第017课 LCD原理详解及裸机程序分析

第001节_LCD硬件原理

先简单介绍下LCD的操作原理。 如下图的LCD示意图，里面的每个点就是一个像素点。

想象有一个电子枪，一边移动，一边发出各种颜色的光。这里有很多细节问题，我们一个一个的梳理。

• 1. 电子枪是如何移动的？ 答：有一条CLK时钟线与LCD相连，每发出一次CLK(高低电平)，电子枪就移动一个像素。
• 1. 颜色如何确定？ 答：由连接LCD的三组线：R(Red)、G(Green)、B(Blue)确定。
• 1. 电子枪如何得知应跳到下一行？ 答：有一条HSYNC信号线与LCD相连，每发出一次脉冲(高低电平)，电子枪就跳到下一行。
• 1. 电子枪如何得知应跳到原点？ 答：有一条VSYNC信号线与LCD相连，每发出一次脉冲(高低电平)，电子枪就跳到原点。
• 1. RGB线上的数据从何而来？ 答：内存里面划分一块显存(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三组线传给电子枪，电子枪再依次打到显示屏上。
• 1. 前面的信号由谁发给LCD？ 答：有S3C2440里面的LCD控制器来控制发出信号。

通过JZ2440原理图对上面进行验证，下图的LCD控制器接口图。

①是时钟信号，每来一个CLK，电子枪就移动一个像素；

②是用来传输颜色数据；

③是垂直方向同步信号，FRAME(帧)；

④是水平方向同步信号，LINE(行)；

再来看看LCD的芯片手册。

先是VLED+、VLED-背光灯电源。VDD、VDD是LCD电源。

R0-R7、G0-G7、B0-B7是红绿蓝颜色信号。

PCLK是像素时钟信号。DISP是像素开关。

HSYNC、VSYNC分别是水平方向、垂直方向信号。

DE数据使能。X1、Y1、X2、Y2是触摸屏信号。

可以看出LCD有很多信号，这些信号要根据时序图传输才能正确显示。参考JZ2440_4.3寸LCD手册_AT043TN24的时序如下：

从最小的像素开始分析，电子枪每次在CLK下降沿(本开发板是下降沿)从数据线Dn0-Dn7上得到数据，发射到显示屏上，然后移动到下一个位置。Dn0-Dn7上的数据来源就是前面介绍的FrameBuffer。就这样从一行的最左边，一直移动到一行的最右边，完成了一行的显示，假设为x。

当打完一行的最后一个数据后，就会收到Hsync行同步信号，根据时序图，一个Hsync周期可以大致分为五部分组成：thp、thb、1/tc、thd、thf。thp称为脉冲宽度，这个时间不能太短，太短电子枪可能识别不到。电子枪正确识别到thp后，会从最右端移动最左端，这个移动的时间就是thb，称之为移动时间。thf表示显示完最右像素，再过多久Hsync才来。

同理，当电子枪一行一行的从上面移动到最下面时，Vsync垂直同步信号就让电子枪移动回最上边。Vsync中的tvp是脉冲宽度，tvb是移动时间，tvf表示显示完最下一行像素，再过多久Vsync才来。 假设一共有y行，则LCD的分辨率就是x*y。

关于显示原理，可以参考这篇博客：http://www.cnblogs.com/shangdawei/p/4760933.html

里面有一个LCD显示配置示意图如下：

当发出一个HSYNC信号后，电子枪就会从最右边花费HBP时长移动到最左边，等到了最右边后，等待HFP时长HSYNC信号才回来。因此，HBP和HFP分别决定了左边和右边的黑框。

同理，当发出一个VSYNC信号后，电子枪就会从最下边花费VBP时长移动到最上边，等到了最下边后，等待VFP时长VSYNC信号才回来。因此，VBP和VFP分别决定了上边和下边的黑框。 中间灰色区域才是有效显示区域。

再来解决最后一个问题：每个像素再FrameBuffer中，占据多少位BPP(Bits Per Pixels)？ 前面的LCD引脚功能图里，R0-R7、G0-G7、B0-B7，每个像素是占据3*8=24位的，即硬件上LCD的BPP是确定的。

虽然LCD上的引脚是固定的，但我们使用的时候，可以根据实际情况进行取舍，比如我们的JZ2440使用的是16BPP，因此LCD只需要R0-R4、G0-G5、B0-B4与SOC相连，5+6+6=16BPP，每个像素就只占据16位数据。

我们写程序的思路如下：

1. 查看LCD芯片手册，查看相关的时间参数、分辨率、引脚极性；

2. 根据以上信息设置LCD控制器寄存器，让其发出正确信号；

3. 在内存里面分配一个FrameBuffer，在里面用若干位表示一个像素，再把首地址告诉LCD控制器；

之后LCD控制器就能周而复始取出FrameBuffer里面的像素数据，配合其它控制信号，发送给电子枪，电子枪再让在LCD上显示出来。以后我们想显示图像，只需要编写程序向FrameBuffer填入相应数据即可，硬件会自动的完成显示操作。

第002节_S3C2440_LCD控制器

LCD控制器主要功能和需要的设置：

• 1. 取：从内存(FrameBuffer)取出某个像素的数据；之后需要把FrameBuffer地址、BPP、分辨率告诉LCD控制器；
• 1. 发：配合其它信号把FrameBuffer数据发给LCD；需要设置LCD控制器时序、设置引脚极性；

这里主要的难点就是如何配合其它信号，需要我们阅读LCD芯片手册，知道其时序要求，然后设置相应的LCD控制器。

先看下S3C2440芯片手册上的LCD控制器框图：

通过设置REGBANK(寄存器组)，LCDCDMA会自动(无需CPU参与)把内存上FrameBuffer里的数据，通过VIDPRCS发送到引脚VD[23:0]上，再配合VIDEOMUX引脚的控制信号，正确的显示出来。

S3C2440芯片手册介绍了LCD控制器支持TFT和STN两种LCD，我们常用的都是TFT材质的，因此主要看TFT相关的部分。

调色板的概念：

画油画的时候，通常先在调色板里配好想要的颜色，再用画笔沾到画布上作画。LCD控制器里也借用了这个概念，从FrameBuffer获得数据，这个数据作为索引从调色板获得对应数据，再发给电子枪显示出来。

如图，假如是16BPP的数据，LCD控制器从FB取出16bit数据，显示到LCD上。

当如果想节约内存，对颜色要求也没那么高，就可以采用调色板的方式，调色板里存放了256个16bit的数据，FB只存放每个像素的索引，根据索引去调色板找到对应的数据传给LCD控制器，再通过电子枪显示出来。

假设现在想要LCD只显示一种颜色怎么办？

如果是16BPP/24BPP需要修改FB里面的数据，填充同一个值。

如果是8BPP可以修改FB为同一种颜色，也可以设置调色板为同一种颜色，对于S3C22440有个临时调色板的特性，一旦使能了临时调色板，不管FB里面是什么数据，都只调用临时调色板的数据。

第003节编程框架与准备

本节主要有两个目的：

a. 讲解后续程序的框架；

b. 准备一个支持NAND、NOR启动的程序；

我们的目的是在LCD显示屏上画线、画圆(geomentry.c)和写字(font.c)其核心是画点(farmebuffer.c)，这些都属于纯软件。此外还需要一个lcd_test.c测试程序提供操作菜单，调用画线、画圆和写字操作。

往下操作的是LCD相关的内容，不同的LCD，其配置的参数也会不一样，通过lcd_3.5.c或lcd_4.3.c来设置。

根据LCD的特性，来设置LCD控制器，对于我们开发板，就是s3c2440_lcd_controller.c，假如希望在其它开发板上也实现LCD显示，只需添加相应的代码文件即可。

这就是LCD编程的框架，尽可能的“高内聚低耦合”。

为了让程序更加好扩展，下面介绍“面向对象编程”的概念。

假如我们写好程序后，有两款尺寸大小的lcd，如何快速的在两个lcd上切换？

首先我们抽象出lcd_3.5.c和lcd_4.3.c的共同点，比如都有初始化函数init(),我们可以新建一个lcd.c，然后定义一个结构体：

struct lcd_opr{
    void (*init)(void);
};

用户不接触lcd_3.5.c和lcd_4.3.c，只需要在lcd.c里通过指针访问对应的结构体的函数，也就调用了不同init()。

前面我们的程序大小都没超过4K，因此无论Nor/Nand启动，都是正常的，现在的LCD相关代码比较大，超过4K，因此需要修改启动部分的代码。

目前还未讲解nand flash，因此直接将19课准备的nand_flash程序部分复制到当前代码里即可，关于这部分可以参考nand flash讲解部分。

第004节编程抽象出重要结构体

开始正式编写程序，根据前面的框架，新建如下文件：

font.c、framebuffer.c、geometry.c、lcd.c、lcd_4.3.c、lcd_controller.c、s3c2440_lcd_controller.c、lcd_test.c

首先编写lcd_controller.c，它向上要接收不同LCD的参数，向下要使用这些参数设置对应的LCD控制器。

前面我们列举了LCD的参数，例如引脚的极性、时序、数据的格式bpp、分辨率等，使用面向对象的思维方式，将这些封装成结构体放在lcd.h中：

enum {
    NORMAL = 0,
    INVERT = 1,
};

/* NORMAL : 正常极性
 * INVERT : 反转极性
 */
typedef struct pins_polarity {
    int vclk;  /* normal: 在下降沿获取数据 */
    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;

typedef struct time_sequence {
    /* 垂直方向 */
    int tvp; /* vysnc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 thf; /* 右边黑框, Horizontal Front porch */

    int vclk;
}time_sequence, *p_time_sequence;


typedef struct lcd_params {
    /* 引脚极性 */
    pins_polarity pins_pol;

    /* 时序 */
    time_sequence time_seq;

    /* 分辨率, bpp */
    int xres;
    int yres;
    int bpp;

    /* framebuffer的地址 */
    unsigned int fb_base;
}lcd_params, *p_lcd_params;

以后就使用lcd_params结构体来表示lcd参数。

对于有多个lcd的情况，再定义个一个结构体，包含指针初始化函数和使能函数，放在lcd_controller.h里面：

typedef struct lcd_controller {
    void (*init)(p_lcd_params plcdparams);
    void (*enable)(void);
    void (*disable)(void);
}lcd_controller, *p_lcd_controller;

最后在lcd_controller.c里传入lcd参数，再通过指针函数初始化对应的lcd控制器：

void lcd_controller_init(p_lcd_params plcdparams)
{
    /* 调用2440的LCD控制器的初始化函数 */
    lcd_controller.init(plcdparams);
}

在s3c2440_lcd_controller.c还需构造一个当前soc的lcd控制器结构体：

struct lcd_controller s3c2440_lcd_controller = {
    .init    = xxx,
    .enalbe  = xxx,
    .disable = xxx,
};

第005节_编程_LCD控制器 #

继续上一节的代码，修改s3c2440_lcd_controller.c：

struct lcd_controller s3c2440_lcd_controller = {
    .init    = s3c2440_lcd_controller_init,
    .enalbe  = s3c2440_lcd_controller_enalbe,
    .disable = xs3c2440_lcd_controller_disable,
};

然后对每个函数进行功能实现，首先是s3c2440_lcd_controller_init，依次设置LCD控制器寄存器，先是LCD寄存器1：

[27:18]为只读数据位，不需要设置；

[17:8]用于设置CLKVAL(像素时钟频率)，我们使用的是TFT屏，因此采用的公式是VCLK = HCLK / [(CLKVAL+1) x 2]，其中HCLK为100M。LCD手册里面Clock cycle的要求范围为5-12MHz即可，即假设VCLK=9，根据公式9=100/[(CLKVAL+1)x2],算出CLKVAL≈4.5=5。VCLK为plcdparams->time_seq.vclk，则clkval = HCLK/plcdparams->time_seq.vclk/2-1+0.5;

[7]不用管，默认即可；

[6:5]TFT lcd配置为0b11；

[4:1]设置bpp模式，根据传入的plcdparams->bpp配置为相应的数值；

[0]LCD输出使能，先暂时关闭不输出；

寄存器2：

对比2440LCD部分时序图和LCD时序图，得出两者之间关系，以后就可通过plcdparams传参数进来设置相关寄存器。

[31:24] : VBPD = tvb - 1

[23:14] : LINEVAL = line - 1

[13:6] : VFPD = tvf - 1

[5:0] : VSPW = tvp - 1

寄存器3：

[25:19] : HBPD = thb - 1

[18:8] : HOZVAL = 列 - 1

[7:0] : HFPD = thf - 1

寄存器4：

[7:0] : HSPW = thp - 1

寄存器5：

用来设置引脚极性, 设置16bpp, 设置内存中象素存放的格式

[12] : BPP24BL

[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

然后再设置framebuffer地址，先是 LCDSADDR1：

[29:21] : LCDBANK, A[30:22] of fb

[20:0] : LCDBASEU, A[21:1] of fb

即用[29:0]表示起始地址的[30:1]。

LCDSADDR2：

[20:0] : LCDBASEL, A[21:1] of end addr

即framebuffer的结束地址。

最后还要设置相关引脚，包括背光控制引脚、LCD专用引脚、电源控制引脚：

void jz2440_lcd_pin_init(void)
{
    /* 初始化引脚 : 背光引脚 */
    GPBCON &= ~0x3;
    GPBCON |= 0x01;

    /* LCD专用引脚 */
    GPCCON = 0xaaaaaaaa;
    GPDCON = 0xaaaaaaaa;

    /* PWREN */
    GPGCON |= (3