struct drm_device {}代表一个显卡，该显卡中的所有connector组成一个list，所有encoder组成一个list，所有crtc组成一个list，所有fb组成一个list。
2）创建connector和encoder，并且关联起来。
component_add()
component_ops->bind()
3）创建connector时，会解析cmdline中与connector有关的参数。
drm_connector_init()
drm_connector_get_cmdline_mode()

6.5 DRM加载静态EDID配置
1）应用程序调用libdrm代码中的drmModeGetConnector()函数，通过ioctl传递宏DRM_IOCTL_MODE_GETCONNECTOR通知Linux内核要获取相关数据（包括EDID）。

Linux内核中，如果定义了宏CONFIG_DRM_LOAD_EDID_FIRMWARE，内核会先调用drm_load_edid_firmware()函数，从/vendor/firmware路径下的对应文件中读取EDID数据；若读取失败或未定义宏CONFIG_DRM_LOAD_EDID_FIRMWARE，内核通过DDC通道和显示器进行通信，获取EDID数据。
2）
zcat /proc/config.gz | grep CONFIG_DRM_LOAD_EDID_FIRMWARE
BOARD_KERNEL_CMDLINE += \
drm_kms_helper.edid_firmware=\
HDMI-A-1:edid/1920x720.bin,\
HDMI-A-2:edid/1920x1080.bin \
video=HDMI-A-1:e \
video=HDMI-A-2:e
3）
cat /sys/module/drm_kms_helper/parameters/edid_firmware
cat /sys/class/drm/card0-HDMI-A-1/status
echo 0x1f > \
/sys/module/drm/parameters/debug
4）
drm_edid_load.c
Kramer EDID Designer
Descriptor #1: LCD Timing Table

7 Display Interface
7.1 HDMI
7.1.1 数据格式
TMDS CH0传输B[7:0]信号，H信号和V信号分别使用该通道的bit0和bit1。
TMDS CH1传输G[7:0]信号。
TMDS CH2传输R[7:0]信号。
每个数据通道都通过编码算法（异或、异或非等），将8位数据转换成10位数据，前8位数据由原始信号经运算后获得，第9位指示运算的方式，1表示异或，0表示异或非。第10位实际是一个反转标志位，1表示进行了反转而0表示没有反转。通过这种算法，会使得数据的传输和恢复更加可靠。

7.1.2 带宽计算
4K频率需要的带宽：选最常用的3840 x 2160分辨率，色深常用的是8位，RGB三色就是24bit，60Hz刷新率，3840 x 2160 x 24bit x 60fps = 11.94Gbps
HDMI1.4像素时钟高达340MHz，即最大带宽是：340MHz x 10bit (10bit encoder) x 3 (3 lanes) = 10.2Gbps
但是由于HDMI采用的是8bit/10bit编码方式，实际效率是理论值的80%，所以10.2Gbps能传输的最大视频带宽是10.2 x 0.8 = 8.1Gbps

7.2 MT2712 LVDS
every LVDS TX period: 7 bit
LVDS pair0: R0 - R5, G0
LVDS pair1: G1 - G5, B0 - B1
LVDS pair2: B2 - B5, HS, VS, DE
LVDS pair3: R6 - R7, G6 - G7, B6 - B7, RSVD

8 Abbreviations
AOD: Always On Display, 1Hz refresh rate
APIX：Automotive Pixel link，类似于美信的GMSL和德州仪器的FPDLINK，BMW MGU使用
Chrom-GRC：STM32 Graphics Resource Cutter，图形资源切割，当使用圆形显示器（如智能手表上的显示器）时，Chrom-GRC会丢弃由于屏幕形状而不可见的像素
DBL：Camera SerDes double-input mode，大多数摄像头输出的是RawData格式的数据，位数比较低。因此，可以把两个像素的数据放到一个帧里进行传输。即24位或32位的数据里包含两个像素的数据。这种每帧传输两个像素的方式称为双输入模式
D/C：Data/Command Pin
DE: Data Enable
DPI：Display Parallel Interface
DSI：Display Serial Interface
HDMI ARC：Audio Return Channel，音频回传通道，pin14和pin19传输差分数据，pin17作为差分地
MISO：mi s əu
MOSI：m əu si
OpenLDI: TI SerDes Open LVDS Display Interface
PSRAM：Pseudo SRAM，一种伪静态SRAM，实际就是SPI SRAM
QUP：高通平台的SPI总线和I2C共用core和引脚，称为QUP（QCOM Universal Peripheral）；而UART和QUP又共用引脚，并且称为BLSP
RS：Register Select
SerDes：sir-deez
TE：MIPI Command Mode Tearing Effect