控制器簡介

       在複雜的PC機中，我們經常提到顯示卡這個東西，相信大家對顯示卡的原理都不陌生。LCD控制器就相當於嵌入式系統的顯示卡。它負責把視訊記憶體中的LCD圖形資料傳輸到LCD驅動器，併產生必須的LCD控制訊號。視訊記憶體與系統儲存器共用主存空間。這樣做有幾個好處：節約儲存器，提高空間利用率，符合嵌入式系統的設計精神；視訊記憶體設定在主存空間內，對視訊記憶體的操作，實際上就是對主存的操作，簡化程式編制。 圖1 控制器系統框圖 LCD控制器使用LCDCDMA，把視訊記憶體資料輸入LCD控制器。LCDCDMA是專用DMA，在不用CPU參與的情況下，自動傳輸視訊記憶體的視訊資料到LCD控制器。控制器中有一個24字的FIFO 儲存區。其中12個FIFOL，12個FIFOH，在單掃描模式下僅12個FIFOH可用。當FIFO為空或部分為空時，LCDCDMA請求從視訊記憶體預取資料（使用突發傳輸模式，一次預取4個字；在傳輸期間，不允許出讓匯流排控制權）。 S3C44B0的LCD 控制器使用時間抖動演算法和幀速控制方法，實現LCD上的單色、4級灰度（每個象素佔用2位）、16級灰度（每個象素佔用4位）顯示，也能與彩色STN介面，支援最大256色（每個象素佔用8位）的顯示。 LCD 控制器可以程式設計支援不同水平和垂直點數（640×480， 320×240， 160×160等等），以及不同的介面時序和重新整理速率的LCD，支援4位雙掃描、4位單掃描、8位單掃描的LCD顯示器，並支援虛擬螢幕，實現硬體水平/垂直捲動。（這些概念後邊會詳細解釋） 灰度顯示中，4級灰度顯示模式使用查詢表，允許在16級灰度中選擇4級灰度顯示。該查詢表和彩色查詢表的藍色查詢表公用一個暫存器BULEVAL[15:0]，灰度0由BLUEVAL[3:0]值表示，灰度1由BLUEVAL[7:4]值表示，灰度2由BLUEVAL[11:8]值表示，灰度3由BLUEVAL[15:12]值表示。16級灰度顯示模式不使用查詢表。 彩色8位顯示模式中，3位分配為紅，3位綠，可以同時顯示8個紅色與8個綠色，2位藍色位，可以同時顯示4個藍色，合起來最大顯示256色。紅、綠、藍分別使用不同的查詢表，紅色、綠色查詢表入口都是32位（並分成8組），分別由REDVAL[31:0]、GREENVAL[31:0]暫存器指示，藍色查詢表入口為16位，由BLUEVAL[15:0] 暫存器指示，並分成4組。也就是說紅色、綠色可以在16種顏色組合中選擇8色進行顯示，藍色可以在8種顏色組合中選擇4色進行顯示。 LCD自重新整理模式：S3C44B0X支援LCD自重新整理模式，以減少電源消耗，這時電源管理可以進入SL_IDLE模式。

控制器原理

掃描

       LCD控制器的一項重要工作是向LCD驅動器，按照一定的格式輸出顯示資料，然後驅動器逐象素的顯示，由於人眼的滯留效應，看到的是連貫的影象。這個過程稱為掃描。控制器的VD[7..0]是資料輸出埠。根據不同的驅動器，分為4位雙掃描、4位單掃描和8位單掃描，位數指輸出埠的位寬，單掃描同時重新整理螢幕上的一行，雙掃描同時重新整理兩行。 圖2-1 掃描模式 圖2-2 彩色掃描模式        當然，驅動器光有資料還不能顯示，必須知道什麼時候這些資料有效，什麼時候換行，什麼時候換頁，等等。這就需要一些同步訊號。控制器提供VCLK/VLINE/VFRAME/VM訊號做同步用。在VCLK上升延，VD輸出資料；VCLK下降延，驅動器鎖存該資料；所以VCLK實際是象素的同步訊號。同理，VLINE是行的同步訊號，VFRAME是幀的同步訊號。VM是驅動器切換板電極的交流訊號。切換的速率是可以程式設計的，由MVAL暫存器控制。 VM Rate = VLINE Rate / ( 2 ×MVAL)
VCLK(Hz)=MCLK/(CLKVAL× 2)        此外需要設定LCD的解析度和顯示模式。因為這些引數和控制器的同步訊號直接相關。舉例說明：一個LCD面板是320×240的解析度，那麼控制器每輸出320個象素，就會輸出一個行同步訊號；每輸出240行之後，就應該輸出幀同步訊號；如果是4bit單行掃描，那麼每個VCLK可以輸出4個象素，則每行只會有320÷4＝80個VCLK訊號。可見前面的結論換句話說，LCD的解析度和顯示模式的引數，決定了控制器的時鐘。 HOZVAL = ( Horizontal display size / Number of the valid VD data line) -1
彩色：Horizontal display size = 3 * Number of Horizontal Pixel LINEVAL = (Vertical display size) -1：單掃描
LINEVAL = (Vertical display size / 2) -1：雙掃描

查詢表

       既然控制器支援16級灰度，那麼還要4級灰度幹嗎呢？何不捨棄低階的4級灰度，都使用更高階的16級灰度呢？事實並非如此。16級灰度需要4bit來表示一個象素，而4級灰度只需要2bit就夠了。所需的位數越少，就越節省視訊記憶體空間（使用更少的儲存器），操作視訊記憶體耗費的CPU資源也越少，這樣系統功耗必然隨之減小。因為很多應用中對灰度級要求不高，最好根據需求，衡量使用什麼樣的顯示方式。        有些比較特殊的應用，雖然只使用4級灰度，但是這4級灰度並不是線性的。線性這個概念在這裡怎麼理解呢？打個比方，就好像拿著黑色顏料和白色顏料混合。如果是線性的16級灰度，第15級就是隻用黑色顏料；第0級則只有白色；第8級相當於8分黑色、7分白色均勻混合；依此類推。使用4級非線性灰度，就是從16級灰度中可程式設計的挑選出來4種。例如在某個應用中，要求象素點能夠完全熄滅、能夠達到最大亮度，以及正常顯示文字；我們可以設定4級非線性灰度，第0級相當16級線性灰度的第0級（熄滅），第3級相當16級的第15級（最亮），第1級和第2 級都相當16級的第11級（普通文字）。        查詢表就是為了適應非線性灰度而設定的一種資料結構，它其實是一組暫存器。拿前邊的例子來說，在4級非線性灰度模式下，LCD控制器讀到一個象素是第1級灰度，它就會到查詢表中，查詢第1級在16級線性灰度中的對應級別，結果是16級的第11級。完成這種轉換之後，控制器按第11級輸出。        順便說一下，在彩色模式下也有查詢表。44B0用8位表示彩色，3位紅色，也就是2³＝8級紅色，我們偷換概念，姑且叫“紅度”吧。但是控制器可以輸出16級“紅度”，16級“綠度”，8級“藍度”，所以再次用到查詢表。

虛擬螢幕

       我們在PC上編寫文件的時候，一螢幕顯示不下，通過滾動翻頁來瀏覽全部文件。虛擬螢幕就好像能容納整個文件的大螢幕，但顯示器只對應其中的某一部分。結合下面的圖形很容易理解。 圖3 虛擬螢幕        虛擬螢幕從原理上講是一個記憶體的概念。因為程式設計師對顯示器的操作實際上是對視訊記憶體的操作，把代表顯示器每個象素的資料寫入視訊記憶體的過程。對於虛擬螢幕，程式設計師維護著一個更大的螢幕，更多的視訊記憶體而已。事實上，虛擬螢幕的大小的確受視訊記憶體大小的限制。實際顯露出來的顯示器部分，其起始點（左上角）由程式控制，改變這個點的位置，顯示器就會在虛擬螢幕上移動。        在圖3裡，有幾個引數需要說明。PAGEWIDTH是真實顯示器的寬度；OFFSIZE是真實螢幕左端到虛擬螢幕最右端的距離；LCDBASEU是真實顯示器起點對應的視訊記憶體地址；LCDBASEL只用在雙掃描模式，是下半幀對應視訊記憶體的開始地址，當然在單掃描時他就沒有什麼用處了。 LCDBASEL =LCDBASEU + (PAGEWIDTH + OFFSIZE)×(LINEVAL +1) 程式通過改變LCDBASEU 和 LCDBASEL的值來滾動螢幕。但在一幀重新整理結束時，不能改變LCDBASEU 和 LCDBASEL的值。因為一幀結束時，LCDCDMA已經預取了下一幀的資料。如果這時改變視訊記憶體中的幀的內容，之前預取的資料將無效，從而顯示也不正確。控制器提供一個LINECNT暫存器，他會從LINEVAL向0倒計數，記錄幀已經重新整理了多少行。通過檢查LINECNT，可以避免在不恰當的時間更改視訊記憶體。檢查的時候，中斷應當被遮蔽，否則在讀出LINECNT後，如果某個中斷剛好執行，LINECNT的值可能會改變。

抖動演算法

S3C44B0X利用抖動演算法實現灰度級和STN的彩色顯示。 時常會有疑問：16級灰度，需要4bit來表示一個象素，為什麼控制器只使用了1bit輸出就實現了？256色需要8bit表示一個象素，為什麼只用3bit輸出就可以呢？下面講講抖動演算法，大家就會明白這些道理。 LCD螢幕以一個很快的（通常為80Hz）速度重新整理，因為眾所周知的人眼滯留效應，感覺上是流暢的畫面。一個幀週期內，象素只有點亮和熄滅兩種狀態（44B0使用的簡單的LCD驅動器支援兩種狀態，但是TFT等可以支援更多的狀態）。正是基於這種原理，當象素一亮一滅，且切換的頻率很低時，看到的是一閃一閃的點；如果切換頻率很高，人眼覺察不出來他在閃爍，只會感覺沒有那麼亮罷了。螢幕不斷快速重新整理，亮的次數多，熄滅的次數少，看起來就比較重；反之看起來比較淡。這種顏色的濃淡變化構成不同灰度級別。可以用“佔空比”來量化表示，就是亮的次數佔重新整理次數的比例。表1顯示出不同灰度級對應的佔空比。 表1 不同灰度級對應的佔空比        舉例說明，假設某個象素是第11級灰度，表1中查出佔空比為5/7。控制器便自動以每7幀為一個週期，其中5幀該象素亮，另外2幀熄滅。這就解釋了為什麼每個象素只用1bit輸出實現16級灰度。        前面把彩色分成“紅度”、“綠度”、“藍度”，使用和灰度輸出相同的思路，用3bit可以實現彩色輸出。        這時又出現一個新問題。極端的例子，比如1秒內，0.5秒點亮，0.5秒熄滅，雖然佔空比依然是1/2，但是很顯然看起來不會是第7級灰度（第7級灰度對應占空比為1/2），而是閃爍的畫面。所以，應該把亮滅狀態離散化，儘量不要讓同一個象素在相鄰幀保持相同狀態。 與此同時，這種現象也影響同一幀內相鄰的象素。影象的灰度級就像地圖上的等高線，相鄰象素的灰度很大機率是相同的。如果四條輸出線總是輸出相同的資料，顯示就會出現區域性閃爍的現象。解決方法依然是離散化。 考慮到上述兩個問題，就可以著手計算輸出序列。當然這是一個數學問題，要根據不同的應用不斷的優化。一般可以採用經典的序列。好在44B0的LCD控制器並沒有把抖動演算法的輸出序列固化在晶片裡，可以通過暫存器更改。