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硬件（十五）LCD

news 2025/9/20 18:14:42

一、分辨率

LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）是常见输出设备，广泛应用于手机、电脑等。其分辨率指屏幕像素数量，如 1080P 对应 1920*1080 个像素点，像素点由 R（红）、G（绿）、B（蓝）三原色组成。在 LCD 尺寸不变时，分辨率越高越清晰；分辨率不变时，LCD 尺寸越小越清晰，比如同是 1080P 的 5 寸手机显示比 24 寸显示器更细腻。但分辨率并非衡量 LCD 好坏的唯一标准，还需考虑色彩还原程度、色彩偏离、亮度、可视角度、屏幕刷新率等参数。

二、像素格式

一个像素点可看作 RGB 小灯，通过控制 R、G、B 亮度显示色彩。RGB888 格式中，R、G、B 各用 8bit 数据，一个像素点共 24bit（3 字节）；加入 8bit Alpha（透明）通道的 ARGB8888 格式，一个像素点为 32bit（4 字节）。实验中使用 ARGB8888 格式，一个像素占用 4 字节内存，其中 bit31~bit24 是 Alpha 通道，bit23~bit16 是 RED 通道，bit15~bit8 是 GREEN 通道，bit7~bit0 是 BLUE 通道，通过调节 R、G、B 比例可产生不同颜色，如 0X00FFFF00 为黄色，0X00000000 为黑色，0X00FFFFFF 为白色。

三、LCD 硬件接口

LCD 有多种接口，如 VGA、HDMI、DP 等，但 I.MX6U - Mini 开发板支持 RGB 接口的 LCD。RGB LCD 接口的信号线包括：

R [7:0]、G [7:0]、B [7:0]：共 24 根，为红、绿、蓝数据线。
DE：数据使能线。
VSYNC：垂直同步信号线。
HSYNC：水平同步信号线。
PCLK：像素时钟信号线。
RGB LCD 有 DE 模式和 HV 模式两种驱动模式，DE 模式需用到 DE 信号线，且可不用 HSYNC 信号线，LCD 仍能正常工作；HV 模式不需要 DE 信号线。

四、LCD 时间参数

LCD 显示一帧图像的过程可想象为用 “笔” 按从左至右、从上到下顺序扫描像素点并上色。以分辨率 1024*600 的 LCD 为例，存在 HBP（行同步信号后肩）、HFP（行同步信号前肩）、VBP（帧同步信号后肩）、VFP（帧同步信号前肩）这些时间参数，它们源于 CRT 显示器电子枪的反应延时，在 LCD 中则是为了给屏幕内部 IC 反应时间，锁定有效像素数据，这些参数需查看 LCD 数据手册获取，且在 LCD 驱动编写中会用到。

五、LCD 的时序

（一）行显示时序

HSYNC：行同步信号，有效时表示开始显示新一行数据，需查看 LCD 数据手册确定是低电平还是高电平有效（假设低电平有效）。
HSPW（thp）：HSYNC 信号宽度，即 HSYNC 信号持续时间，单位为 CLK。
HBP（thb）：行同步信号后肩，单位为 CLK。
HOZVAL（thd）：显示一行数据所需时间，若屏幕分辨率为 1024*600，HOZVAL 为 1024，单位为 CLK。
HFP（thf）：行同步信号前肩，单位为 CLK。
显示一行所需时间为：HSPW + HBP + HOZVAL + HFP。

（二）帧显示时序

VSYNC：帧同步信号，有效时表示开始显示新一帧数据，需查看 LCD 数据手册确定电平有效性（假设低电平有效）。
VSPW（tvp）：VSYNC 信号宽度，即 VSYNC 信号持续时间，单位为 1 行的时间。
VBP（tvb）：帧同步信号后肩，单位为 1 行的时间。
LINE（tvd）：显示一帧有效数据所需时间，若屏幕分辨率为 1024*600，LINE 为 600 行的时间。
VFP（tvf）：帧同步信号前肩，单位为 1 行的时间。
显示一帧所需时间为：(VSPW + VBP + LINE + VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)。配置 RGB LCD 时需知道 HOZVAL（屏幕有效宽度）、LINE（屏幕有效高度）、HBP、HSPW、HFP、VSPW、VBP 和 VFP 这些参数。

六、像素时钟

以 alpha 开发板搭载的正点原子 RGB LCD（型号 ATK4384，分辨率 800*480）为例，其时间参数为：HSPW（thp）48 tCLK、HBP（thb）88 tCLK、HFP（thf）40 tCLK、垂直显示区域 480 th、VSPW（tvp）3 th、VBP（tvb）32 th、VFP（tvf）13 th，像素时钟 31MHz。
显示一帧图像所需时钟数为：(VSPW + VBP + LINE + VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP) = (3 + 32 + 480 + 13) * (48 + 88 + 800 + 40) = 515328 个时钟，显示 60 帧所需时钟数约 31M，故像素时钟为 31MHz。
I.MX6U 的 LCD 控制器为 Enhanced LCD Interface（eLCDIF），需配置其工作频率。可选择 PLL5 作为时钟源，经倍频、分频等操作得到所需像素时钟频率，还需配置相关寄存器如 CCM_ANALOG_PLL_VIDEO 等。

七、eLCDIF 控制器

eLCDIF 支持 MPU 接口、VSYNC 接口和 DOTCLK 接口，本次使用 DOTCLK 接口（用于链接 RGB 屏）。要驱动 RGB LCD 屏幕，需配置好时间参数等，通过相应寄存器实现，重要寄存器及位功能如下：

LCDIF_CTRL 寄存器：
- SFTRST (bit31)：eLCDIF 软复位控制位，为 1 时强制复位 LCD。
- CLKGATE (bit30)：正常运行时需为 0，否则时钟不进入 LCDIF。
- BYPASS_COUNT (bit19)：工作在 DOTCLK 模式时需为 1。
- VSYNC_MODE (bit18)：为 1 时 LCDIF 工作在 VSYNC 接口模式。
- DOTCLK_MODE (bit17)：为 1 时 LCDIF 工作在 DOTCLK 接口模式。
- INPUT_DATA_SWIZZLE (bit15:14)：输入数据字节交换设置，设为 0 为小端模式（不交换字节）。
- CSC_DATA_SWIZZLE (bit13:12)：CSC 数据字节交换设置，设为 0（不使用字节交换）。
- LCD_DATABUS_WIDTH (bit11:10)：LCD 数据总线宽度，设为 3（24 位总线宽度）。
- WORD_LENGTH (bit9:8)：输入数据格式（像素数据宽度），设为 3（每个像素 24 位）。
- MASTER (bit5)：设为 1，eLCDIF 工作在主模式。
- DATA_FORMAT_16_BIT (bit3)：与 WORD_LENGTH 配合，确定像素格式（如 ARGB555 或 RGB565）。
- DATA_FORMAT_18_BIT (bit2)：WORD_LENGTH 为 2 时有效，控制像素格式（如 RGB666）。
- DATA_FORMAT_24_BIT (bit1)：WORD_LENGTH 为 3 时有效，控制 24 位数据有效情况。
- RUN (bit0)：eLCDIF 接口运行控制位，为 1 时开始传输数据（使能位）。
LCDIF_CTRL1 寄存器：用到 BYTE_PACKING_FORMAT (bit19:16)，显示 24 位数据（ARGB 格式，A 通道不传输）时设为 0X7（使所有字节有效）。
LCDIF_TRANSFER_COUNT 寄存器：高 16 位 V_COUNT 为 LCD 垂直分辨率，低 16 位 H_COUNT 为水平分辨率（如 1024*600 分辨率时，V_COUNT 为 600，H_COUNT 为 1024）。
LCDIF_VDCTRL0 寄存器：
- VSYNC_OEB (bit29)：VSYNC 信号方向控制，0 为输出，1 为输入。
- ENABLE_PRESENT (bit28)：使能 DE 数据线，1 为使能，0 为关闭。
- VSYNC_POL (bit27)、HSYNC_POL (bit26)、DOTCLK_POL (bit25)、ENABLE_POL (bit24)：分别设置 VSYNC、HSYNC、DOTCLK、ENABLE 数据线极性，需根据 LCD 数据手册设置。
- VSYNC_PERIOD_UNIT (bit21)：VSYNC 信号周期单位，DOTCLK 模式设为 1（单位为水平行）。
- VSYNC_PULSE_WIDTH_UNIT (bit20)：VSYNC 信号脉冲宽度单位，DOTCLK 模式设为 1。
- VSYNC_PULSE_WIDTH (bit17:0)：VSPW 参数设置位。
LCDIF_VDCTRL1 寄存器：设置 VSYNC 总周期（屏幕高度 + VSPW + VBP + VFP）。
LCDIF_VDCTRL2 寄存器：高 18 位为 HSYNC_PULSE_WIDTH（设置 HSYNC 信号宽度，即 HSPW），低 18 位为 HSYNC_PERIOD（设置 HSYNC 总周期，即屏幕宽度 + HSPW + HBP + HFP）。
LCDIF_VDCTRL3 寄存器：
- HORIZONTAL_WAIT_CNT (bit27:16)：DOTCLK 模式下，设置 HSYNC 信号产生到有效数据产生的时间（HSPW + HBP）。
- VERTICAL_WAIR_CNT (bit15:0)：设置 VSYNC 信号相关时间（VSPW + VBP）。
LCDIF_VDCTRL4 寄存器：
- SYNC_SIGNALS_ON (bit18)：同步信号使能位，设为 1 使能 VSYNC、HSYNC、DOTCLK 等信号。
- DOTCLK_H_VALID_DATA_CNT (bit15:0)：设置 LCD 宽度（水平像素数量）。

显存相关

若采用 ARGB8888 格式，一个像素需 4 字节内存，1024*600 分辨率需约 1.5MB 内存。RGB LCD 内部无内存，需在开发板 DDR3 中分出一段作为显存。eLCDIF 控制器的 LCDIF_CUR_BUF（当前缓冲）和 LCDIF_NEXT_BUF（下一帧缓冲）寄存器用于设置显存地址。可将 LCDIF_CUR_BUF 设为显存首地址，eLCDIF 会自动显示显存中按 RGB888 格式存储的像素数据；LCDIF_NEXT_BUF 用于下一帧显示，若 GPU 渲染下一帧，可利用此寄存器避免图像撕裂（也可将两寄存器设为同一地址，修改时直接显示，但高速图像可能撕裂）。