15_I.MX6ULL_LCD显示原理

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LCD简介

分辨率

像素格式

LCD屏幕接口

LCD时间参数

RGB LCD屏幕时序

像素时钟

显存

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LCD简介

LCD全称是Liquid Crystal Display,也就是液晶显示器,是现在最常用到的显示器,手机、电脑、各种人机交互设备等基本都用到了LCD,最常见就是手机和电脑显示器了。LCD的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒,下基板玻璃上设置TFT(薄膜晶体管),上基板玻璃上设置彩色滤光片,通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向,从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。

分辨率

提起LCD显示器,我们都会听到720P、1080P、2K 或 4K 这样的字眼,这个就是LCD 显示器分辨率。LCD显示器都是由一个一个的像素点组成,像素点就类似一个灯(在OLED显示器中,像素点就是一个小灯),这个小灯是RGB灯,也就是由R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)这三种颜色组成的,而RGB就是光的三原色。1080P的意思就是一个LCD 屏幕上的像素数量是1920*1080 个,也就是这个屏幕一列1080个像素点,一共 1920 列,如图所示:

 在图就是1080P显示器的像素示意图,X 轴就是LCD显示器的横轴,Y轴就是显示器的竖轴。图中的小方块就是像素点,一共有1920*1080=2073600个像素点。左上角的A点是第一个像素点,右下角的C点就是最后一个像素点。2K就是2560*1440个像素点,4K是3840*2160 个像素点。很明显,在 LCD尺寸不变的情况下,分辨率越高越清晰。同样的,分辨率不变的情况下, LCD尺寸越小越清晰。比如我们常用的24寸显示器基本都是1080P的,而我们现在使用的5寸的手机基本也是1080P的,但是手机显示细腻程度就要比24寸的显示器要好很多！由此可见,LCD 显示器的分辨率是一个很重要的参数,但是并不是分辨率越高的LCD就越好。衡量一款LCD的好坏,分辨率只是其中的一个参数,还有色彩还原程度、色彩偏离、亮度、可视角度、屏幕刷新率等其他参数。

像素格式

上面讲了,一个像素点就相当于一个RGB小灯,通过控制R、G、B这三种颜色的亮度就可以显示出各种各样的色彩。那该如何控制R、G、B 这三种颜色的显示亮度呢?一般一个R、G、 B这三部分分别使用8bit 的数据,那么一个像素点就是8bit*3-24bit,也就是说一个像素点3个字节,这种像素格式称为RGB888,如果再加入8bit的Alpha(透明)通道的话一个像素点就是 32bit,也就是 4 个字节,这种像素格式称为 ARGB8888。ARGB8888这种像素格式,一个像素占用4个字节的内存,这四个字节每个位的分配如图所示:

 在图中,一个像素点是4个字节,其中bit31~bit24是Alpha通道,bit23-bit16是RED通道, bit15-bit14是GREEN通道, bit7-bit0是BLUE通道。所以红色对应的值就是0X00FF0000,蓝色对应的值就是0X000000FF,绿色对应的值为0X0000FF00。通过调节R、G、B的比例可以产生其它的颜色,比如0X00FFFF00就是黄色,0X00000000就是黑色,0X00FFFFFF就是白色。大家可以打开电脑的“画图”工具,在里面使用调色板即可获取到想要的颜色对应的数值,如图所示:

 

LCD屏幕接口

LCD屏幕或者说显示器有很多种接口,比如在显示器上常见的VGA、HDMI、DP、MIPI等等,但是 I.MX6U不支持这些接口。I.MX6U支持RGB接口的LCD,RGBLCD接口的信号线如表所示:

表就是RGBLCD的信号线,R[7:0]、G[7:0]和B[7:0]这24根是数据线,DE、VSYNC、HSYNC和 PCLK这四根是控制信号线。RGB LCD一般有两种驱动模式:DE模式和HV模式,这两个模式的区别是DE模式需要用到DE信号线,而HV模式不需要用到DE信号线,在DE模式下是可以不需要HSYNC信号线的,即使不接HSYNC信号线LCD也可以正常工作。 

LCD时间参数

如果将LCD显示一帧图像的过程想象成绘画,那么在显示的过程中就是用一根“笔”在不同的像素点画上不同的颜色。这根笔按照从左至右、从上到下的顺序扫描每个像素点,并且在像素画上对应的颜色,当画到最后一个像素点的时候一幅图像就绘制好了。假如一个LCD的分辨率为1024*600,那么其扫描如图所示:

 

结合图来看一下LCD是怎么扫描显示一帧图像的。一帧图像也是由一行一行组成的。HSYNC是水平同步信号,也叫做行同步信号,当产生此信号的话就表示开始显示新的一行了,所以此信号都是在图的最左边。当VSYNC信号是垂直同步信号,也叫做帧同步信号,当产生此信号的话就表示开始显示新的一帧图像了,所以此信号在图的左上角。

在图可以看到有一圈“黑边”,真正有效的显示区域是中间的白色部分。那这一圈“黑边”是什么东西呢?这就要从显示器的“祖先” CRT显示器开始说起了, CRT显示器就是以前很常见的那种大屁股显示器,在2019年应该很少见了,如果在农村应该还是可以见到的。CRT显示器屁股后面是个电子枪,这个电子枪就是我们上面说的“画笔”,电子枪打出的电子撞击到屏幕上的荧光物质使其发光。只要控制电子枪从左到右扫完一行(也就是扫描一行),然后从上到下扫描完所有行,这样一帧图像就显示出来了。也就是说,显示一帧图像电子枪是按照‘Z’形在运动,当扫描速度很快的时候看起来就是一幅完成的画面了。

 当显示完一行以后会发出 HSYNC 信号,此时电子枪就会关闭,然后迅速的移动到屏幕的左边,当 HSYNC信号结束以后就可以显示新的一行数据了,电子枪就会重新打开。在 HSYNC信号结束到电子枪重新打开之间会插入一段延时,这段延时就图中的HBP。当显示完一行以后就会关闭电子枪等待HSYNC信号产生,关闭电子枪到HSYNC信号产生之间会插入一段延时,这段延时就是图中的HFP 信号。同理,当显示完一帧图像以后电子枪也会关闭,然后等到VSYNC信号产生,期间也会加入一段延时,这段延时就是图中的VFPVSYNC信号产生,电子枪移动到左上角,当 VSYNC信号结束以后电子枪重新打开,中间也会加入一段延时,这段延时就是图中的VBP。

HBP、HFP、VBP 和 VFP 就是导致图中黑边的原因,但是这是CRT显示器存在黑边的原因,现在是LCD显示器,不需要电子枪了,那么为何还会有黑边呢?这是因为RGB LCD屏幕内部是有一个IC的,发送一行或者一帧数据给IC, IC是需要反应时间的。通过这段反应时间可以让IC识别到一行数据扫描完了,要换行了,或者一帧图像扫描完了,要开始下一帧图像显示了。因此,在LCD屏幕中继续存在HBP、HFP、VPB和VFP这四个参数的主要目的是为了锁定有效的像素数据。这四个时间是LCD重要的时间参数,后面编写LCD驱动的时候要用到的,至于这四个时间参数具体值是多少,那要需要去查看所使用的LCD数据手册了。

RGB LCD屏幕时序

上面讲了行显示和帧显示,看一下行显示对应的时序图,如图所示:

 

HSYNC:行同步信号,当此信号有效的话就表示开始显示新的一行数据,查阅所使用的LCD数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效,假设此时是低电平有效。

HSPW:有些地方也叫做thp,是HSYNC信号宽度,也就是HSYNC信号持续时间。HSYNC信号不是一个脉冲,而是需要持续一段时间才是有效的,单位为CLK。

HBP:有些地方叫做thb,前面已经讲过了,术语叫做行同步信号后肩,单位是CLK。

HOZVAL:有些地方叫做thd,显示一行数据所需的时间,假如屏幕分辨率为1024*600,那么HOZVAL就是1024,单位为CLK。

HFP:有些地方叫做thf,前面已经讲过了,术语叫做行同步信号前肩,单位是CLK。

当HSYNC信号发出以后,需要等待HSPW+HBP个CLK时间才会接收到真正有效的像素数据。当显示完一行数据以后需要等待HFP个CLK时间才能发出下一个HSYNC 信号,所以显示一行所需要的时间就是: HSPW + HBP+ HOZVAL +HFP。

一帧图像就是由很多个行组成的,RGB LCD 的帧显示时序如图所示:

 

VSYNC:帧同步信号,当此信号有效的话就表示开始显示新的一帧数据,查阅所使用的LCD数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效,假设此时是低电平有效。

VSPW:有些地方也叫做tvp,是VSYNC信号宽度,也就是VSYNC信号持续时间,单位为1行的时间。

VBP:有些地方叫做tvb,前面已经讲过了,术语叫做帧同步信号后肩,单位为1行的时间。

LINE:有些地方叫做tvd,显示一帧有效数据所需的时间,假如屏幕分辨率为1024*600,那么 LINE就是600行的时间。

VFP:有些地方叫做tvf,前面已经讲过了,术语叫做帧同步信号前肩,单位为1 行的时间。

显示一帧所需要的时间就是: VSPW+VBP+LINE+VFP个行时间,最终的计算公式:

T=(VSPW+VBP+LINE+VFP)* (HSPW+ HBP+HOZVAL+HFP)

因此我们在配置一款RGB LCD的时候需要知道这几个参数:HOZVAL(屏幕有效宽度)、LINE(屏幕有效高度)、HBP、HSPW、HFP、VSPW、VBP 和 VFP。RGB LCD屏幕的参数如表所示:

 

像素时钟

像素时钟就是RGBLCD的时钟信号,以ATK7016这款屏幕为例,显示一帧图像所需要的时钟数就是:

=(VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW+HBP+ HOZVAL+ HFP)

= (3 + 20 + 600 + 12) * (20 + 140 + 1024+ 160)

= 635 *1344

= 853440

显示一帧图像需要853440个时钟数,那么显示60帧就是:853440* 60=51206400~51.2M,所以像素时钟就是51.2MHz。

显存

在讲像素格式的时候就已经说过了,如果采用ARGB8888格式的话一个像素需要4个字节的内存来存放像素数据,那么1024*600分辨率就需要1024*600*4=2457600B≈2.4MB内存。但是RGB LCD内部是没有内存的,所以就需要在开发板上的DDR3中分出一段内存作为RGBLCD屏幕的显存,如果要在屏幕上显示什么图像的话直接操作这部分显存即可。方法很简单,直接定义一个32位的数组。u32 lcdframe[1024*600],一个像素占32位,创建分辨率等于多少个像素的数组。