JZ2440 裸机驱动 第13章 LCD控制器(1)

本章目标 

了解LCD显示器的接口及时序；

掌握S3C2410/S3C2440 LCD控制器的使用方法；

了解帧缓冲区的概念，掌握如何设置帧缓冲区来显示图像；

13.1 LCD和LCD控制器

13.1.1 LCD显示器

1.LCD的种类

2.LCD的接口

    CPU或显卡发出的图像数据是TTL信号(0~5V、0~3.3V、0~2.5V或0~1.8V)，LCD

本身接收的也是TTL信号。由于TTL信号在高速的长距离传输时性能不佳，抗干扰能力

比较差，后来又剔除多种接口，比如LVDS、TDMS、GVIF、P&D、DVI和DFP等。它

们实际上只是将TTL信号编码成各种信号以便传输，在LCD那边将接收到的信号进行解

码得到TTL信号。

    由于数字接口标准尚未统一，所以使用LCD时需要根据其数据手册了解其接口的定

义。也是基于数字接口标准未统一的原因，市场上大多LCD都采用模拟信号接口，LCD

需要先通过ADC将模拟信号转换为数字信号才能显示。

    但是不管采用何种数字接口，本质上TTL信号是一样的。

（1）对于STN LCD

    STN LCD的数据传输方式有3种：4行单扫、4行双扫、8行单扫。所谓“单扫”是指

对于一整屏的数据，从上到下、从左到右，一个一个地发送出来；“双扫”是指将一整

屏的数据分为上下两部分，同时从上到下、从左到右，一个一个地发出来。“4位”、

“8位”是指发送数据时使用多少个数据线。

    注意：4位双扫方式也用到8根数据线，其中4根用于上半屏，4根用于下半屏数据。

    出数据信息外，还有其他控制信号，所有TTL信号如表13.1所示。

 （2）对于TFT LCD。

    TFT LCD的TTL信号与STN类似(如表13.2所示)，只是其数据线多大24根，对应像素值

中的每一位。

    

13.1.2 S3C2410/S3C2440 LCD控制器介绍 

1.S3C2410/S3C2440 LCD控制器的特性与结构

    S3C2410/S3C2440 LCD控制器被用来向LCD传输图像数据，并提供必要的控制信号，

比如VFRAME、VLINE、VCLK、VM等。可以支持STN LCD和TFT LCD，其特性如下：

(BPP表示bit per pixel，即每个像素使用多少位来表示其颜色)。

（1）STN LCD。

·支持3种扫描方式：4位单扫、4位双扫和8位单扫。

·支持单色(1BPP)、4级灰度(2BPP)和16级灰度(4BPP)屏。

·支持256色(8BPP)和4096色(12BPP)彩色STN屏(CSTN)。

·支持分辨率位640x480、320x240、160x160以及其他规格的多种LCD。

·虚拟屏幕最大可达4MB。

·对于256色，分辨率有4096x1024、2048x2048、1024x4096等

（2）TFT LCD。

·支持单色(1BPP)、4级灰度(2BPP)、16级灰度(4BPP)、256色(8BPP)的调色板显示模式。

·支持64K(16BPP)和16M(24BPP)色非调色板显示模式。

·支持分辨率位640x480、320x240及其他多种规格的LCD。

·虚拟屏幕最大可达4MB。

·对于64K色，分辨率有2048x1024等多种。

    S3C2410/S3C2440 LCD控制器提供了驱动STN LCD、TFT LCD所需要的所有信号(如表

13.1、表13.2所示)，另外，还特别提供额外的信号以支持SEC公司生产的TFT LCD。这3类

信号中很大部分是复用的。

    S3C2410/S3C2440 LCD控制器的内部结构如图13.1所示。

     REGBANK是LCD控制器的寄存器组，含17个寄存器及一块256x16的调色板内存，

用于设置各项参数。而LCDCDMA则是LCD控制器专用的DMA通道，可以自动地从

系统总线上获取图像数据，这使得显示图像时不需要CPU干扰。VIDPRCS将

LCDCDMA中的数据组合成特性格式(比如4位单扫、4位双扫和8位单扫等)，然后从

VD[23:0]发送给LCD屏。同时TIMEGEN和LPC3600负责产生LCD屏所需要的控制时

序，例如VSYNC、HSYNC、VCLK、VDEN，然后从VIDEO MUX送给LCD屏。其

中LPC3600专用于SEC TFTLCD。

    LCDCDMA中有两个FIFO：

        FIFOH的容量为16(1个字为4字节)个字，

        FIFOL的容量为12个字。

        当使用双扫方式时，FIFOH、FIFOL分别用于传输上半屏、下半屏数据；

        当使用单扫方式时，只用到FIFOH。

        当FIFO为空或者其中的数据已经减少到设定的阈值时，LCDCDMA自动发起DMA

传输从内存中获得图像数据。

 

2.显示器上数据的组织格式

    对于屏幕上的一整幅图像，它的数据时如何组织的？无论时CRT还是LCD显示器，

它们都有相同的概念。

    一幅图像被称为一帧，每帧由多行组成，每行由多个像素组成，每个像素颜色由若干

位的数据表示。对于单色显示器，每个像素使用1位来表示，称为1BPP；对于256色显

示器，每个像素使用8位来表示，称为8BPP。

    显示器从屏幕的左上方开始，一行一行第取得每个像素的数据并显示出来，

    当显示到一行的最右边时，跳到下一行的最左边开始显示下一行；

    当显示完所有行后，跳到左上方开始下一帧。

    显示器沿着“Z”字行的路线进行扫描，使用HSYNC、VSYNC信号来控制扫描路线的

跳转，HSYNC表示“是跳到最左边的时候了”，VSYNC表示“是跳到最上边的时候了”。

    在工作中的显示器上，可以在四周看到黑色的边框。

    上方的黑框是因为当发出VSYNC信号时，需要经过若干行之后第一行数据才有效；

    下方的黑框是因为显示完所有行的数据时，显示器还没有扫描到最下边(VSYNC信

号还没有发出)，这时数据已经无效；

    左边的黑框是因为当发出HSYNC信号时，需要经过若干像素之后第一列数据才有效；

    右边的黑框是因为显示完一行的数据时，显示器还没有扫描到最右边(HSYNC信号还

没有发出)，这时数据已经无效；

    显示器只会根据VSYNC、HSYNC信号取得、显示数据，并不理会该数据是否有效，

何时发出有效数据由显卡决定。   

    VSYNC信号出现的频率表示一秒钟内能显示多少帧图像，称为垂直频率或场频率，这

就是平时常说的“显示器的频率”；HSYNC信号出现的频率称为水平频率。

    显示器上，一帧数据的存放位置与VSYNC、HSYNC信号的关系如图13.2所示。

     “有效数据”的行数、列数，即分辨率，它与VSYNC、HSYNC信号之间的“距离”等，

都是可以设置的，这由显卡完成，这些设置在下一节对TFT LCD的操作中都可以看到。

 

3.TFT LCD的操作

    目前市场上主流的LCD为TFT LCD，本章基于TFT LCD来介绍LCD控制器的使用。

对于STN LCD，它所涉及的操作是类似的。

    先了解TFT LCD的时序，这使得我们在设置各个寄存器时有个形象的概念。每个

VSYNC信号表示一帧数据的开始；每个HSYNC信号表示一行数据的开始，无论这

些数据是否有效；每个VCLK信号表示正在传输一个像素的数据，无论它是否有效。

数据是否有效只是对CPU的LCD控制器来说的，LCD根据VSYNC、HSYNC、VCLK

不停地读取总线数据、显示。

    下面讲解时序图，请参考图13.3。

（1）VSYNC信号有效时，表示一帧数据的开始；

（2）VSPW表示VSYNC信号的脉冲宽度(VSPW+1)个HSYNC信号周期，即

(VSPW+1)行，这(VSPW+1)行的数据无效；

（3）VSYNC信号脉冲之后，还要经过(VBPD+1)个HSYNC信号周期，有效的行数据

才出现。所以，在VSYNC信号有效之后，总共还要经过(VSPW+1+VBPD+1)个无效的

行，它对应图13.2上方的边框，第一个有效的行才出现。

（4）随后即连续发出(LINEVAL+1)行的有效数据。

（5）最后是(VFPD+1)个无效的行，它对应图13.2下方的边框，完整的一帧结束，紧

接着时下一帧的数据了(即下一个VSYNC信号)。

    现在深入到一行中像素数据的传输过程，它与上面行数据的传输过程相似。

（1）HSYNC信号有效时，表示一行数据的开始；

（2）HSPW表示HSYNC信号的脉冲宽度为(HSPW+1)个VCLK信号周期，即(HSPW+1)

个像素，这(HSPW+1)个像素的数据无效。

（3）HSYNC信号脉冲之后，还要经过(HBPD+1)个VCLK信号周期，有效的像素数据

才会出现。所以，在HSYNC信号有效之后，总共还要经过(HSPW+1+HBPD+1)个无效的

像素，它的频率可以如下计算：

    VCLK (Hz) = HCLK/[(CLKVAL+1x2)]

    VSYNC信号的频率又称为帧频率、垂直频率、场频率、显示器的频率，它可以如下

计算：

        Fram Rate = 1 / [ { (VSPW+1) + (VBPD+1) + (LIINEVAL+1) + (VFPD+1) } x 

                                       { (HSPW+1) + (HBPD+1) + (HFPD+1) + (HOZVAL+1)} x

                                       { 2 x (CLKVAL+1) / (HCLK) } ]

    将VSYNC、HSYNC、VCLK等信号的时间参数设置好后，并将帧内存(frame memory)

的地址告诉LCD控制器，它即可自动地发起DMA传输从帧内存中得到图像数据，最终在上

述信号的控制下出现在数据总线VD[23:0]上。用户只需要把要显示的图像数据写入帧内存

中，在这之前，先了解一下各种格式的图像数据在内存中如何存储。

    显示器上每个像素的颜色由3部分组成：红、绿、蓝。它们被称为三原色，这三者的混合

几乎可以表示人眼能识别的所有颜色。

    LCD控制器可以支持单色(1BPP)、4级灰度(2BPP)、16级灰度(4BPP)、256色(8BPP)

的调色板显示模式，支持64k(16BPP)和16M(24BPP)非调色板显示模式。下面只介绍256

色(8BPP)、64K(16BPP)、16M(24BPP)色显示模式下，图像数据的存储格式。

（1）16M(24BPP)色。

    16M(24BPP)色的显示模式就是使用24位的数据来表示一个像素的颜色，每种原色使用

8位。LCD控制器从内存中获得某个像素的24位颜色值后，直接通过VD[23:0]数据线发送

给LCD。为了方便DMA传输，在内存中使用4个字节(32)来表示一个像素，其中3字节从高

到低分别表示红、绿、蓝，剩余一个字节数据无效。是最低字节还是最高字节无效，这时

可选择的，如图13.4所示。

 

 （2）64K(16BPP)色。

    64K(16BPP)色的显示模式就是使用16位的数据来表示一个像素的颜色。这16位数据

的格式又分为两种：5(红):6(绿):5(蓝)、5(红):5(绿):5(蓝):1(透明度)。5:5:5:1格式也被称

为RGBA格式(A:Alpha，表示透明度)。

    一个4字节可以表示两个16BPP的像素，使用高2字节还是低2字节表示第一个像素，这

也是可以选择的。

    显示模式位16BPP时，内存数据与像素位置的关系如图13.5所示。在5:5:5:1格式下，

VD[18]、VD[10]、VD[2]数据线上的值是一样的，都表示透明度，图13.5中的“NC”表示

没有连接(not connect)。

 （3）256色(8BPP)。

    256色(8BPP)的显示模式就是使用8位的数据来表示一个像素的颜色，但是对三种原

色平均下来，每个原色只能使用不到3位的数据表示，即每个原色最多不过8个级别，这不

足以表示更丰富的颜色。

    为了解决8BPP模式显示能力不足的问题，需要使用调色板(Paette)。每个像素对应

的8位数据不再用来表示RGB三种颜色，而是表示它在调色板中的索引值。

    要显示这个像素时，使用这个索引值从调色板中去其RGB颜色值。所谓调色板就是一

块内存，可以对每个索引值设置颜色，可以使用24BPP或16BPP。S3C2410/S3C2440中，调色

板是一块256x16的内存，使用16BPP的格式来表示256色(8BPP)显示模式下的各个索引值的颜

色。这样，即使使用256色(8BPP)的显示模式，最终出现在LCD数据总线上的仍是16BPP的数据。

    一个4字节可以表示4个8BPP的像素，字节与像素的对应顺序是可以选择的，如图

13.6所示。

    调色板中数据存放的格式与上面所描述的16BPP显示模式相似，也分两种格式：5:6:5、

5:5:5:1.调色板中数据的格式及与LCD数据线VD[23:0]的对应关系，如表13.3和表13.4所示。

 注意：① 0x4d00 0400是调色板的起始地址；

     ② 5:5:5:1格式下，VD18、VD10和VD2三个数据线中都是亮度值1，即最低位的值。

     ③ 当LCDCON5寄存器中的VSTATUS、HSTATUS有效时，不能读写调色板；

各种模式下用来传输红、绿、蓝三种原色的颜色值的VD数据线如表13.5所示。

    没有用到的数据线其电平为0，从这个观点来看，无论是24BPP还是16、8BPP模式，

24根数据线VD[23:0]都被用到了。事实上，一个TFT LCD能处理的像素位宽是固定的，即

它数据线的数目是固定的，红、蓝、绿3类信号线总是连接到各字节中的高位；软件设置

24、16、8BPP以及调色板等，只会影响到色值的精度。

4.使用TFT LCD时LCD 控制器的寄存器设置

    LCD控制器中REGBANK的17个寄存器可以分为6种，如表13.6所示。

    对于TFT LCD，一般情况下只需要设置前两种寄存器；在8BPP模式下，如果想快速地

输出一帧单色图像，可以借助TPAL寄存器。下面分别介绍。

(1) LCD控制寄存器LCDCON1。

    用于选择LCD类型、设置像素时钟、使能LCD信号的输出等，格式如表13.7所示。

(2)LCD 控制寄存器LCDCON2。

    用于设置垂直方向个信号的时间参数，格式如表13.8所示，请参考图13.3TFT LCD时序图。

(3)LCD 控制寄存器LCDCON3.

    用于设置水平方向各信号的时间参数，格式如下表所示，请参考13.3TFT LCD时序图。

(4)LCD控制寄存器LCDCON4。

    对于TFT LCD，这个寄存器只用来设置HSYNC信号的脉冲宽度，位[7:0]的数值称为

HSPW，表示脉冲宽度位(HSPW+1)个VCLK周期。

(5)LCD控制寄存器LCDCON5。

    用于设置各个控制信号的极性，并可从中读出一些状态信息，格式列表如表13.10

所示。

(6)帧内存地址寄存器LCDSADDR1~LCDSADDR3。

    帧内存可以很大，而真正要显示的区域被称为视口(view point)，它处于帧内存之内。

这3个寄存器用于确定帧内存的起始地址，定位视口在帧内存中的位置。

    图13.7给出了帧内存和视口的位置关系：

    各寄存器格式如表13.11、13.14和13.13所示。

 

 

    注：可以修改LCDBASEU、LCDBASEL的值来实现图像的移动，不过不能在一帧图像的

结束阶段(LCDCON1寄存器的LINECNT为0时)进行修改，因为此时LCD控制器会优先取得下一

帧的数据，之后才改变这些值。这样的话，这些数据与新的帧缓冲区就不一致。

    注：OFFSIZE、PAGEWIDTH的值只能在ENVID(LCDCON1寄存器的信号输出使能位)为0时修改。

(7)临时调色板寄存器TPAL。

    如果要输出一帧单色的图像，可以在TPAL寄存器中设定这个颜色值，然后使能TPAL寄存器，

这种方法可以避免修改整个调色板或帧缓冲区。

    TPAL寄存器格式如表13.14所示。

    注：临时调色板寄存器TPAL可以在任何显示模式下，并非只能用在8BPP模式下。