【ARM裸板】LCD硬件原理、时序及初始化

1.LCD与OLED的区别

• LCD背光源与OLED自发光

• LCD无机材料，LCD寿命较长。OLED广视角、几乎无穷高的对比度、可以弯曲、较低耗电优点。
  

2.LCD原理

• 屏幕上的每一个点称为像素
• 每个像素点由RGB三原色组成
  

2.1 颜色如何确定？

• 由RGB三组信号线组成
• 由下原理图可知：R5条、G6条，B5条，即RGB565（彩色模式, 一个像素占两个字节）
• 因此其每个像素占用多少位（BBP：bit per piexl）为2个字节
  

2.2 LCD如何“行扫描”？

• 有一条CLK时钟线与LCD相连，每发出一次CLK(高低电平)，就移动一个像素。

2.3 如何跳到下一行进行“行扫描”？

• 有一条HSYNC（水平同步信号）信号线与LCD相连，每发出一次脉冲(高低电平)，行扫描跳到下一行的起始位置。

2.4 如何进行下一个“场扫描”？

• 有一条VSYNC（垂直同步信号）信号线与LCD相连，每发出一次脉冲(高低电平)，就跳到原点。

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注意：RGB数据线上的数据从何而来？
内存里面手动划分一块显存(FrameBuffer)，里面存放了要显示的数据，LCD控制器从里面将数据读出来，通过RGB三组线传给LCD，再依次打到显示屏上。

3.LCD时序

• 分辨率 = Hsync的个数 * 一行中的有效CLK

完整时序图：

形象时序图：

以上两张图可以解释LCD控制时序中的Hsync与Vsync的协同（可以理解 一帧是一个垂直同步信号、一行是一个水平同步信号）

• 1.首先一帧（Vsync）中有若干个行（Hsync），设为y，Vsync发出帧脉冲宽度Tvp
• 2.经过 Tvb 时间，才可以发送一帧的数据，从第一行开始
• 3.其次一行（Hsync）中有若干个时钟信号（CLK），有效的设为x，Hsync发出脉冲宽度Thp
• 4.经过 Thb 时间，才可以发送一行的数据
• 5.直到发送到一行的最后一个像素，经过 Thf 时间，才会有下一个水平同步信号（Hsync）
• 6.直到发送到最后一行，经过 Tvf 时间，才会有下一个垂直同步信号（Vsync）

由上可知几个重要的信号引脚：Hsync、Vsync 、CLK、Dn
由上可知几个重要的时间参数：Tvp、Tvb 、Thp、Thb、Thf 、Tvf

4.LCD控制器

思路：

• 1.取数据：把FrameBuffer的地址、bpp、分辨率告诉LCD控制器
• 2.发数据：把时序告诉LCD控制器、并设置引脚的极性（本款是下降沿取数据，但是有的LCD是上升沿有效，因此需要设置极性）

4.1 像素数据格式

• 使用的像素数格式如下：16BPP
  

565数据格式引脚连接图：

4.2 调色板

• 本应该用FrameBuffer中用16bit表示1像素，可以用8bit存放在FrameBuffer来省空间
• 8bit存放的是调色板中颜色的索引（共256中16bit颜色）

那么当使用像素深度为8pp时候，像素深度和我们的带宽不一致，我们的颜色要用16位表示，如果直接用上肯定不可能，那我们就可以选择用调色板，调色板中存放了256种16bpp的颜色，这时候我们color存放的就不是真实的颜色值了，而是存放的是调色板中256种颜色的索引，成线性关系一一对应，这样我们大大减轻了系统的负担。用16bpp还是8bpp这得取决实际情况，16bpp肯定比8pp清晰，但同时带来的负荷也更加重。

调色板工作示意图

5.编程框架

面向对象编程
参数层：

• 1.抽象出（不同设备）共同的参数结构体
• 2.上层的设备结构体指针指向所需的参数结构体

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驱动层

• 1.抽象不同平台的LCD控制器结构体
• 2.上层的LCD控制器结构体指针指向所需的结构体

6. 结构体参数

6.1 引脚极性结构体

由上3.LCD时序可知几个重要的信号引脚：Hsync、Vsync 、CLK、Dn：Hsync、Vsync 、CLK、Dn

/* 引脚极性结构体
 * NORMAL：正常极性
 * INVERT：反转极性
 */
typedef struct pins_polarity{
	int vclk;  /* normal：下降沿获取数据 */
	int rgb;   /* normal：高电平表示1 */
	int hsync; /* normal：高脉冲 */
	int vsync; /* normal：高脉冲 */
}pins_polarity, *p_pins_polarity;

6.2 时序结构体

由上3.LCD时序可知几个重要的时间参数：Tvp、Tvb 、Thp、Thb、Thf 、Tvf

/* 时序结构体
 * NORMAL：正常极性
 * INVERT：反转极性
 */
typedef struct time_sequence{
	/* 垂直方向 */
	int tvp; /* Vsync脉冲宽度 */
	int tvb; /* 上边黑框 Vertical Back porch */
	int tvf; /* 下边黑框 Vertical Front porch */
	/* 水平方向 */
	int thp; /* Hsync脉冲宽度 */
	int thb; /* 左边黑框 Horizontal Back porch*/
	int tvf; /* 右边黑框 Horizontal Front porch */
}time_sequence,*p_time_sequence;

6.3 LCD控制器结构体

包含初始化、使能、禁止函数

/* 抽象LCD控制器结构体
 * 向上：接收不同的LCD参数
 * 向下：使用这些参数设置对应的LCD Controller
*/
typedef struct lcd_controller{
	void (*init)(p_lcd_params plcdparams); //初始化
	void (*enable)(void);  //使
	void (*disable)(void); //禁止 

}lcd_controller,*p_lcd_controller;

7.初始化LCD引脚

• 初始LCD专用引脚，配置其模式：LCD Data 与 LCD Control

/* 初始化LCD引脚 */
void jz2440_pin_init(void)
{
	/* 初始化 背光引脚： GPB0 */
	GPBCON &= ~0x03;
	GPBCON |= 0x01;  //输出模式

	/* 初始化LCD专用引脚  */
	GPCCON = 0xAAAAAAAA;
	GPDCON = 0xAAAAAAAA;

	/* 电源引脚 LCD_PWRDN */
	GPGCON |= (3<<8);
}

为了方便GPC、GPD两组，都设置为LCD专用引脚为 0xAAAAAAAA

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• 由下图S3C2440 LCD控制器时序可得，在设置寄存器时需要在时间参数上-1
  

8.LCD控制器初始化

8.1 LCDCON1

	/* LCDCON1[17:8] : CLKVAL, vclk = HCLK/[(CLKVAL+1)*2] 
	 *                              = 100M/[(CLKVAL+1)*2]
	 *						   CLKVAL = 100/vclk/2 - 1 , vclk
 	 * [6:5]：0b11，TFT LCD
 	 * [4:1]：bpp mode
 	 * [0]  ：LCD video output and the logic enable(1)/disable(0)
	*/
	int clkval  = (double)100/plcdparams->time_seq.vclk/2 - 1 + 0.5;
	int bppmode = (plcdparams ==  8) ? 0x0B :\ //8bpp
				  (plcdparams == 16) ? 0x0C :\ //16bpp
				  0x0D; //24bpp 

	LCDCON1 = (clkval << 8) | (3 << 5) | (bppmode << 1);

8.2 LCDCON2

	/*  垂直
	 *  [31:24] ：VBPD    = Tvb - 1
	 *  [23:14] ：LINEVAL = line - 1  行数值
	 *  [13:6]  ：VFPD    = Tvf - 1 
	 *  [5:0]	：VSPW 	  = Tvp -1
	 */
	LCDCON2 = ((plcdparams->time_seq.tvb -1) << 24) | \
			  ((plcdparams->yres -1) << 14) 		| \
			  ((plcdparams->time_seq.tvf -1) << 6 ) | \
		  	  ((plcdparams->time_seq.tvp -1) << 0 );

8.3 LCDCON3

	/*  水平	  	  
	 *  [31:19] ：HBPD    = Thb - 1
	 *  [18:8]  ：HOZVAL  = 列 - 1  横向像素点
	 *  [7:0]   ：HFPD    = Thf - 1 
	 */
	LCDCON3 = ((plcdparams->time_seq.thb -1) << 19) | \
			  ((plcdparams->xres -1) << 8) 			| \
			  ((plcdparams->time_seq.thf -1) << 0 );

8.4 LCDCON4

	/*  [23:14] ：HSPW = thp - 1  行脉冲宽度
	 */
	LCDCON4 = ((plcdparams->time_seq.thp -1) << 0 );

8.5 LCDCON5

	/* 用来设置引脚极性, 设置16bpp数据格式, 设置内存中象素存放的格式
     * [12] : BPP24BL,This bit determines the order of 24 bpp video memory.
	 * [11] : FRM565, 1-565
	 * [10] : INVVCLK, 0 = The video data is fetched at VCLK falling edge
	 * [9]  : HSYNC是否反转
	 * [8]  : VSYNC是否反转
	 * [7]  : INVVD, rgb是否反转
	 * [6]  : INVVDEN
	 * [5]  : INVPWREN
	 * [4]  : INVLEND
	 * [3]  : PWREN, LCD_PWREN output signal enable/disable
	 * [2]  : ENLEND  
	 * [1]  : BSWP
	 * [0]  : HWSWP
	 */

	pixelformat = plcdparams->pins_pol.bpp == 24 ? (1<<12) : \//24bpp
				  plcdparams->pins_pol.bpp == 16 ? (1) : \ //16bpp
				  (1<<1);//8ppp
	LCDCON5 = (plcdparams->pins_pol.vclk<<10) |\
			  (plcdparams->pins_pol.hsync<<9) |\
			  (plcdparams->pins_pol.vsync<<8) |\
			  (plcdparams->pins_pol.rgb<<7)   |\
			  (plcdparams->pins_pol.de<<6)    |\
			  (plcdparams->pins_pol.pwren<<5) |\
			  (1<<11) | pixelformat;

8.6 LCDSADDR

• 由下图可知：是将fb_base的[30:1]直接写入LCDSADDR1寄存器

起始地址

结束地址 = 起始地址 + x * y * bpp/8
即为：起始地址+一帧所占空间大小

9.构造LCD参数结构体

对于该款4.3寸LCD而言的参数设置

/* 该款4.3寸 LCD参数结构体 */
lcd_params lcd_4_3_params{ 
	.name = "lcd4.3",
	.pins_pol = {
		vclk  = NORMAL,  /* normal：下降沿获取数据 */
		hsync = INVERT, /* normal：高脉冲 */
		vsync = INVERT, /* normal：高脉冲 */

		rgb   = NORMAL,   /* normal：高电平表示1 */

		de    = NORMAL,    /* normal：高电平使能 data enable */
		pwren = NORMAL, /* normal：高电平使能power enable */
	},
	.time_seq = {
		/* 垂直方向 */
		tvp = 10, /* Vsync脉冲宽度 */
		tvb = 2, /* 上边黑框 Vertical Back porch */
		tvf = 2, /* 下边黑框 Vertical Front porch */

		/* 水平方向 */
		thp = 41, /* Hsync脉冲宽度 */
		thb = 2, /* 左边黑框 Horizontal Back porch*/
		thf = 2, /* 右边黑框 Horizontal Front porch */

		vlck = 9,/* MHz */
	}.
	.xres = 480,
	.yres = 272,
	.bpp  = 16,  /* 16bit */
	.fb_base,
};