LCD控制器
《嵌入式Linux应用完全开发手册》第2篇第13章总结归纳
本章目标
- 了解LCD显示器的接口及时序
- 掌握S3C2410/S3C2440LCD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
LCD和LCD控制器
LCD显示器
LCD的种类
LCD（Liquid Crystal Display），即液晶显示器，是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。它与传统的CRT显示器相比有很多优点：轻薄、能耗低、辐射小等，市场占有率越来越大。LCD有很多种类，比如STN、TFT、LTPS TFT、OLED等，各有优缺点。
STN（Super Twisted Nematic，超扭曲向列），有CSTN和DSTN之分，是4种LCD屏中最低端的一种，仅有的优点就是功耗低，在色彩鲜艳度和画面亮度上相对于TFT和其他LCD屏存在明显不足，在日光下几乎不能显示，而且响应时间长达200ms左右，播放动画或视频拖影明显不足。
TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶体管）可以大大缩短屏幕响应时间，其响应时间已经小于80ms，并改善了STN连续显示时屏幕闪烁模糊，有效提供了动态画面的播放力，呈现画面色彩饱和度、真实效果和对比度都很不错，完全超越STN，只是功耗稍高，是目前最为主流的液晶显示器类型。在MP3、MP4产品上大量应用，在桌面液晶显示器、笔记本电脑、手机等产品上的应用也非常普遍。
LTPS（Low Temperature Polycrystalline Silicon，低温多晶硅）由TFT衍生的新一代的技术产品，可以获得更高的分辨率和更丰富的色彩。LTPS LCD可以提供170°的水平和垂直可视角度，显示响应仅12ms，显示亮度达到500Cd/m²，对比度可达500：1，这就是一些桌面液晶屏性能越来越出色的原因。虽然LTPS LCD已经出现很多年了，但由于LTPS TFT液晶屏的制造需要高于制造传统TFT屏的技术水平，目前仅有少数知名大厂能制造。
OLED（Organic Light Emitted Diode，有机发光二极管）各种物理特性都具备领先优势，色彩明亮、可视角度超大、非常省电，是未来发展的主流，只是目前受技术与成本限制，未能广泛普及。目前，彩色OLED比较广泛的存在中低端产品中。
LCD的接口
CPU或显卡发出的图像是TTL信号，LCD本身接收的也是TTL信号。但是由于TTL信号高速率的长距离传输性能不佳，抗干扰能力也比较差，后来又提出了多种接口，比如LVDS、TDMS、GVIF、P&D、DVI和DFP等。它们实际上只是将CPU或显卡发出的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时需要根据其手册了解具体接口定义。也是基于数字接口标准尚未统一的原因，市场上大多LCD都采用模拟接口信号，LCD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，本质的TTL信号是一样的。
对于STN LCD
STN LCD 的数据传输方式有3种：4位单扫（4-bit single scan）、4位双扫（4-bit dual scan）、8位单扫（8-bit single scan）。所谓“单扫”是指对于一整屏的数据，从上到下、从左到右，一个一个的发送出来；“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，一个一个的发送出来。“4位”、“8位”是指发送数据时使用多少个数据线；需要注意的是，4位双扫方式也是用到8根数据线，其中4根用于上半屏数据，另外4根用于下半屏数据。
除数据信号外，还有其他控制信号，所有TTL信号如下表所示：信号名称 描述 VFRAME 帧同步信号 VLINE 行同步信号 VCLK 像素时钟信号 VD[7:0] 数据信号 VM AV偏置信号 PWREN 电源开关信号 对于TFT LCD
TFT LCD的信号与STN类似，只是其数据信号多达24根，对应像素值的每一位。信号名称 描述 VSYNC 垂直同步信号 HSYNC 水平同步信号 HCLK 像素时钟信号 VD[23:0] 数据信号 LEND 行结束信号 PWREN 电源开关信号
S3C2410/S3C2440 LCD控制器介绍
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、TFT LCD，其特性如下（BPP 表示bit per pixel，即每个颜色像素点用多少位来表示）。
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）、16级灰度屏（4BPP）
- 支持256色（8BPP）和4096色（12BPP）彩色STN屏（CSTN）
- 支持分辨率为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4094x1024、2048x2048、1024x4096等多种
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
- 支持分辨率为640x480、320x320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所需的所有信号，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下图所示：
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，用来设置各项参数。而LCDCDMA则是LCD控制器专用的DMA通道，可以自动地从系统总线（System Bus）上取到图像数据，这使得显示图像时不需要CPU的干涉。VIDPRCS将LCDCDMA中的数据组合成特定的格式，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 TFT LCD。
LCDCDMA中有2个FIFO：FIFOH容量为16（1个字为4个字节）个字，FIFOL容量为12个字。当使用“双扫”方式时，FIFOH、FIFIL分别用于传输上半屏、下班屏数据；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自动的发起DMA传输从内存中获得图像数据。
显示器上数据的组织格式
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，每个像素的颜色用若干位的数据表示。对于单色显示器，每个像素用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，一行一行的取得每个像素的数据并显示出来，当显示当一行的最右边时，跳到下一行的最左边开始显示下一行；当显示完所有行后，跳到左上方开始显示下一帧。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“是时候跳到最左边了”，VSYNC表示“是时候跳到最上边了”。
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信号还未发出），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，显示器还每扫描到最右边（HSYNC信号还没有发出），这时数据已经无效。显示器只会依据VSYNC、HSYNC信号来取得、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1秒内能显示多少帧的图像，称为垂直频率或者场频率，这就是我们常说的“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信号的关系如下图所示：
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。
TFT LCD的操作
目前市场上主流的LCD为TFT LCD，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不停的读取总线数据、显示。
- VSYNC信号有效时，表示一帧数据的开始。
- VSPW表示VSYNC信号的脉冲宽度为（VSPW + 1）个HSYNC信号周期，即（VSPW + 1）行，这（VSPW + 1）行数据无效。
- 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。
- 随后即连续发出（LINEVAL + 1）行的有效数据。
- 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，紧接着就是下一帧的数据了（即下一个VSYNC信号）。
现在深入到一行像素的传输过程。类似于行数据的传输过程。
- HSYNC信号有效时，表示一行数据的开始。
- 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。
- HSYNC信号脉冲无效之后，还要经过（HBPD + 1）个VCLK信号周期，有效的像素数据才出现。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，它对应图13.2的左边框，第一个有效像素才出现。
- 随后即连续发出（HOZVAL + 1）个像素的有效数据。
- 最后是（HFPD + 1）个无效的像素，它对应图13.2的右边框，完整的一行结束，紧接着就是下一行的数据了（即下一个HSYNC信号）。
时序图中各信号的时间参数都可以在LCD控制寄存器中设置，VCLK作为时序图的基准信号，它的频率可由此计算：
1 | VCLK(hz) = HCLK / [(CLKVAL + 1 x 2)] |
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：
1 | Frame Rate = 1/[{(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LINEVAL+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之后，并将帧内存（frame memory）的地址告诉LCD控制器，它即可自动发起DMA传输从帧内存得到图像数据，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。
下面介绍各种图像的格式数据在内存中如何存储。
显示器上的每个像素的颜色都是由3个部分组成：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所能识别到的所有颜色。比如可以根据颜色的浓烈程度将三原色都分为256个级别（0-255）。可以使用255级的红色、255级的绿色、255级的蓝色可以组成白色。0级的红色、0级的绿色、0级的蓝色可以组成黑色。
LCD控制器可以支持单色（1BPP）、4级灰度（2BPP）、16级灰度（8BPP）、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（8pp）、64K（16BPP）和16M（24BPP）色显示模式下，图像数据的存储格式。
- 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）位来表示一个像素，其中的3个字节从高到低分别表示红、绿、蓝，剩余的1个字节数据无效。是最低字节还是最高字节无效，这时可以选择的。
- 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：5：6：5、5：5：5：1，前者使用高5位来表示红色，中间的6位来表示绿色，低5位来表示蓝色；后者的高15位从高到低分成3个5位来表示红色、绿色、蓝色，最低位表示透明度。5：5：5：1的格式也被称为RGBA（A表示Alpha，指代透明度）。
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字节来表示第一个像素，这也是可以选择的。
显示模式为16BPP时，内存数据与像素位置的关系如图所示：
在5：5：5：1的格式下，VD[18]、VD[10]、VD[2]数据线上的值是一样的，都表示透明度。图中的NC表示没有连接（not connect）。 - 256（8BPP）色
256（8BPP）色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位的数据来表示，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模式显示能力太弱的问题，需要使用调色板。每个像素对应8位数据不再用来表示RGB三原色，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取得其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其颜色，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）显示模式下各个索引值的颜色。这样即使使用256色（8BPP）的显示模式，最终在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，如下图所示：
调色板中数据的存放格式与16BPP显示模式类似，也分为两种：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，如下表所示：
5：6：5格式下调色板的数据格式
| 序号 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | 地址 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 00H | R4 | R3 | R2 | R1 | R0 | G5 | G4 | G3 | G2 | G1 | G0 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 | 0X4D000400 |
| 01H | R4 | R3 | R2 | R1 | R0 | G5 | G4 | G3 | G2 | G1 | G0 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 | 0X4D000404 |
| … … | … … | ||||||||||||||||
| FFH | R4 | R3 | R2 | R1 | R0 | G5 | G4 | G3 | G2 | G1 | G0 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 | 0X4D0007FC |
| VD引脚号 | 23 | 22 | 21 | 20 | 19 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 |
5：5：5：1格式下调色板的数据格式
| 序号 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | 地址 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 00H | R4 | R3 | R2 | R1 | R0 | G4 | G3 | G2 | G1 | G0 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 | – | 0X4D000400 |
| 01H | R4 | R3 | R2 | R1 | R0 | G4 | G3 | G2 | G1 | G0 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 | – | 0X4D000404 |
| … … | … … | ||||||||||||||||
| FFH | R4 | R3 | R2 | R1 | R0 | G4 | G3 | G2 | G1 | G0 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 | – | 0X4D0007FC |
| VD引脚号 | 23 | 22 | 21 | 20 | 19 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | |
| 注： | |||||||||||||||||
| ①0X4D000400是调色板的起始地址。 | |||||||||||||||||
| ②5：5：5：1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LCDCCON5寄存器中的VSTATUS、HSTATUS有效时，不能读写调色板。 |
各模式下用来传输红、绿、蓝三种原色的颜色值VD数据线如下表所示：
| 24BPP | 16BPP/8BPP 5：6：5格式 | 16BPP/8BPP 5：5：5：1格式 |
|---|---|---|
| 红色 | VD[23:16] | VD[23:19] |
| 绿色 | VD[15:8] | VD[15:10] |
| 蓝色 | VD[7:0] | VD[7:3] |
没有用到的数据线其电平为0，从这个观点来看，无论是24BPP模式还是16BPP、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，即它的数据线的数目是固定的。红、绿、蓝3类信号线总是连接到各字节中的高位；软件设置24BPP、16BPP、8BPP以及调色板等，只会影响到色值的精度。
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，如下表所示：
| 名称 | 说明 |
|---|---|
| LCDCON1-LCDCON5 | 用于选择LCD类型，设置各类控制信号的时间特性等 |
| LCDSADDR1-LCDSADDR3 | 用于设置帧内存的地址 |
| TPAL | 临时调色板寄存器，可以快速的输出一帧单色的图像 |
| LCDINTPND LCDSRCPND LCDINTMSK |
用于LCD的中断，在一般应用中无需中断 |
| REDLUT GREENLUT BLUELUT DITHMODE |
专用于STNLCD |
| TCONSEL | 专用于SEC TFT LCD |
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，如果想快速的输出一帧单色图，可以借助TPAL寄存器。
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，格式如下表：功能 位 说明 LINECNT [27:18] 只读，每输出一个有效行其值减一，从LINEVAL减到0 CLKVAL [17:8] 用于设置VCLK（时钟）
对于TFT LCD，VCLK = HCLK / [(CLKVAL + 1) x 2](CLKVAL >= 0)MMODE [7] 设置VM信号的反转效率，用于STN LCD PNRMODE [6:5] 设置LCD的类型，对于TFT LCD 设为0b11 BPPMODE [4:1] 设置BPP，对于TFT LCD：
0b1000 = 1bpp
0b1001 = 2bpp
0b1010 = 4bpp
0b1011 = 8bpp
0b1100 = 16bpp
0b1101 = 24bppENVID [0] LCD信号输出使能位，0：禁止，1：使能 LCD控制寄存器LCDCON2
用于设置垂直方向各信号的时间参数，格式如下表：功能 位 说明 VBPD [31:24] 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 LINEVAL [23:14] LCD的垂直宽度：（LINEVAL + 1）行 VFPD [13:6] 一帧中的有效行数据完结后，到下一个VSYNC信号有效前的无效行数目：VFPD + 1 VSPW [5:0] 表示VSYNC信号的脉冲宽度为（VSPW + 1）个HSYNC信号周期，即（VSPW + 1）行，这（VSPW + 1）行的数据无效 LCD控制器LCDCON3
用于设置水平方向信号的时间参数，格式如下表所示：功能 位 说明 HBPD [25:19] HSYNC信号脉冲之后，还要经过（HBPD + 1）个VCLK信号周期，有效的行数据才出现 HOZVAL [18:8] LCD的水平宽度：（HOZVAL + 1）列（像素点） HFPD [7:0] 一行中的有效数据完结后，到下一个HSYNC信号有效前的无效像素数目：HFPD + 1 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，表示脉冲宽度为（HSPW + 1）个VCLK周期。LCD控制寄存器LCDCON5
用于设置各个控制信号的极性，并可以从中读到一些状态信息。如下表所示：功能 位 说明 VSTATUS [16:15] 只读，垂直状态。
00:正处于VSYNC信号脉冲期间
01:正处于VSYNC信号结束到行有效期间
10:正处于行有效期间
11:正处于行有效结束到下一个VSYNC之间HSTATUS [14:13] 只读，水平状态。
00:正处于HSYNC信号脉冲期间
01:正处于HSYNC信号结束到像素有效期间
10:正处于像素有效期间
11:正处于像素有效结束到下一个HSYNC之间BPP24BL [12] 设置TFT LCD的显示模式为24BPP时，一个4字节中哪3个字节有效。
0:LSB有效（低地址的3字节）；1：MSB（高地址的3字节）；FRM565 [11] 设置TFT LCD的显示模式为16BPP时，使用的数据格式。
0表示5：5：5：1格式；1表示5：6：5 格式INVVCLK [10] 设置VCLK信号有效沿的极性。
0：在VCLK的下降沿读取数据；1：在VCLK的上升沿读取数据。INVVLINE [9] 设置VLINE/HSYNC脉冲的极性。
0：正常的极性；1：反转的极性INVVFRAME [8] 设置VFRAME/VSYNC脉冲的极性。
0：正常的极性；1：反转的极性INVVD [7] 设置VD数据线表示数据（0/1）的极性。
0：正常的极性；1：反转的极性INVVDEN [6] 设置VDEN信号的极性。
0：正常的极性；1：反转的极性INVPWREN [5] 设置PWREN信号的极性。
0：正常的极性；1：反转的极性INVLEND [4] 设置LEND信号的极性。
0：正常的极性；1：反转的极性PWREN [3] LCD_PWREN信号输出使能。
0：禁止；1：输出ENLEND [2] LEND信号输出使能。
0：禁止；1：输出BSWP [1] 字节交换使能
0：禁止；1：输出HWSWP [1] 半字（2字节）交换使能
0：禁止；1：输出帧内存地址寄存器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，定位视口在帧内存的位置。下图给出了帧内存和视口之间的关系：
各寄存器格式如下表所示：
| LCDSADDR1 功能 | 位 | 说明 |
|---|---|---|
| LCDBANK | [29:21] | 用来保存帧内存起始地址A[30:22]，帧内存起始地址为4MB对齐。 |
| LCDBASEU | [20:0] | 对于TFT LCD，用来保存视口（view point），所对应的内存起始地址A[21:1]，这块内存地址也称为LCD的帧缓冲区（frame buffer） |
| LCDSADDR2 功能 | 位 | 说明 |
|---|---|---|
| LCDBASEL | [20:0] | 对于TFT LCD，用来保存LCD的帧缓冲区结束地址A[21:1]，其值可如下计算：LCDBASEL = LCDBASEU + （PAGEWIDTH + OFFSICE）x （LINEVAL + 1） |
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，之后才会改变这些值，这样的话，这些数据就与新的帧缓冲区不一致。
| LCDSADDR3 功能 | 位 | 说明 |
|---|---|---|
| OFFSIZE | [21:11] | 表示上一行最后一个数据与下一行第一个数据间地址差值的一半，即以半字为单位的地址差（0表示两行数据是紧接着的，1表示它们之间相差2个字节，依次类推） |
| PAGEWIDTH | [10:0] | 视口的宽带，以半字为单位 |
注：OFFSIZE、PAGEWIDTH的值只能在ENVID（LCDCON1寄存器的信号输出使能）为0时修改。
- 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寄存器格式如下表所示：功能 位 说明 TPALEN [24] 调色板寄存器使能位。
0：禁止 1：使能TPALVAL [23:0] 颜色值。
TPALVAL[23:16]：红色
TPALVAL[15:8]：绿色
TPALVAL[7:0]：蓝色
注：临时调色板寄存器TPAL可以用在任何显示模式下，并非只能用在8BPP模式下。
TFT LCD显示实例
程序设计
本实例的目的是从串口输出一个菜单，从中选择各种方法进行测试，比如画线、画圆、显示单色、使用调色板等。
代码设计
与LCD相关的文件有3个：lcddrv.c、framebuffer.c和lcdlib.c（及相应的头文件）。
- lcddrv.c封装了对LCD控制器、调色板的访问函数，可以设置LCD的显示模式、开启/关闭LCD、设置调色板等。
- framebuffer.c直接操作帧缓冲区（frame buffer），实现了画点、画线、画圆、清屏等操作。
- lcdlib.c调用前两个文件提供的函数在LCD上进行各种操作。
main.c
1 | switch(getc()) |
它根据串口的输入选择是以”240x320、8bpp“、”240x320、16bpp“、”640x480、8bpp“或”640x480、16bpp“的显示模式来操作LCD，所调用的4个函数都在lcdlib.c中实现。
lcdlib.c
8BPP模式将用到调色板，其操作比16BPP模式稍为复杂，但是大部分仍是相似的。下面以Test_Lcd_Tft_8Bit_240320()为例进行说明：
1 | /* |
第6行所涉及的GPIO引脚用于LCD功能。
第7行调用Tft_Lcd_Init函数初始化LCD控制器，即设置各个控制信号的时间特性、设置LCD的显示模式、设置帧缓冲区的地址等，它是lcddrv.c中最复杂的函数，在后面会详细分析这个函数。
进行第6、7行的初始化之后，只要打开LCD，帧缓冲区中的数据就会被LCD控制器自动地发送到LCD上去显示。打开操作由8、9行来完成。
第8行发出LCD_PWREN信号。对于有电源开关控制引脚的LCD，可以使用LCD_PWREN来打开或关闭LCD。LCD_PWREN信号的极性可以设置。
第9行使能LCD控制器输出信号，这时，帧缓冲区中的数据就开始在LCD上显示出来了。
接下来就是按照设定的流程进行各类操作了，比如画线、清屏等，代码如下：
1 | Lcd_Palette8Bit_Init(); //初始化调色板 |
上述函数分3类：
- 清屏函数ClearScr、画线函数DrawLine，都是通过framebuffer.c中的PutPixel函数来设置帧缓冲区中的数据，以像素为单位修改颜色来实现的。
- Lcd_Palette8Bit_Init函数设置调色板，ChangePalette函数通过设置调色板来实现清屏功能，不涉及帧缓冲区，它在lcddrv.c中实现。
- ClearScrWithTmpPlt函数则是通过临时调色板寄存器来快速的输出单色的图像，也不涉及帧缓冲区，它在lcddrv.c中实现。
lcddrv.c、framebuffer.c文件中的各个函数才是本实例的关键。可以认为lcddrv.c是对操作各寄存器的封装，framebuffer.c则是对操作图像数据的封装。先看lcddrv.c文件。
lcddrv.c
这个文件的重点在于Tft_Lcd_Init、Lcd_Palette8Bit_Init。
Lcd_Port_Init函数
设置所涉及的GPIO引脚用于LCD功能。GPIO功能的设置对读者来说已经很熟悉了，不再赘述。Tft_Lcd_Init函数
用于初始化LCD控制器，即设置各个控制信号的时间特性、设置LCD的显示模式、设置帧缓冲区的地址等。
首先是对5个控制寄存器LCDCON1-LCDCON5的设置，代码如下：1
2
3
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38/*
初始化LCD控制器
输入参数：
type：显示模式
MODE_TFT_8BIT_240320 : 240*320 8bpp 的TFT LCD
MODE_TFT_16BIT_240320 : 240*320 16bpp 的TFT LCD
MODE_TFT_8BIT_640480 : 640*480 8bpp 的TFT LCD
MODE_TFT_16BIT_640480 : 640*480 16bpp 的TFT LCD
*/
void Tft_Lcd_Init(int type)
{
switch(type)
{
case MODE_TFT_8BIT_240320:
/*
设置LCD控制器的控制寄存器LCDCON1-LCDCON5
1. LCDCON1
设置VCLK的频率：VCLK（Hz）= HCLK/[(CLKVAL+1)x2]
选择LCD类型：TFT LCD
设置显示模式：8BPP
先禁止LCD信号输出
2. LCDCON2/3/4
设置控制信号的时间参数
设置分辨率，即行数及列数
现在，可以根据公式计算出显示器的频率
当HCLK = 100MHz时，
Frame Rate = 1/[{(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LINEVAL+1)+(VFPD+1)} x { (HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1) } x { 2 x ( CLKVAL+1) / (HCLK)}] = 60Hz
3. LCDCON5
设置显示模式为8BPP时，调色板中的数据格式为5：6：5
设置HSYNC、VSYNC脉冲的极性：反转字节交换使能
*/
LCDCON1 = (CLKVAL_TFT_240320 << 8) | (LCDTYPE_TFT << 5) | (BPPMODE_8BPP << 1) | (ENVID_DISABLE << 0);
LCDCON2 = (VBPD_240320 << 24) | (LINEVAL_TFT_240320 << 14) | (VFPD_240320 << 6) | (VSPW_240320);
LCDCON3 = (HBPD_240320 << 19) | (HOZVAL_TFT_240320 << 8) | (HFPD_240320);
LCDCON4 = (HSPW_240320);
LCDCON5 = (FORMAT8BPP_565 << 11) | (HSYNC_INV << 9) | (VSYNC_INV << 8) | (BSWP << 1);
}
}代码中的注释可以帮助读者理解这些代码，比较困难的是时间参数VSPW、VBPD、VFPD、HSPW、HBPD、HFPD、CLKVAL的设置。对于CRT显示器，当它的频率在60Hz时，人眼会感到明显的闪烁；而对于LCD，在60Hz时显示效果就很好。
1
Frame Rate = 1/[{(VSPW+1)+(VBPD+1)+(LINEVAL+1)+(VFPD+1)} x { (HSPW+1)+(HBPD+1)+(HFPD+1)+(HOZVAL+1) } x { 2 x ( CLKVAL+1) / (HCLK)}];
接下来是对地址寄存器LCDSADDR1-LCDSADDR3的设置。本程序中，帧内存与视图吻合，即图中的OFFSIZE为0，LCDBANK、LCDBASEU指向同一个地址（同一地址的不同位）。
需要注意的是，8BPP的显示模式要用到调色板，帧缓冲区中的数据不是像素的颜色值，而是调色板中的索引值，真正的颜色值在调色板中。1
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18/*
设置LCD控制器的地址寄存器LCDSADDR1-LCDSADDR3
帧内存与视口（view point）完全吻合，
图像数据格式如下（8BPP时，帧缓存区中的数据为调色板中的索引值）：
|----width----|
y/x 0 1 2 239
0 idx idx idx idx
1 idx idx idx idx
1. LCDSADDR1
设置LCDBANK、LCDBASEU
2. LCDSADDR2
设置LCDBASEL：帧缓冲区的结束地址A[21:1]
3. LCDSADDR3
OFFSIZE等于0，PAGEWIDTH等于（240/2）
*/
LCDSADDR1 = ((LCDFRAMEBUFFER >> 22) << 21) | LOWER21BITS(LCDFRAMEBUFFER >> 1);
LCDSADDR2 = LOWER21BITS((LCDFRAMEBUFFER + (LINEVAL_TFT_240320 + 1) x (HOZVAL_TFT_240320+1) x1) >> 1);
LCDSADDR3 = (0 <<11 ) | (LCD_XSIZE_TFT_240320/2);第16行将帧缓冲区的起始地址写入LCDSADDR1寄存器。
第17行先计算帧缓冲区的结束地址，再取其位[21:1]存入LCDSADDR2中。这个地址值在本实例中即是“LCDFRAMEBUFFER + 320 x 240 x 1”,其中的“x1”表示在8BPP中一个像素使用1个字节来表示（对于16BPP，则是“x2”）。
在设置寄存器的最后，禁止临时调色板寄存器，现在还没有用到它。1
2/*禁止临时调色板寄存器*/
TPAL = 0;最后，将显示模式的主要参数记录下来，在framebuffer.c中需要用到。
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4fb_base_addr = LCDFRAMEBUFFER;
bpp = 8;
xsize = 240;
ysize = 320;需要说明的是，显示模式为8BPP时，LCDCON5中BSWAP位设为1，表示“字节交换使能”，这时帧缓存区中的数据与屏幕上的像素位置关系如上图13.6所示；显示模式为16BPP时，LCDCON5中HWSWAP位设为1，表示“半字交换使能”，这时帧缓冲区的数据与屏幕上的像素位置关系如图13.5所示。他们都是“低地址的数据”对应“位置靠前”的像素。
Lcd_Palette8Bit_Init函数
设置调色板中的数据：调试板大小为256x16，而8BPP模式中每个像素的索引值占据8位，刚好有256个索引值。代码如下：1
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14/*
设置调色板
*/
void Lcd_Palette8Bit_Init(void)
{
int i;
volatile unsigned int *palette;
LCDCON5 |= (FORMAT8BPP_565 << 11); //设置调色板中数据格式为5：6：5
palette = (volatile unsigned int *)PALETTE;
for(i = 0;i < 256;i++)
*palette++ = DEMO256pal[i];
}调色板中用16BPP的格式来表示颜色，第9行设置调色板中数据的格式为5：6：5。
第12、13行将数组DEMO256pal中的数据写入调色板中。ChangePalette函数
以给定的颜色填充整个调色板。1
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24/*
改变调色板为一种颜色
输入参数：
color：颜色值，格式为0xRRGGBB
*/
void ChangePalette(UINT32 color)
{
int i;
unsigned char red,green,blue;
UNT32 *palette;
palette = (UINT32 *)PALETTE;
for(i = 0;i < 256;i++)
{
red = (color >> 19) & 0xff;
green = (color >> 10) & 0xff;
blue = (color >> 3) & 0xff;
color = (red << 11) | (greee << 5) | (blue); //格式5：6：5
while((LCDCON5 >> 16) == 2); //等待直到VSTATUS不为“有效”
*palette++ = color;
}
}第15-19行从0xRRGGBB格式的变量中，提取8位红色值的高5位，8位绿色值的高6位，8位蓝色值的高5位组成5：6：5格式的16BPP颜色值。
第21行检测当前VSYNC信号的状态，如果它处于有效的状态，则等待。前面说过，读写调色板时，VSTATUS、HSTATUS不能处于有效状态。这里当VSTATUS不是“有效”状态时，HSTATUS也不能是“有效”状态。
第22行将新数据写入调色板。Lcd_PowerEnable函数
用于是否控制发出LCD_PWREN信号。对于有电源开关控制引脚的LCD，可以使用LCD_PWREN来打开或关闭LCD。LCD_PWREN信号的极性可以设置。1
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18/*
设置是否输出LCD电源开关信号LCD_PWREN
输入参数：
invpwren：
0表示LCD_PWREN有效时为正常极性
1表示LCD_PWREN有效时为反转极性
pwren：
0表示LCD_PWREN输出有效
1表示LCD_PWREN输出无效
*/
void Lcd_PowerEnable(int invpwren,int pwren)
{
GPGCON = (GPGCON & (~ (3 << 8))) | (3 << 8); //GPG4用作LCD_PWREN
GPGUP = (GPGUP & (~ (1 << 4))) | (1 << 4); //禁止内部上拉
LCDCON5 = (LCDCON5 & (~ (1 << 5))) | (invpwrwen << 5); //设置LCD_PWREN的极性：正常/反转
LCDCON5 = (LCDCON5 & (~ (1 << 3))) | (pwren << 3); //设置是否输出LCD_PWREN
}Lcd_EnvidOnOff函数
用于控制是否使能LCD控制器输出各个LCD信号，当设置如控制寄存器、地址寄存器之后，即可调用此函数输出各个LCD信号，这样，帧缓冲区中的数据即发送给LCD。1
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设置LCD控制器是否输出信号
输入参数：
onoff：
0：关闭
1：打开
*/
void Lcd_EnvidOnOff(int onoff)
{
if(onoff == 1)
LCDCON1 |= 1; //ENVID ON
else
LCDCON1 &= 0x3fffe; //ENVID OFF
}ClearScrWithTmpPlt、DisableTmpPlt函数
ClearScrWithTmpPlt函数设置颜色值并使能TPAL寄存器，这使得LCD上显示单一颜色的图像。DisableTmpPlt函数停止TPAL寄存器的功能，继续输出帧缓存区的图像。1
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使用临时调色板寄存器输出单色图像
输入参数：
color：颜色值，格式为0xRRGGBB
*/
void ClearScrWithTmpPlt(UINT32 color)
{
TPAL = (1 << 24) | ((color & 0xffffff) << 0);
}
/*
停止使用临时调色板寄存器
*/
void DisableTmpPlt(void)
{
TPAL = 0;
}
framebuffer.c
此文件中有4个函数：画点函数PutPixel、画线函数DrawLine、绘制同心圆函数Mire、清屏函数ClearScr。后3个函数都是基于PutPixel函数实现的。PutPixel函数是framebuffer.c的核心，它在缓冲区中找到给定坐标的像素的内存，然后修改它的值。
1 | extern unsigned int fb_base_addr; |
第1-4行的4个变量在lcddrv.c中的Tft_Lcd_Init函数中设置，PutPixel函数根据它们来确定给定坐标的像素在缓冲区中的地址。
第22、34行分别计算16BPP、8BPP模式下给定坐标的像素在帧缓冲中的地址。对于16BPP模式，每个像素占据2字节；对于8BPP模式，每个像素占据1字节。
对于16BPP的显示模式，第22-25行从0xAARRGGBB中提取8位红色值的高5位，8位绿色值的高6位，8位蓝色值的高5位组成5：6：5格式的16BPP颜色值。
最后，第28、35行将颜色值（8BPP模式下为调色板索引值）写入帧缓冲区中，这样下一次显示的时候，新颜色就可以显示出来了。