第17课LCD

第001节_LCD硬件原理

原理介绍

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。

2. 颜色如何确定？

答：由连接LCD的三组线：R(Red)、G(Green)、B(Blue)确定。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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：

生成缩略图出错：尺寸超过12.5 MP的文件

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； 2. 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：

[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；

标题文字	标题文字
[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；
示例	示例
示例	示例
示例	示例

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<<8);
}

LCD所有寄存器的具体设置如下：

#define HCLK 100

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<<8);
}


/* 根据传入的LCD参数设置LCD控制器 */
void s3c2440_lcd_controller_init(p_lcd_params plcdparams)
{
	int pixelplace;
	unsigned int addr;

	jz2440_lcd_pin_init();
	
	/* [17:8]: clkval, vclk = HCLK / [(CLKVAL+1) x 2]
	 *                   9   = 100M /[(CLKVAL+1) x 2], clkval = 4.5 = 5
	 *                 CLKVAL = 100/vclk/2-1
	 * [6:5]: 0b11, tft lcd
	 * [4:1]: bpp mode
	 * [0]  : LCD video output and the logic enable/disable
	 */
	int clkval = (double)HCLK/plcdparams->time_seq.vclk/2-1+0.5;
	int bppmode = plcdparams->bpp == 8  ? 0xb :\
				  plcdparams->bpp == 16 ? 0xc :\
				  0xd;  /* 0xd: 24bpp */
	LCDCON1 = (clkval<<8) | (3<<5) | (bppmode<<1) ;

	/* [31:24] : VBPD    = tvb - 1
	 * [23:14] : LINEVAL = line - 1
	 * [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);

	/* [25:19] : HBPD	 = thb - 1
	 * [18:8]  : HOZVAL  = 列 - 1
	 * [7:0]   : HFPD	 = thf - 1
	 */
	LCDCON3 =	((plcdparams->time_seq.thb - 1)<<19) | \
				((plcdparams->xres - 1)<<8)		      | \
				((plcdparams->time_seq.thf - 1)<<0);

	/* 
	 * [7:0]   : HSPW	 = thp - 1
	 */
	LCDCON4 =	((plcdparams->time_seq.thp - 1)<<0);

    /* 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
	 */

	pixelplace = plcdparams->bpp == 24 ? (0) : |\
	             plcdparams->bpp == 16 ? (1) : |\
	             (1<<1);  /* 8bpp */
	LCDCON5 = (plcdparams->pins_pol.vclk<<10) |\
	          (plcdparams->pins_pol.rgb<<7)   |\
	          (plcdparams->pins_pol.hsync<<9) |\
	          (plcdparams->pins_pol.vsync<<8) |\
 			  (plcdparams->pins_pol.de<<6)    |\
			  (plcdparams->pins_pol.pwren<<5) |\
			  (1<<11) | pixelplace;

	/* framebuffer地址 */
	/*
	 * [29:21] : LCDBANK, A[30:22] of fb
	 * [20:0]  : LCDBASEU, A[21:1] of fb
	 */
	addr = plcdparams->fb_base & ~(1<<31);
	LCDSADDR1 = (addr >> 1);

	/* 
	 * [20:0] : LCDBASEL, A[21:1] of end addr
	 */
	addr = plcdparams->fb_base + plcdparams->xres*plcdparams->yres*plcdparams->bpp/8;
	addr >>=1;
	addr &= 0x1fffff;
	LCDSADDR2 = addr;//	
}

void s3c2440_lcd_controller_enalbe(void)
{
	/* 背光引脚 : GPB0 */
	GPBDAT |= (1<<0);
	
	/* pwren    : 给LCD提供AVDD  */
	LCDCON5 |= (1<<3);
	
	/* LCDCON1'BIT 0 : 设置LCD控制器是否输出信号 */
	LCDCON1 |= (1<<0);
}

void s3c2440_lcd_controller_disable(void)
{
	/* 背光引脚 : GPB0 */
	GPBDAT &= ~(1<<0);

	/* pwren	: 给LCD提供AVDD  */
	LCDCON5 &= ~(1<<3);

	/* LCDCON1'BIT 0 : 设置LCD控制器是否输出信号 */
	LCDCON1 &= ~(1<<0);
}