LCD时序分析

1.8080接口

MCU与LCM(Liquid Crystal Module) 通过数据总线、读/写控制线、D/C控制线以及片选信号线连接。

写入时序说明

• MCU把数据放在DB并行数据总线上
• LCM从数据总线上读取数据
• MCU保持数据一段时间后，放弃

完整时序

其中需要注意的是D/CX线是通过一个地址线A23控制的，当地址的第23位为1时表示写入的是Data，第23位为0时表示写入的是Cmd。

而片选信号是连在STM32的FSMC控制器上，当设置对应的地址范围后，FSMC就会自动片选。

所以使用FSMC只需要按照下图配置时序参数，然后将需要发送的数据放入特定的地址就可以了。

• CSX：addr [addr1, addr2]
• D/CX: addr[23] = 0 or 1
• Set FSMC
• 读写两个不同的addr，表示data or cmd

2. TFT-RGB接口

2.1 TFT-RGB接口原理图

2.2 LCD时序图

• 每一个DCLK，就会向右走一个像素。

• 每个像素得RGB来自于DATA的三组数据线

• 当接收到HSD（HSYNC）信号，就跳到下一行。

• 这样就可以移动到最后一行，这时通过VSD(VSYNC)信号，从右下角跳到左上角开头。

输入时钟和数据时序图(7.0-13SPEC(7寸1024600TN-RGB))

2.3 LCD控制器时序图

通过上面的LCD同步模式的各个参数就可以得到 FPS-时钟频率 公式：

$$FPS = (T_{hpw} + T_{hbp} + T_{hfp})\times(T_{vpw} + T_{vbp} + T_{vfp}) \times DCLK \\ = T_{H} \times T_{V} \times DCLK$$

IMX6ULL的LCD控制器

1. LCD控制器模块介绍

1.1 硬件框图

IMX6ULL的LCD控制器名称为eLCDIF(Enhanced LCD Interface，增强型LCD接口)，主要特性如下：

• 支持MPU模式：有些显示屏自带显存，只需要把命令、数据发送给显示屏即可；就是前面讲的8080接口
• VSYNC模式：跟MPU模式类似，多了VSYNC信号。针对高速数据传输（行场信号）
• 支持DOTCLK模式：RGB接口，就是前面讲的TFT-RGB接口
• 支持ITU-R BT.656接口，可以把4:2:2 YcbCr格式的数据转换为模拟电视信号
• 8/16/18/24/32 bit 的bpp数据都支持，取决于IO的复用设置及寄存器配置
• MPU模式，VSYNC模式，DOTCLK模式，都可以配置时序参数。

上图是IMX6ULL的LCD控制器框图。 我们在内存中划出一块内存，称之为显存，软件把数据写入显存。 设置好LCD控制器之后，它会通过AXI总线协议从显存把RGB数据读入FIFO，再到达LCD接口(LCD Interface)。 LCD控制器有两个时钟域：外设总线时钟域，LCD像素时钟域。前者是用来让LCD控制器正常工作，后者是用来控制“电子枪”移动。 上图的Read_Data操作，在MPU模式下才用到；我们采用的是DCLK模式，因此不予考虑。

更详细的内容可以查看IMX6ull芯片手册《Chapter 34 Enhanced LCD Interface (eLCDIF)》。

1.2 数据传输与处理

• 框图：

• Byte Packing：读32 bit的数据。
• swizzle：交换字节序
• Serialize/Unpack : get data for pixels
  • RGB to RGB888: 把像素转换成统一的RGB888 例如：RGB565 -> RGB888
  • CSC : color space convert
• 按照时序转换信号
• 最后转换为LCD 的数据格式，如RGB565

1.3 时序控制

看寄存器说明。

2. LCD控制器寄存器简介

查看任何芯片的LCD控制器寄存器时，记住几个要点：

① 怎么把LCD的信息告诉LCD控制器：即分辨率、行列时序、像素时钟等； ② 怎么把显存地址、像素格式告诉LCD控制器。

上图是我们将要使用到的寄存器，下面逐个讲解这些寄存器，在后续的LCD控制编程实验会用到。

2.1 LCDIF_CTRL寄存器

位域	名	读写	描述
[31]	SFTRST	R/W	软件复位，正常工作时应设为0；如果设为1，它会复位整个LCD控制器
[30]	CLKGATE	R/W	时钟开关， 0：正常工作时要设置为0； 1：关闭LCD控制器时钟
[29]	YCBCR422_INPUT	R/W	使用RGB接口时，设置为0；其他接口我们暂时不关心
[28]	READ_WRITEB	R/W	使用RGB接口时，设置为0；其他接口我们暂时不关心
[27]	WAIT_FOR_VSYNC_EDGE	R/W	在VSYNC模式时，设置为1；我们不关心
[26]	DATA_SHIFT_DIR	R/W	在DVI模式下才需要设置，我们不关心
[25:21]	SHIFT_NUM_BITS	R/W	在DVI模式下才需要设置，我们不关心
[20]	DVI_MODE	R/W	设置为1时，使用DVI模式，就是ITU-R BT.656数字接口
[19]	BYPASS_COUNT	R/W	DOTCLK和DVI模式下需要设置为1;MPU、VSYNC模式时设为0
[18]	VSYNC_MODE	R/W	使用VSYNC模式时，设置为1
[17]	DOTCLK_MODE	R/W	使用DOTCLK模式时，设置为1；本实验用的就是这个模式
[16]	DATA_SELECT	R/W	MPU模式下才用到，我们不关心
[15:14]	INPUT_DATA_SWIZZLE	R/W	显存中像素颜色的数据转给LCD控制器时，字节位置是否交换： 0x0：NO_SWAP，不交换； 0x0：LITTLE_ENDIAN，小字节序，跟NO_SWAP一样； 0x1：BIG_ENDIAN_SWAP，字节0、3交换；字节1、2交换； 0x1：SWAP_ALL_BYTES，字节0、3交换；字节1、2交换； 0x2：HWD_SWAP，半字交换，即0x12345678转为0x56781234 0x3：HWD_BYTE_SWAP，在每个半字内部放换字节， 即0x12345678转换为0x34127856
[13:12]	CSC_DATA_SWIZZLE	R/W	显存中的数据被传入LCD控制器内部并被转换为24BPP后，在它被转给LCD接口之前，字节位置是否交换： 0x0：NO_SWAP，不交换； 0x0：LITTLE_ENDIAN，小字节序，跟NO_SWAP一样； 0x1：BIG_ENDIAN_SWAP，字节0、3交换；字节1、2交换； 0x1：SWAP_ALL_BYTES，字节0、3交换；字节1、2交换； 0x2：HWD_SWAP，半字交换，即0x12345678转为0x56781234 0x3：HWD_BYTE_SWAP，在每个半字内部放换字节， 即0x12345678转换为0x34127856
[11:10]	LCD_DATABUS_WIDTH	R/W	LCD数据总线宽度，就是对外输出的LCD数据的位宽， 0x0：16位； 0x1：8位； 0x2：18位； 0x3：24位
[9:8]	WORD_LENGTH	R/W	输入的数据格式，即显存中每个像素占多少位， 0x0：16位； 0x1：8位； 0x2：18位； 0x3：24位
[7]	RGB_TO_YCBCR422_CSC	R/W	设置为1时，使能颜色空间转换：RGB转为YCbCr
[6]	ENABLE_PXP_HANDSHAKE	R/W	当LCDIF_MASTER设置为1时，再设置这位， 则LCD控制器跟PXP之间的握手机制被关闭(我们不关心)
[5]	MASTER	R/W	设置为1时，LCD控制器成为bus master
[4]	RSRVD0	R/W	保留
[3]	DATA_FORMAT_16_BIT	R/W	WORD_LENGTH为0时，表示一个像素用16位，此位作用如下： 0：数据格式为ARGB555； 1：数据格式为RGB565
[2]	DATA_FORMAT_18_BIT	R/W	WORD_LENGTH为2时，表示一个像素用18位，RGB数据还是保存在32位数据里，此位作用如下： 0：低18位用来表示RGB666，高14位无效 1：高18位用来表示RGB666，低14位无效
[1]	DATA_FORMAT_24_BIT	R/W	WORD_LENGTH为3时，表示一个像素用24位，此位作用如下： 0：所有的24位数据都有效，格式为RGB888 1：转给LCD控制器的数据是24位的，但只用到其中的18位， 每个字节用来表示一个原色，每字节中高2位无效
[0]	RUN	R/W	使能LCD控制器，开始传输数据

2.2 LCDIF_CTRL1寄存器

本实验中使用TFT LCD，LCD控制器使用DOTCLK模式。本寄存器中其他用不到的位，就不介绍了。

位域	名	读写	描述
[19:16]	BYTE_PACKING_FORMAT	R/W	用来表示一个32位的word中，哪些字节是有效的，即哪些字节是用来表示颜色的。 bit16、17、18、19分别对应byte0、1、2、3；某位为1，就表示对应的字节有效。 默认值是0xf，表示32位的word中，所有字节都有效。 对于8bpp，可以忽略本设置，所有的字节都是有效的； 对于16bpp，bit[1:0]、bit[3:2]分别对应一个字节，组合中的2位都为1时，对应的字节才有效； 对于24bpp，0x7表示32位数据中只用到3个字节，这称为“24 bit unpacked format”，即ARGB，其中的A字节被丢弃
[0]	RESET	R/W	用来复位了接的LCD， 0：LCD_RESET引脚输出低电平； 1：LCD_RESET引脚输出高电平

2.3 LCDIF_TRANSFER_COUNT寄存器

位域	名	读写	描述
[31:16]	V_COUNT	R/W	一帧中，有多少行有效数据
[15:0]	H_COUNT	R/W	一行中，有多少个像素

2.4 LCDIF_VDCTRL0寄存器

​ 本寄存器用来设置Vsync信号相关的时序，及极性。

位域	名	读写	描述
[29]	VSYNC_OEB	R/W	用来控制VSYNC信号，对于DOTCLK模式，设为0， 0：VSYNC是输出引脚，用LCD控制器产生； 1：VSYNC是输入引脚
[28]	ENABLE_PRESENT	R/W	在DOTCLK模式下，硬件是否会产生数据使能信号ENALBE： 0：不产生； 1：产生
[27]	VSYNC_POL	R/W	用来决定VSYNC脉冲的极性， 0：低脉冲； 1：高脉冲
[26]	HSYNC_POL	R/W	用来决定HSYNC脉冲的极性， 0：低脉冲； 1：高脉冲
[25]	DOTCLK_POL	R/W	用来决定DOTCLK的极性， 0：LCD控制器在DOTCLK下降沿发送数据，LCD在上升沿捕获数据； 1：反过来
[24]	ENABLE_POL	R/W	用来决定ENABLE信号的极性， 0：数据有效期间，ENABLE信号为低； 1：反过来
[21]	VSYNC_PERIOD_UNIT	R/W	用来决定VSYNC_PERIOD的单位， 0：单位是像素时钟(pix_clk)，这在VSYNC模式下使用； 1：单位是“整行”，这在DOTCLK模式下使用
[20]	VSYNC_PULSE_WIDTH_UNIT	R/W	用来决定VSYNC_PULSE_WIDTH的单位， 0：单位是像素时钟(pix_clk)； 1：单位是“整行”
[19]	HALF_LINE	R/W	VSYNC周期是否周加上半行的时间， 0：VSYNC周期=VSYNC_PERIOD； 1：VSYNC周期=VSYNC_PERIOD+HORIZONTAL_PERIOD/2
[18]	HALF_LINE_MODE	R/W	0：第1帧将在一行的中间结束，第2帧在一行的中间开始； 1：所有帧结束前都加上半行时间，这样所有帧都会起始于“行的开头”
[17:0]	VSYNC_PULSE_WIDTH	R/W	VSYNC脉冲的宽度

2.5 LCDIF_VDCTRL1寄存器

位域	名	读写	描述
[29]	VSYNC_PERIOD	R/W	两个垂直同步信号之间的间隔，即垂直方向同步信号的总周期； 单位由VSYNC_PERIOD_UNIT决定

2.6 LCDIF_VDCTRL2寄存器

​ HSYNC_PULSE_WIDTH：水平同步信号脉冲宽度；

​ HSYNC_PERIOD：两个水平同步信号之间的总数，即水平方向同步信号的总周期

位域	名	读写	描述
[31:18]	HSYNC_PULSE_WIDTH	R/W	HSYNC脉冲的宽度(单位：pix_clk)
[17:0]	HSYNC_PERIOD	R/W	整行的宽度，即两个HYSNC信号之间的宽度(单位：pix_clk)

2.7 LCDIF_VDCTRL3寄存器

位域	名	读写	描述
[29]	MUX_SYNC_SIGNALS	R/W	用不着
[28]	VSYNC_ONLY	R/W	0：DOTCLK模式时必须设置为0； 1：VSYNC模式时必须设置为1
[27:16]	HORIZONTAL_WAIT_CNT	R/W	水平方向上的等待像素个数，等于thp+thb
[15:0]	VERTICAL_WAIT_CNT	R/W	垂直方向上的等待行数，等于tvp+tvb

2.8 LCDIF_VDCTRL4寄存器

位域	名	读写	描述
[31:29]	DOTCLK_DLY_SEL	R/W	在LCD控制器内部的DOTCLK输出到LCD_DOTCK引脚时，延时多久： 0：2ns； 1：4ns； 2：6ns； 3：8ns； 其他值保留
[18]	SYNC_SIGNALS_ON	R/W	DOTCLK模式下必须设为1
[17:0]	DOTCLK_H_VALID_DATA_CNT	R/W	水平方向上的有效像素个数(pix_clk)，即分辨率的y

2.9 LCDIF_CUR_BUF寄存器

位域	名	读写	描述
[31:0]	ADDR	R/W	LCD控制器正在传输的当前帧在显存中的地址

2.10 LCDIF_NEXT_BUF寄存器

位域	名	读写	描述
[31:0]	ADDR	R/W	下一帧在显存中的地址

LCD控制器传输完当前帧后，会把LCDIF_NEXT_BUF寄存器的值复制到LCDIF_CUR_BUF寄存器。