024 - STM32学习笔记 - 液晶屏控制（一）

024- STM32学习笔记 - LTDC控制液晶屏

在学习如何控制液晶屏之前，先了解一下显示屏的分类，按照目前市场上存在的各种屏幕材质，主要分为CRT阴极射线管显示屏、LCD液晶显示屏、LED显示屏、OLED显示屏，在F429的开发板上，配套的是LCD液晶显示屏（分辨率800*480）。

LCD液晶显示屏，是通过给内部的液晶（一种介于液态与固态之间，但其分子排列和和固态晶体一样规则的有机化合物）施加电场，改变其分子排列，从而改变光线传播方向，配合前后两片偏振光片以及RGB滤光片，可以控制其颜色，再通过改变电压大小，控制透光率，从而改变颜色的深浅。每个RGB为一个像素点，很多个RGB通过组合后，可以组合出来很多种颜色。

LCD本身不发光，因此在LCD屏幕的背后都会有一块背光板（白光），而且因为液晶的特性，所以我们经常会看到因为存储液晶的容器一旦破裂，会出现漏液或者漏光的情况。LCD在颜色变幻时，因为液晶晶体转动需要消耗时间，因此我们会感觉到LCD屏幕的响应时间会比较慢。

剩下关于LED和OLED在这里就不做介绍了，有兴趣的可以去找一些相关资料看看。

一、显示器基本参数

这里关于显示器需要了解的点主要有以下几个：

1、像素：

像素是图像的最基本要素，也是显示器的最小显示单位（点）。

2、分辨率：

分辨率表示的是显示器上“行像素数 * 列像素数”，例如：1920*1080表示的是每行有1920个像素点，每列有1080个像素点，同样可以理解为一共有1920列，1080行，因此该显示器的总像素数就是1920 * 1080 = 2073600个像素点。

3、色彩深度：

这个参数很多人应该都没注意到，色彩深度指的是显示器的每个像素点能表示多少中颜色，比如路边商铺上常用的LED单色显示屏来说，单色屏的每个像素点只有亮或灭两种状态，因此只需要一个数据位就可以表示其所有状态，所以单色屏的色彩深度为1bit，其余我们见到的彩色显示屏的深度一般为16bit、24bit。

4、显示器尺寸：

显示器尺寸大小以寸（英寸）为单位表示，如：3.7寸、7寸、32寸等，是屏幕对角线的长度，对角线的长度结合屏幕的长宽比（例如16：9）就可以确定显示器的具体长度和宽度了。

5、点距：

点距表示的是两个相邻像素点之间的间距，在相同尺寸的屏幕下，点距越小，屏幕的分辨率越高，相应的制造工艺越复杂，成本也越高。

二、液晶控制原理

我们这里用到的显示屏，是由液晶显示面板、电容触摸面板以及PCB底板组成。触摸面板带有触摸控制芯片，与液晶面板引出的排线连接到PCB底板上，通过液晶控制器芯片与STM32进行通讯，部分STM32不自带液晶控制器，因此显示器需自带，我这里使用的F429集成了液晶控制器，因此配套的显示器并没有液晶控制器。

在液晶面板上，引出的控制信号线如下：

信号名称	说明
R[7:0]	红色像素控制信号
G[7:0]	绿色像素控制信号
B[7:0]	蓝色像素控制信号
CLK	像素同步时钟信号
HSYNC	水平同步信号
VSYNC	垂直同步信号
DE	数据使能信号

1、RGB信号线

RGB信号线每个通道各有8根，分别表示每个像素点的红、绿、蓝颜色的分量，因此每个像素点的每个通道色彩分量可以表示为0-255种，比如RGB565表示红绿蓝三个通道数据线分别是5、6、5根，数据位一共16，因此可表示为2¹⁶种颜色，色彩深度为16bit，而我用到的液晶屏三种颜色通道数据线各有8根，因此可显示颜色为2²⁴种，色彩深度为24bit。

2、同步时钟信号CLK

液晶屏与外部适用同步通讯方式，以CLK信号作为同步时钟，每个时钟传输一个像素点的数据。

3、水平同步信号HSYNC

水平同步信号表示液晶屏一行像素数据的传输结束，每次传输完成液晶屏一行像素数据时，HSYNC都会发生一次电平跳变，比如分辨率为800x480分辨率的显示屏，传输一帧不想时HSYNC的电平会跳变480次，这里注意跳变次数与行数是对应的。

4、垂直同步信号VSYNC

垂直同步信号是指每一帧像素数据传输结束后，VSYNC会发生一次跳变，也就是说，当液晶屏上显示一次完整的图像时，VSYNC会发生跳变，玩哪些3A大作游戏的伙伴们，一般在挑选显示器时，会关注刷新率的参数，这个刷新率例如60Hz、144Hz等，表示的就是每秒刷新多少次，即触发多少次VSYNC跳变。

5、数据使能信号DE

数据使能信号表示数据的有效性，当DE信号线为高电平时，RGV信号线表示的数据有效。

三、液晶数据传输时序

向液晶屏传输数据时，我们可以将液晶屏上面的像素点按照行去展开，例如800*480分辨率的显示屏。展开后第1个像素点为第1行第1列的像素点，第481个像素点为第2行第1列的像素点，由此往下类推，这时候我们想象出来一个指针，这个指针指向下一个要显示的像素点，这个指针的扫描方向在显示屏上应该是由左到右、从上向下的一个点一个点的移动，当指向像素点时，通过DE使能信号的使能下，将RGB信号线的数据发送到指向的像素点，再在CLK时钟的驱动下移向下一个像素点，每传输一行像素数据时，水平同步信号HSYNC触发一次，当所有像素点全部传输完成后，垂直同步信号HSYNC再触发一次，之后指针再次移回到最开始的位置，即第一行第一列。

这里我们是将显示屏上的像素点拉成一条线去说明的，但是实际上显示指针在行与行、帧与帧之间切换存在一定的延迟，并且水平同步和垂直同步信号本身有一定的宽度，这些时间参数如下表：

时间参数	参数说明
水平后沿（VBP：vertical back porch）	表示一帧图像开始时，垂直同步信号以后的无效行数
水平前沿（VFP：vertical front porch）	表示一帧图像结束后，垂直同步信号以前的无效行数
垂直后沿（HBP：horizontal back porch）	表示从水平同步信号开始到有效数据开始前的CLK的个数
垂直前延（HFP：horizontal front porch）	表示一行有效数据就鳄属到下一个水平同步信号开始之间的CLK的个数
垂直信号宽度（VSW：vertical sync width）	表示垂直同步信号的宽度，单位为行
水平信号宽度（HSW：horizontal sync width）	表示水平同步信号的宽度，单位为同步时钟CLK的个数

看这个表，我估计多数人会比较懵，用一张图来分析一下各个时间参数表示的含义：

在这里插入图片描述

因为生产制造工艺的问题，显示屏整个显示区域中，并不是所有像素点都是可用的，如上图中，实际上关于上表中的各项时间参数，可以认为是为了对非有效显示区域的限制，在这里使能控制信号，只有像素指针到了有效显示区域内，才会变为高电平，其余位置均低电平。

四、显存

这里说的显存是指屏幕中所有像素点的颜色数据缓存起来，再传给显示屏，这种存储显示数据的存储器被称为显存，显存的容量至少要能存储显示器的一帧显示数据，分辨率为800*400的液晶屏如果使用RGB888格式显示，则其一帧数据大小为（8+8+8）x 800 x 480 = 9216000bit / 8 = 1152000Byte，如果适用RGB565格式显示，则一帧图像数据大小为（5+6+5）x 800 x 480 = 6144000bit / 8 = 768000Byte。

五、LTDC液晶控制器

上面提到F429本身自带液晶控制器，可以适用SDRAM的部分空间作为显存，不需要液晶屏再增加液晶控制器芯片了。ST,32的LTDC液晶控制器最高支持800 x 600分辨率的像素，支持多种颜色格式，包括RGB888、RGB565、ARGB8888和ARGB1555(A表示透明像素)；支持2层显示数据混合，可以利用这个特性制作出背景和前景分离的效果，比如背景播放视频，前景显示字幕。

如果需要适用数据混合功能，前景曾必须适用包含透明的像素格式，如ARGB8888或者ARGB1555，里面的字母和数字是对应的，比如ARGB1555表示的是透明像素层（A）只用1位表示像素透明或者不透明，后面的几位则是表示RGB通道的颜色深度，而ARGB8888里面，透明像素则可以表示透明深度。

关于液晶屏这里，需要注意的是液晶屏本、身是没有透明度的参数的，比如24位液晶屏RGB888，只有RGB颜色各对应的8根数据线，不存在表示透明度的数据线，所以实际上ARGB也只是针对于内部分层数据处理的格式，通过液晶控制器混合计算出直接颜色数据通过RGB三根数据线发送给液晶屏显示，这里就跟我们使用PS软件绘图时，通过图层混合后，最终输出的jpg的图片一样。

关于LTDC这里通过下面几个部分来进行学习：

LTDC结构：

LTDC主要包含信号线、图像处理单元、寄存器以及时钟信号，其结构如下图：

在这里插入图片描述

1、LTDC信号线：

LTDC信号线与液晶屏的数据线时一一对应的，包含RGB数据线、水平&垂直同步信号线、时钟信号线以及使能信号线，下表是查询《STM32F4XX规格书》整理出来的对应引脚号。

引脚号	LTDC 信号	引脚号	LTDC 信号	引脚号	LTDC 信号	引脚号	LTDC 信号
PA3	LCD_B5	PE11	LCD_G3	PH14	LCD_G3	PJ4	LCD_R5
PA4	LCD_VSYNC	PE12	LCD_B4	PH15	LCD_G4	PJ5	LCD_R6
PA6	LCD_G2	PE13	LCD_DE	PI0	LCD_G5	PJ6	LCD_R7
PA8	LCD_R6	PE14	LCD_CLK	PI1	LCD_G6	PJ7	LCD_G0
PA11	LCD_R4	PE15	LCD_R7	PI2	LCD_G7	PJ8	LCD_G1
PA12	LCD_R5	PF10	LCD_DE	PI4	LCD_B4	PJ9	LCD_G2
PB8	LCD_B6	PG6	LCD_R7	PI5	LCD_B5	PJ10	LCD_G3
PB9	LCD_B7	PG7	LCD_CLK	PI6	LCD_B6	PJ11	LCD_G4
PB10	LCD_G4	PG10	LCD_B2	PI7	LCD_B7	PJ12	LCD_B0
PB11	LCDG5	PG11	LCD_B3	PI9	LCD_VSYNC	PJ13	LCD_B1
PC6	LCD_HSYNC	PG12	LCD_B1	PI10	LCD_HSYNC	PJ14	LCD_B2
PC7	LCD_G6	PH2	LCD_R0	PI12	LCD_HSYNC	PJ15	LCD_B3
PC10	LCD_R2	PH3	LCD_R1	PI13	LCD_VSYNC	PK0	LCD_G5
PD3	LCD_G7	PH8	LCD_R2	PI14	LCD_CLK	PK1	LCD_G6
PD6	LCD_B2	PH9	LCD_R3	PI15	LCD_R0	PK2	LCD_G7
PD10	LCD_B3	PH10	LCD_R4	PJ0	LCD_R1	PK3	LCD_B4
PE4	LCD_B0	PH11	LCD_R5	PJ1	LCD_R2	PK4	LCD_B5
PE5	LCD_G0	PH12	LCD_R6	PJ2	LCD_R3	PK5	LCD_B6
PE6	LCD_G1	PH13	LCD_G2	PJ3	LCD_R4	PK6	LCD_B7

2、图像处理单元

在上图中②表示的是图像处理单元，通过AHB接口获取显存中的数据，然后按照分层把数据发送到两个”层FIFO“缓存中，将每个FIFO可以缓存64*32位的数据，紧接着再由缓存中获取数据交给PFC（像素格式转换器），将数据从像素格式转换成字（ARGB8888）格式，通过混合单元将两层数据合并，再通过信号线将混合得到的单层数据发送到液晶屏上。

输出数据前，数据还要经过一个抖动单元，作用是当输出数据的色彩深度大于显示屏实际的色彩深度时，对像素颜色进行舍入操作，比如，当向16位显示器上输入24位色彩深度的数据时，抖动单元会把像素数据的低8位（24-16）数据与阈值比较，若大于阈值，则向第9位进1，否则直接舍掉后面的8位。

3、配置和状态寄存器

图中标4的表示的是LTDC的控制逻辑，包含了LTDC的各种配置和状态寄存器。需要配置的参数有通讯时信号线的有效电平、各种时间参数、有效数据宽度、像素格式及显存地址等等，LTDC通过这些配置控制输出，将AHB接口从显存位置搬运过来的数据输出到显示器，同时可以通过用于指示当前显示状态和位置的状态寄存器去获取LTDC的工作状态。

4、时钟信号

LTDC使用到3中时钟信号，AHB时钟、APB2时钟及像素时钟LCD_CLK，其中AHB时钟用于驱动数据从存储器存储到FIFO，APB2时钟用于驱动LTDC的驱动器，而LCD_CLK则是与显示器的通讯同步时钟，时钟树如下图：

在这里插入图片描述

这里可以看到LCD_CLK来源于HSE，经过M分频因子输出到PLLSAI分频器，有PLLSAI中的倍频因子N得到”LCD-TFT clock“，这里的”LCD-TFT clock“就是通讯中的同步时钟LCD_CLK，通过LCD_CLK引脚输出，即PI14引脚。

六、DMA2D图形加速器

实际使用LTDC控制液晶屏显示的时候，往配置好的显存地址中写入要显示的像素数据，LTDC会将这些数据从显存经过一系列处理后在发送到液晶屏，但是上面我们通过计算，发现每帧显示的数据量非常大，如果仅仅是单帧数据的话还好说，如果是视频类的图像，对于处理器来说工作量是相当大的，之前学习过DMA外设，STM32针对于这个需求，专门定制了用于图像数据搬运的DMA2D外设，可以快速绘制矩形、直线、分层数据混合、数据复制以及图像数据格式转换，是图像专用的DMA外设。

DMA2D的结构框图与LTDC结构中的图像处理单元很类似，主要为分层FIFO、PFC及彩色混合器。

在这里插入图片描述

1、FG FIFO与BG FIFO

FG FIFO与BG FIFO是两个64*32位大小的缓冲区，分别用于缓冲前景层和背景层从AHB总线获取的像素数据。AHB总线的数据源一般是SDRAM也就是说再LTDC外设中配置的前景层和背景层的数据源地址一般指向SDRAM的存储空间，使用SDRAM的部分空间作为显存。

2、FG PFC和BG PFC

FG PFC和BG PFC是两个像素格式转换器，分别用于前景层和背景层的像素格式转换，不管从FIFO的数据源格式如何，通过其转换后都为ARGB8888格式（32位）。

图中的“α”表示Alpha（透明度），经过PFC处理后，透明度会被扩展位8位格式。

图中的CLUT表示颜色查找表，是一种间接的颜色表示方式，使用一个256*32位的空间缓存256种颜色，颜色格式是ARGB8888或RGB888，实际图像只是用这256种颜色，图像的每个像素点使用8位数据表示，但是该数据不是直接的RGB颜色，而是指向颜色查找表的地址便宜，可以理解为像素点应该显示的颜色对应的是颜色查找表里面的颜色，在图像大小不变的情况下，利用颜色查找表i可以扩展颜色显示的能力，特点就是可以用8位的数据表示一个24或者32位的颜色，整个图像种的颜色种类受限于颜色查找表中的256种。DMA2D可以通过CPU自行加载或者编程手动加载。

在这里插入图片描述