LCD 驱动之硬件时序

背景知识

1. LCD工作的硬件需求：

   要使一块LCD正常的显示文字或图像，不仅需要LCD驱动器，而且还需要相应的LCD控制器。在通常情况下，生产厂商把LCD驱动器会以COF/COG的形式与LCD玻璃基板制作在一起，而LCD控制器则是由外部的电路来实现，现在很多的MCU内部都集成了LCD控制器，如S3C2410/2440等。通过LCD控制器就可以产生LCD驱动器所需要的控制信号来控制STN/TFT屏了。

 

2. S3C2440内部LCD控制器结构图：

我们根据数据手册来描述一下这个集成在S3C2440内部的LCD控制器：

a：LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS寄存器组成；

b：REGBANK由17个可编程的寄存器组和一块256*16的调色板内存组成，它们用来配置LCD控制器的；

c：LCDCDMA是一个专用的DMA，它能自动地把在侦内存中的视频数据传送到LCD驱动器，通过使用这个DMA通道，视频数据在不需要CPU的干预的情况下显示在LCD屏上；

d：VIDPRCS接收来自LCDCDMA的数据，将数据转换为合适的数据格式，比如说4/8位单扫，4位双扫显示模式，然后通过数据端口VD[23:0]传送视频数据到LCD驱动器；

e：TIMEGEN由可编程的逻辑组成，他生成LCD驱动器需要的控制信号，比如VSYNC、HSYNC、VCLK和LEND等等，而这些控制信号又与REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5的配置密切相关，通过不同的配置，TIMEGEN就能产生这些信号的不同形态，从而支持不同的LCD驱动器(即不同的STN/TFT屏)。

 

3. 常见TFT屏工作时序分析：

 

LCD提供的外部接口信号：

VSYNC/VFRAME/STV：垂直同步信号(TFT)/帧同步信号(STN)/SEC TFT信号； HSYNC/VLINE/CPV：水平同步信号(TFT)/行同步脉冲信号(STN)/SEC TFT信号； VCLK/LCD_HCLK：象素时钟信号(TFT/STN)/SEC TFT信号； VD[23:0]：LCD像素数据输出端口(TFT/STN/SEC TFT)； VDEN/VM/TP：数据使能信号(TFT)/LCD驱动交流偏置信号(STN)/SEC TFT 信号； LEND/STH：行结束信号(TFT)/SEC TFT信号； LCD_LPCOE：SEC TFT OE信号； LCD_LPCREV：SEC TFT REV信号； LCD_LPCREVB：SEC TFT REVB信号。

 

所有显示器显示图像的原理都是从上到下，从左到右的。这是什么意思呢？这么说吧，一副图像可以看做是一个矩形，由很多排列整齐的点一行一行组成，这些点称之为像素。那么这幅图在LCD上的显示原理就是：

A：显示指针从矩形左上角的第一行第一个点开始，一个点一个点的在LCD上显示，在上面的时序图上用时间线表示就为VCLK，我们称之为像素时钟信号； B：当显示指针一直显示到矩形的右边就结束这一行，那么这一行的动作在上面的时序图中就称之为1 Line； C：接下来显示指针又回到矩形的左边从第二行开始显示，注意，显示指针在从第一行的右边回到第二行的左边是需要一定的时间的，我们称之为行切换； D：如此类推，显示指针就这样一行一行的显示至矩形的右下角才把一副图显示完成。因此，这一行一行的显示在时间线上看，就是时序图上的HSYNC； E：然而，LCD的显示并不是对一副图像快速的显示一下，为了持续和稳定的在LCD上显示，就需要切换到另一幅图上(另一幅图可以和上一副图一样或者不一样，目的只是为了将图像持续的显示在LCD上)。那么这一副一副的图像就称之为帧，在时序图上就表示为1 Frame，因此从时序图上可以看出1 Line只是1 Frame中的一行； F：同样的，在帧与帧切换之间也是需要一定的时间的，我们称之为帧切换，那么LCD整个显示的过程在时间线上看，就可表示为时序图上的VSYNC。

 

上面时序图上各时钟延时参数的含义如下：(这些参数的值，LCD产生厂商会提供相应的数据手册)

VBPD(vertical back porch)：表示在一帧图像开始时，垂直同步信号以后的无效的行数，对应驱动中的upper_margin； VFBD(vertical front porch)：表示在一帧图像结束后，垂直同步信号以前的无效的行数，对应驱动中的lower_margin； VSPW(vertical sync pulse width)：表示垂直同步脉冲的宽度，用行数计算，对应驱动中的vsync_len； HBPD(horizontal back porch)：表示从水平同步信号开始到一行的有效数据开始之间的VCLK的个数，对应驱动中的left_margin； HFPD(horizontal front porth)：表示一行的有效数据结束到下一个水平同步信号开始之间的VCLK的个数，对应驱动中的right_margin； HSPW(horizontal sync pulse width)：表示水平同步信号的宽度，用VCLK计算，对应驱动中的hsync_len；

 

对于以上这些参数的值将分别保存到REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5寄存器中：(对寄存器的操作请查看S3c2440数据手册LCD部分)

LCDCON1：17 - 8位CLKVAL           6 - 5位扫描模式(对于STN屏:4位单/双扫、8位单扫)           4 - 1位色位模式(1BPP、8BPP、16BPP等) LCDCON2：31 - 24位VBPD          23 - 14位LINEVAL          13 - 6位VFPD           5 - 0位VSPW LCDCON3：25 - 19位HBPD          18 - 8位HOZVAL           7 - 0位HFPD LCDCON4： 7 - 0位HSPW LCDCON5：

 

4. 帧缓冲(FrameBuffer)：

   帧缓冲是Linux为显示设备提供的一个接口，它把一些显示设备描述成一个缓冲区，允许应用程序通过FrameBuffer定义好的接口访问这些图形设备，从而不用去关心具体的硬件细节。对于帧缓冲设备而言，只要在显示缓冲区与显示点对应的区域写入颜色值，对应的颜色就会自动的在屏幕上显示。下面来看一下在不同色位模式下缓冲区与显示点的对应关系：

5.lcd硬件电路：

以上总结转自： http://blog.chinaunix.net/u3/101649/showart.php?id=2188364

 

 

归纳总结：

一.s3c2440为我们提供了便利的lcd接口，（GPC管脚用于VD[7:0],LCDVF[2:0],VM,VFRAME,VLINE,VCLK,LEND）（GPD管教用于VD[23:8]） 详情见s3c2440的datasheet。

 

二.对于控制TFT LCD来说，只用设置寄存器LCDCON1~LCDCON5（ 用于选择LCD类型，设置各类控制信号的时间特性等）和LCDSADDR1~LCDSADDR3（ 用于设置帧内存地址）几个寄存器就可以了。对于这几个寄存器的设置：

/*           * 设置LCD控制器的控制寄存器LCDCON1~5          * 1. LCDCON1:          * 设置VCLK的频率：VCLK(Hz) = HCLK/[(CLKVAL+1)x2]          * 选择LCD类型: TFT LCD           * 设置显示模式: 8BPP          * 先禁止LCD信号输出          * 2. LCDCON2/3/4:          * 设置控制信号的时间参数          * 设置分辨率，即行数及列数          * 现在，可以根据公式计算出显示器的频率：          * 当HCLK=100MHz时，          * Frame Rate = 1/[{(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LIINEVAL+1)+(VFPD+1)}x          * {(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1)}x          * {2x(CLKVAL+1)/(HCLK)}]          * = 60Hz          * 3. LCDCON5:          * 设置显示模式为8BPP时，调色板中的数据格式: 5:6:5          * 设置HSYNC、VSYNC脉冲的极性(这需要参考具体LCD的接口信号): 反转          * 字节交换使能          */ 其中VBPD，VFPD，VSPW，HBPD，HFPD，HSPW这几个参数是有LCD生产商提供的，根据其datashet修改就是了。 ===================================================================================          /*          * 设置LCD控制器的地址寄存器LCDSADDR1~3          * 帧内存与视口(view point)完全吻合，          * 图像数据格式如下(8BPP时，帧缓冲区中的数据为调色板中的索引值)：          *         |----PAGEWIDTH----|          *    y/x  0   1   2       639          *     0   idx idx idx ... idx          *     1   idx idx idx ... idx          * 1. LCDSADDR1:          *    设置LCDBANK、LCDBASEU          * 2. LCDSADDR2:          *    设置LCDBASEL: 帧缓冲区的结束地址A[21:1]          * 3. LCDSADDR3:          *    OFFSIZE等于0，PAGEWIDTH等于(640/2)          */

三.部分代码赏析：

/*  * 初始化用于LCD的引脚  */ void Lcd_Port_Init(void) {     GPCUP = 0xffffffff; // 禁止内部上拉     GPCCON = 0xaaaaaaaa; // GPIO管脚用于VD[7:0],LCDVF[2:0],VM,VFRAME,VLINE,VCLK,LEND      GPDUP = 0xffffffff; // 禁止内部上拉     GPDCON = 0xaaaaaaaa; // GPIO管脚用于VD[23:8]     printf("Initializing GPIO ports..........\n"); } /*  * 初始化LCD控制器  * 输入参数：  * type: 显示模式  * MODE_TFT_8BIT_240320 : 240*320 8bpp的TFT LCD  * MODE_TFT_16BIT_240320 : 240*320 16bpp的TFT LCD  * MODE_TFT_8BIT_640480 : 640*480 8bpp的TFT LCD  * MODE_TFT_16BIT_640480 : 640*480 16bpp的TFT LCD  * MODE_TFT_8BIT_320240 : 640*480 16bpp的TFT LCD  */ void Tft_Lcd_Init(int type) {     switch(type)     {     ......省略 case MODE_TFT_8BIT_320240:         /*           * 设置LCD控制器的控制寄存器LCDCON1~5          * 1. LCDCON1:          * 设置VCLK的频率：VCLK(Hz) = HCLK/[(CLKVAL+1)x2]          * 选择LCD类型: TFT LCD           * 设置显示模式: 8BPP          * 先禁止LCD信号输出          * 2. LCDCON2/3/4:          * 设置控制信号的时间参数          * 设置分辨率，即行数及列数          * 现在，可以根据公式计算出显示器的频率：          * 当HCLK=100MHz时，          * Frame Rate = 1/[{(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LIINEVAL+1)+(VFPD+1)}x          * {(HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1)}x          * {2x(CLKVAL+1)/(HCLK)}]          * = 60Hz          * 3. LCDCON5:          * 设置显示模式为8BPP时，调色板中的数据格式: 5:6:5          * 设置HSYNC、VSYNC脉冲的极性(这需要参考具体LCD的接口信号): 反转          * 字节交换使能          */         LCDCON1 = (CLKVAL_TFT_320240<<8) | (LCDTYPE_TFT<<5) | \                   (BPPMODE_8BPP<<1) | (ENVID_DISABLE<<0);         LCDCON2 = (VBPD_320240<<24) | (LINEVAL_TFT_320240<<14) | \                   (VFPD_320240<<6) | (VSPW_320240);         LCDCON3 = (HBPD_320240<<19) | (HOZVAL_TFT_320240<<8) | (HFPD_320240);         LCDCON4 = HSPW_320240;         LCDCON5 = (FORMAT8BPP_565<<11) | (HSYNC_INV<<9) | (VSYNC_INV<<8) | \                   (BSWP<<1);         /*          * 设置LCD控制器的地址寄存器LCDSADDR1~3          * 帧内存与视口(view point)完全吻合，          * 图像数据格式如下(8BPP时，帧缓冲区中的数据为调色板中的索引值)：          * |----PAGEWIDTH----|          * y/x 0 1 2 639          * 0 idx idx idx ... idx          * 1 idx idx idx ... idx          * 1. LCDSADDR1:          * 设置LCDBANK、LCDBASEU          * 2. LCDSADDR2:          * 设置LCDBASEL: 帧缓冲区的结束地址A[21:1]          * 3. LCDSADDR3:          * OFFSIZE等于0，PAGEWIDTH等于(640/2)          */         LCDSADDR1 = ((LCDFRAMEBUFFER>>22)<<21) | LOWER21BITS(LCDFRAMEBUFFER>>1);         LCDSADDR2 = LOWER21BITS((LCDFRAMEBUFFER+ \                     (LINEVAL_TFT_320240+1)*(HOZVAL_TFT_320240+1)*1)>>1);         LCDSADDR3 = (0<<11) | (LCD_XSIZE_TFT_320240/2);         /* 禁止临时调色板寄存器 */         TPAL = 0;         fb_base_addr = LCDFRAMEBUFFER;         bpp = 8;         xsize = 320;         ysize = 240;         break;     default:         break;     } } /*  * 设置调色板  */ void Lcd_Palette8Bit_Init(void) {     int i;      volatile unsigned int *palette;     LCDCON5 |= (FORMAT8BPP_565<<11); // 设置调色板中数据格式为5:6:5     palette = (volatile unsigned int *)PALETTE;     for (i = 0; i < 256; i++)         *palette++ = DEMO256pal[i]; } /*  * 改变调色板为一种颜色  * 输入参数：  * color: 颜色值，格式为0xRRGGBB  */ void ChangePalette(UINT32 color) {     int i;     unsigned char red, green, blue;     UINT32 *palette;     palette=(UINT32 *)PALETTE;     for (i = 0; i < 256; i++)     {         red = (color >> 19) & 0xff;         green = (color >> 10) & 0xff;         blue = (color >> 3) & 0xff;         color = (red << 11) | (green << 5) | blue; // 格式5:6:5         while ((LCDCON5>>16) == 2); // 等待直到VSTATUS不为”有效”         *palette++ = color;     } } /*  * 设置是否输出LCD电源开关信号LCD_PWREN  * 输入参数：  * invpwren: 0 - LCD_PWREN有效时为正常极性  * 1 - LCD_PWREN有效时为反转极性  * pwren: 0 - LCD_PWREN输出有效  * 1 - LCD_PWREN输出无效  */ void Lcd_PowerEnable(int invpwren, int pwren) {     GPGCON = (GPGCON & (~(3<<8))) | (3<<8); // GPG4用作LCD_PWREN     GPGUP = (GPGUP & (~(1<<4))) | (1<<4); // 禁止内部上拉        LCDCON5 = (LCDCON5 & (~(1<<5))) | (invpwren<<5); // 设置LCD_PWREN的极性: 正常/反转     LCDCON5 = (LCDCON5 & (~(1<<3))) | (pwren<<3); // 设置是否输出LCD_PWREN } /*  * 设置LCD控制器是否输出信号  * 输入参数：  * onoff:   * 0 : 关闭  * 1 : 打开  */ void Lcd_EnvidOnOff(int onoff) {     if (onoff == 1)         LCDCON1 |= 1; // ENVID ON     else         LCDCON1 &= 0x3fffe; // ENVID Off } /*  * 使用临时调色板寄存器输出单色图像  * 输入参数：  * color: 颜色值，格式为0xRRGGBB  */ void ClearScrWithTmpPlt(UINT32 color) {     TPAL = (1<<24)|((color & 0xffffff)<<0); } /*  * 停止使用临时调色板寄存器  */ void DisableTmpPlt(void) {     TPAL = 0; }

4.上传完整代码，make 生成lcd.bin.下载到nandflash中即可运行。在串口终端输出：

##### Test TFT LCD ##### [1] TFT320240 8Bit [2] TFT240320 16Bit [3] TFT640480 8Bit [4] TFT640480 16Bit Enter your selection: 1 Initializing GPIO ports.......... [TFT 64K COLOR(16bpp) LCD TEST] 1. Press any key to draw line 2. Press any key to draw circles 3. Press any key to fill the screem with one color 4. Press any key to fill the screem by temporary palette 5. Press any key to fill the screem by palette 6. Press any key stop the testing

可以看到LCD显示屏显示。