【ARM裸板】LCD硬件原理、時序及初始化

1.LCD與OLED的區別

• LCD背光源與OLED自發光

• LCD無機材料，LCD壽命較長。OLED廣視角、幾乎無窮高的對比度、可以彎曲、較低耗電優點。
  

2.LCD原理

• 屏幕上的每一個點稱爲像素
• 每個像素點由RGB三原色組成
  

2.1 顏色如何確定？

• 由RGB三組信號線組成
• 由下原理圖可知：R5條、G6條，B5條，即RGB565（彩色模式, 一個像素佔兩個字節）
• 因此其每個像素佔用多少位（BBP：bit per piexl）爲2個字節
  

2.2 LCD如何“行掃描”？

• 有一條CLK時鐘線與LCD相連，每發出一次CLK(高低電平)，就移動一個像素。

2.3 如何跳到下一行進行“行掃描”？

• 有一條HSYNC（水平同步信號）信號線與LCD相連，每發出一次脈衝(高低電平)，行掃描跳到下一行的起始位置。

2.4 如何進行下一個“場掃描”？

• 有一條VSYNC（垂直同步信號）信號線與LCD相連，每發出一次脈衝(高低電平)，就跳到原點。

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注意：RGB數據線上的數據從何而來？
內存裏面手動劃分一塊顯存(FrameBuffer)，裏面存放了要顯示的數據，LCD控制器從裏面將數據讀出來，通過RGB三組線傳給LCD，再依次打到顯示屏上。

3.LCD時序

• 分辨率 = Hsync的個數 * 一行中的有效CLK

完整時序圖：

形象時序圖：

以上兩張圖可以解釋LCD控制時序中的Hsync與Vsync的協同（可以理解 一幀是一個垂直同步信號、一行是一個水平同步信號）

• 1.首先一幀（Vsync）中有若干個行（Hsync），設爲y，Vsync發出幀脈衝寬度Tvp
• 2.經過 Tvb 時間，纔可以發送一幀的數據，從第一行開始
• 3.其次一行（Hsync）中有若干個時鐘信號（CLK），有效的設爲x，Hsync發出脈衝寬度Thp
• 4.經過 Thb 時間，纔可以發送一行的數據
• 5.直到發送到一行的最後一個像素，經過 Thf 時間，纔會有下一個水平同步信號（Hsync）
• 6.直到發送到最後一行，經過 Tvf 時間，纔會有下一個垂直同步信號（Vsync）

由上可知幾個重要的信號引腳：Hsync、Vsync 、CLK、Dn
由上可知幾個重要的時間參數：Tvp、Tvb 、Thp、Thb、Thf 、Tvf

4.LCD控制器

思路：

• 1.取數據：把FrameBuffer的地址、bpp、分辨率告訴LCD控制器
• 2.發數據：把時序告訴LCD控制器、並設置引腳的極性（本款是下降沿取數據，但是有的LCD是上升沿有效，因此需要設置極性）

4.1 像素數據格式

• 使用的像素數格式如下：16BPP
  

565數據格式引腳連接圖：

4.2 調色板

• 本應該用FrameBuffer中用16bit表示1像素，可以用8bit存放在FrameBuffer來省空間
• 8bit存放的是調色板中顏色的索引（共256中16bit顏色）

那麼當使用像素深度爲8pp時候，像素深度和我們的帶寬不一致，我們的顏色要用16位表示，如果直接用上肯定不可能，那我們就可以選擇用調色板，調色板中存放了256種16bpp的顏色，這時候我們color存放的就不是真實的顏色值了，而是存放的是調色板中256種顏色的索引，成線性關係一一對應，這樣我們大大減輕了系統的負擔。用16bpp還是8bpp這得取決實際情況，16bpp肯定比8pp清晰，但同時帶來的負荷也更加重。

調色板工作示意圖

5.編程框架

面向對象編程
參數層：

• 1.抽象出（不同設備）共同的參數結構體
• 2.上層的設備結構體指針指向所需的參數結構體

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驅動層

• 1.抽象不同平臺的LCD控制器結構體
• 2.上層的LCD控制器結構體指針指向所需的結構體

6. 結構體參數

6.1 引腳極性結構體

由上3.LCD時序可知幾個重要的信號引腳：Hsync、Vsync 、CLK、Dn：Hsync、Vsync 、CLK、Dn

/* 引腳極性結構體
 * NORMAL：正常極性
 * INVERT：反轉極性
 */
typedef struct pins_polarity{
	int vclk;  /* normal：下降沿獲取數據 */
	int rgb;   /* normal：高電平表示1 */
	int hsync; /* normal：高脈衝 */
	int vsync; /* normal：高脈衝 */
}pins_polarity, *p_pins_polarity;

6.2 時序結構體

由上3.LCD時序可知幾個重要的時間參數：Tvp、Tvb 、Thp、Thb、Thf 、Tvf

/* 時序結構體
 * NORMAL：正常極性
 * INVERT：反轉極性
 */
typedef struct time_sequence{
	/* 垂直方向 */
	int tvp; /* Vsync脈衝寬度 */
	int tvb; /* 上邊黑框 Vertical Back porch */
	int tvf; /* 下邊黑框 Vertical Front porch */
	/* 水平方向 */
	int thp; /* Hsync脈衝寬度 */
	int thb; /* 左邊黑框 Horizontal Back porch*/
	int tvf; /* 右邊黑框 Horizontal Front porch */
}time_sequence,*p_time_sequence;

6.3 LCD控制器結構體

包含初始化、使能、禁止函數

/* 抽象LCD控制器結構體
 * 向上：接收不同的LCD參數
 * 向下：使用這些參數設置對應的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引腳

• 初始LCD專用引腳，配置其模式：LCD Data 與 LCD Control

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

	/* 初始化LCD專用引腳  */
	GPCCON = 0xAAAAAAAA;
	GPDCON = 0xAAAAAAAA;

	/* 電源引腳 LCD_PWRDN */
	GPGCON |= (3<<8);
}

爲了方便GPC、GPD兩組，都設置爲LCD專用引腳爲 0xAAAAAAAA

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• 由下圖S3C2440 LCD控制器時序可得，在設置寄存器時需要在時間參數上-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  行數值
	 *  [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  橫向像素點
	 *  [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  行脈衝寬度
	 */
	LCDCON4 = ((plcdparams->time_seq.thp -1) << 0 );

8.5 LCDCON5

	/* 用來設置引腳極性, 設置16bpp數據格式, 設置內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是否反轉
	 * [8]  : VSYNC是否反轉
	 * [7]  : INVVD, rgb是否反轉
	 * [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

• 由下圖可知：是將fb_base的[30:1]直接寫入LCDSADDR1寄存器

起始地址

結束地址 = 起始地址 + x * y * bpp/8
即爲：起始地址+一幀所佔空間大小

9.構造LCD參數結構體

對於該款4.3寸LCD而言的參數設置

/* 該款4.3寸 LCD參數結構體 */
lcd_params lcd_4_3_params{ 
	.name = "lcd4.3",
	.pins_pol = {
		vclk  = NORMAL,  /* normal：下降沿獲取數據 */
		hsync = INVERT, /* normal：高脈衝 */
		vsync = INVERT, /* normal：高脈衝 */

		rgb   = NORMAL,   /* normal：高電平表示1 */

		de    = NORMAL,    /* normal：高電平使能 data enable */
		pwren = NORMAL, /* normal：高電平使能power enable */
	},
	.time_seq = {
		/* 垂直方向 */
		tvp = 10, /* Vsync脈衝寬度 */
		tvb = 2, /* 上邊黑框 Vertical Back porch */
		tvf = 2, /* 下邊黑框 Vertical Front porch */

		/* 水平方向 */
		thp = 41, /* Hsync脈衝寬度 */
		thb = 2, /* 左邊黑框 Horizontal Back porch*/
		thf = 2, /* 右邊黑框 Horizontal Front porch */

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