LV055-LCD时序分析
来学习一下 LCD 的时序？若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正 😃。
一、我使用的 LCD 屏
1. 硬件原理图
ALPHA 底板载了 RGB LCD 接口，此部分电路如图 ：
RGBLCD 就是 RGB LCD 接口，采用 RGB888 数据格式，并支持触摸屏（支持电阻屏和电容屏）。该接口仅支持 RGB 接口的液晶（不支持 MCU 接口的液晶），目前正点原子的 RGB 接口 LCD 模块有： 4.3 寸（ID: 4342， 480*272 和 ID: 4384， 800*480）、 7 寸(ID: 7084， 800*480 和 ID: 7016， 1024*600)和 10 寸(ID: 1018， 1280*800)等尺寸可选。
2. ATK-MD0430R 模块
2.1 模块简介
我使用的是 800*480 的 4.3 寸屏：
该模块 不带控制器，所以只能用于那些自带显示控制器的 MCU 或者 CPU，比如 ST 的 STM32F4x9， STM32F7x6 和 STM32H7x3 等。该 模块没显存，所以在使用的时候需要提供外部 RAM 来作为显示屏的显存。模块采用电容触摸屏，支持 5 点同时触摸，具有非常好的操控效果。ATK-MD0430R 模块还提供了背光控制功能。各项参数如下：
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 接口类型 | LCD：并行 24 位 RGB 接口 触摸屏： IIC |
| 颜色格式 | RGB888（也可以用 RGB565） |
| 颜色深度 | 最大 24 位 |
| 显存容量 | 无显存 1 |
| LCD 分辨率 | 480*272 或 800*480 |
| 触摸屏类型 | 电容触摸 |
| 触摸点数 | 最多 5 点同时触摸 |
| 工作温度 | -20℃~70℃ |
| 存储温度 | -30℃~80℃ |
| 外形尺寸 | 68mm*118mm |
在使用的时候需要提供外部 RAM 来作为 LCD 的显存！
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 电源电压 | 5± 0.5V |
| IO 口电平 | 3.3V LVTTL |
| 功耗 | ATK-DM0430R-480232： 40~165mA； ATK-DM0430R-800480： 120~320mA |
注 1： 3.3V 系统，可以直接接本模块（供电必须 5V），如果是 5V 系统，建议串接 100R 左右电阻，做限流处理。
注 2： 40mA 和 120mA 对应背光关闭时的功耗， 165mA 和 320mA 对应背光最亮时的功耗，此数据是在电源电压为 5V 时测出的，实际应用中功耗会由于电源电压的波动而略微变化。
2.2 引脚说明
模块通过 40P FPC 接口同外部连接，各引脚的详细描述如表 ：
| 序号 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 1,2 | VCC5 | 5V 电源输入引脚。 |
| 3~10 | R0~R7 | 8 位 RED 数据线。 |
| 11 | GND | 地线。 |
| 12~19 | G0~G7 | 8 位 GREEN 数据线。 |
| 20 | GND | 地线 |
| 21~28 | B0~B7 | 8 位 BLUE 数据线。 |
| 29 | GND | 地线。 |
| 30 | CLK | 像素时钟。 |
| 31 | HSYNC | 水平同步信号。 |
| 32 | VSYNC | 垂直同步信号。 |
| 33 | DE | 数据使能信号。 |
| 34 | BL | 背光控制信号。 |
| 35 | CS | 电容触摸屏复位信号(CT_RST) |
| 36 | MOSI | 电容触摸屏 IIC_SDA 信号(CT_SDA) |
| 37 | MISO | NC，电容触摸屏未用到 |
| 38 | SCK | 电容触摸屏 IIC_SCL 信号(CT_SCL) |
| 39 | PEN | 电容触摸屏中断信号(CT_INT) |
| 40 | RESET | LCD 复位信号（低电平有效） |
从上表可以看出， LCD 控制器总共需要 29 个 IO 口驱动（RGB888 格式），电容触摸屏需要 4 个 IO 口驱动，这样整个模块需要 33 个 IO 口驱动。注意：该模块的数据线 R7、 G7 和 B7 可以用于区分 RGB 屏的类型（可以看做是 ID）。MCU 在初始化 RGB 屏参数之前，先读取 R7/G7/B7 的状态，从而判断 RGB 屏类型，对应关系如表 :
| M2(B7) | M1(G7) | M0(R7) | RGBLCD 模块参数 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 4.3 寸， 480*272 分辨率（RGB） |
| 0 | 0 | 1 | 7 寸， 800*480 分辨率（RGB） |
| 0 | 1 | 0 | 7 寸， 1024*600 分辨率（RGB） |
| 0 | 1 | 1 | 7 寸， 1280*800 分辨率（RGB） |
| 1 | 0 | 0 | 4.3 寸， 800*480 分辨率（RGB） |
| 1 | 0 | 1 | 10.1 寸 1280*800 分辨率（RGB） |
| X | X | X | 暂时未用到 |
由表可知，我们可以通过读取 R7/G7/B7 来判断 LCD 的尺寸和分辨率，从而使得 MCU 可以在同一个程序里面，兼容不同尺寸和分辨率的 RGB 屏。 从表可知， ATK-MD0430R-480272 屏幕 ID 为 000，而 ATK-MD0430R-800480 屏幕 ID 为 100。
2.3 接口时序表
ATK-MD0430R-800480 模块采用 24 位并行 RGB 接口， 该接口的时序如表 ：
fclk、 Tvb、 Tvfp、 Thbp、 Thfp 这五个参数很重要， 在写驱动程序的时候会使用其配置 RGBLCD 的时序。ATK-MD0430R-800480 模块的输入信号特性如表 ：
最重要的两个参数就是 Thwh 和 Tvwh，这两个就是 hsw 和 vsw， 在写程序的时候需要用到。
3. 芯片手册
这个模块的裸屏规格书是这个 WKS43235。这里有个在线的：4.3 寸 800480 裸屏规格书.pdf-原创力文档（或者看我的仓库：WKS43235_SPEC_V0.0.doc）。规格书里面没有写这个 LCD 屏幕使用的驱动 IC：
不过模块资料里面给了 ST7262 的芯片手册，这里有一个在线的芯片手册： ST7262（或者看我的仓库：ST7262）。这个应该是用于驱动裸屏的把。时序也可以在这个芯片手但是册中找到（但是吧，上面的时序相关的表和这个芯片的手册貌似有点对不上，我也不搞不懂了，但是提供的资料里面的裸屏 IC 驱动芯片的芯片手册就是这个，反正原理都类似）。
二、LCD 时序分析
1. 时间参数
先来看一下下面的一张图：
如果将 LCD 显示一帧图像的过程想象成绘画，那么在显示的过程中就是用一根“笔”在不同的像素点画上不同的颜色。这根笔按照从左至右、从上到下的顺序扫描每个像素点，并且在像素画上对应的颜色，当画到最后一个像素点的时候一幅图像就绘制好了。 我们来看一下 LCD 是怎么扫描显示一帧图像的。
1.1 水平同步信号 HSYNC
一帧图像也是由一行一行组成的。 HSYNC 是水平同步信号，也叫做 行同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一行了，所以此信号都是在图的最左边。它表示液晶屏一行像素数据的传输结束，每传输完成液晶屏的一行像素数据时， HSYNC 会发生电平跳变，如分辨率为 800x480 的显示屏(800 列，480 行)，传输一帧的图像 HSYNC 的电平会跳变 480 次。
1.2 垂直同步信号 VSYNC
VSYNC 信号是垂直同步信号，也叫做 帧同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一帧图像了 。垂直同步信号 VSYNC(Vertical Sync)用于表示液晶屏一帧像素数据的传输结束，每传输完成一帧像素数据时， VSYNC 会发生电平跳变。其中“帧”是图像的单位，一幅图像称为一帧，在液晶屏中，一帧指一个完整屏液晶像素点。 我们常常用“帧/秒”来表示液晶屏的刷新特性，即液晶屏每秒可以显示多少帧图像，如液晶屏以 60 帧/秒的速率运行时， VSYNC 每秒钟电平会跳变 60 次。
1.3 HBP、 HFP、 VBP 和 VFP
接下来看这四个参数。其实上面的那张图不是很明显，我们看下这张：
和上面是一样的，只是，多了一圈“黑边”。真正有效的显示区域是中间的白色部分。那这一圈“黑边”是什么东西呢？这就要从显示器的“祖先” CRT 显示器开始说起了， CRT 显示器就是以前很常见的那种大屁股显示器，在现在应该很少见了，如果在农村有可能应该还是可以见到的。
CRT 显示器屁股后面是个电子枪，这个电子枪就是我们上面说的“画笔”，电子枪打出的电子撞击到屏幕上的荧光物质使其发光。只要控制电子枪从左到右扫完一行(也就是扫描一行)，然后从上到下扫描完所有行，这样一帧图像就显示出来了。也就是说，显示一帧图像电子枪是按照‘Z’形在运动，当扫描速度很快的时候看起来就是一幅完成的画面了。
当显示完一行以后会发出 HSYNC 信号，此时电子枪就会关闭，然后迅速的移动到屏幕的左边，当 HSYNC 信号结束以后就可以显示新的一行数据了，电子枪就会重新打开。在 HSYNC 信号结束到电子枪重新打开之间会插入一段延时，这段延时就是图中的 HBP 。
当显示完一行以后就会关闭电子枪等待 HSYNC 信号产生，关闭电子枪到 HSYNC 信号产生之间会插入一段延时，这段延时就是图中的 HFP 信号。
同理，当显示完一帧图像以后电子枪也会关闭，然后等到 VSYNC 信号产生，期间也会加入一段延时，这段延时就是图中的 VFP。
VSYNC 信号产生，电子枪移动到左上角，当 VSYNC 信号结束以后电子枪重新打开，中间也会加入一段延时，这段延时就是图中的 VBP。
HBP、 HFP、 VBP 和 VFP 就是导致图中黑边的原因，但是这是 CRT 显示器存在黑边的原因，现在是 LCD 显示器，不需要电子枪了，那么为何还会有黑边？这是因为 RGB LCD 屏幕内部是有一个 IC 的，发送一行或者一帧数据给 IC， IC 是需要反应时间的。通过这段反应时间可以让 IC 识别到一行数据扫描完了，要换行了，或者一帧图像扫描完了，要开始下一帧图像显示了。因此，在 LCD 屏幕中继续存在 HBP、 HFP、 VPB 和 VFP 这四个参数的主要目的是为了 锁定有效的像素数据。
这四个时间是 LCD 重要的时间参数，后面编写 LCD 驱动的时候要用到的，至于这四个时间参数具体值是多少，那要需要去查看所使用的 LCD 数据手册了。
1.4 RGB LCD 屏幕时序
1.4.1 行显示时序
上面了解了行显示和帧显示，我们来看一下 行显示对应的时序图：
上图就是 RGB LCD 的行显示时序，我们来分析一下其中重要的几个参数：
- HSYNC：行同步信号，当此信号有效的话就表示开始显示新的一行数据，查阅所使用的 LCD 数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效，假设此时是低电平有效。
- HSPW： 有些地方也叫做 thp，是 HSYNC 信号宽度，也就是 HSYNC 信号持续时间。 HSYNC 信号不是一个脉冲，而是需要持续一段时间才是有效的，单位为 CLK。
- HBP： 有些地方叫做 thb，前面已经学习过了，术语叫做行同步信号后肩，单位是 CLK。
- HOZVAL：有些地方叫做 thd，显示一行数据所需的时间，假如屏幕分辨率为 1024*600，那么 HOZVAL 就是 1024，单位为 CLK。
- HFP：有些地方叫做 thf，前面已经学习过了， 术语叫做行同步信号前肩，单位是 CLK。
- CLK：同步时钟信号 CLK，液晶屏与外部使用同步通讯方式，以 CLK 信号作为同步时钟，在同步时钟的驱动下，每个时钟传输一个像素点数据。
- DE：数据使能信号 DE(Data Enable)用于表示数据的有效性，当 DE 信号线为高电平时，RGB 信号线表示的数据有效。
当 HSYNC 信号发出以后，需要等待 HSPW+HBP 个 CLK 时间才会接收到真正有效的像素数据。当显示完一行数据以后需要等待 HFP 个 CLK 时间才能发出下一个 HSYNC 信号。
所以 显示一行所需要的时间 就是： HSPW + HBP + HOZVAL + HFP。
1.4.2 帧显示时序
一帧图像就是由很多个行组成的， RGB LCD 的帧显示时序 ：
上图就是 RGB LCD 的帧显示时序，我们来分析一下其中重要的几个参数：
- VSYNC：帧同步信号，当此信号有效的话就表示开始显示新的一帧数据，查阅所使用的 LCD 数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效，假设此时是低电平有效。
- VSPW： 有些地方也叫做 tvp，是 VSYNC 信号宽度，也就是 VSYNC 信号持续时间，单位为 1 行的时间。
- VBP： 有些地方叫做 tvb，前面已经学习过了，术语叫做帧同步信号后肩，单位为 1 行的时间。
- LINE： 有些地方叫做 tvd，显示一帧有效数据所需的时间，假如屏幕分辨率为 1024*600，那么 LINE 就是 600 行的时间。
- VFP： 有些地方叫做 tvf，前面已经学习过了，术语叫做帧同步信号前肩，单位为 1 行的时间。
显示一帧所需要的时间 就是： VSPW+VBP+LINE+VFP 个行时间，最终的计算公式：
T = (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)2. 像素时钟
2.1 怎么计算？
像素时钟就是 RGB LCD 的时钟信号，以 ATK7016 这款屏幕为例：
显示一帧图像所需要的时钟数就是：
CLK_NUM = (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)
= (3 + 20 + 600 + 12) * (20 + 140 + 1024 + 160)
= 635 * 1344
= 853440。显示一帧图像需要 853440 个时钟数，那么显示 60 帧就是： 853440 * 60 = 51206400≈51.2M，所以像素时钟就是 51.2MHz。
2.2 时钟怎么来的？
I.MX6U 是可以通过 eLCDIF 来控制 LCD， 这个 eLCDIF 控制器后面再说，想先来看一下 eLCDIF 接口时钟图：
①、此部分是一个选择器，用于选择哪个 PLL 可以作为 LCDIF 时钟源，由寄存器 CCM_CSCDR2 的位 LCDIF1_PRE_CLK_SEL(bit17:15)来决定， LCDIF1_PRE_CLK_SEL 选择设置如表
| 值 | 时钟源 |
|---|---|
| 0 | PLL2 作为 LCDIF 的时钟源。 |
| 1 | PLL3_PFD3 作为 LCDIF 的时钟源。 |
| 2 | PLL5 作为 LCDIF 的时钟源。 |
| 3 | PLL2_PFD0 作为 LCDIF 的时钟源。 |
| 4 | PLL2_PFD1 作为 LCDIF 的时钟源。 |
| 5 | PLL3_PFD1 作为 LCDIF 的时钟源。 |
②、 此部分是 LCDIF 时钟的预分频器，由寄存器 CCM_CSCDR2 的位 LCDIF1_PRED 来决定预分频值。 可设置值为 0~7，分别对应 1~8 分频。
③、 此部分进一步分频，由寄存器 CBCMR 的位 LCDIF1_PODF 来决定分频值。 可设置值为 0~7，分别对应 1~8 分频。
④、此部分是一个选择器，选择 LCDIF 最终的根时钟，由寄存器 CSCDR2 的位 LCDIF1_CLK_SEL 决定， LCDIF1_CLK_SEL 选择设置如表所示：
| 值 | 时钟源 |
|---|---|
| 0 | 前面复用器出来的时钟，也就是前面 PLL5 出来的时钟作为 LCDIF 的根时钟。 |
| 1 | ipp_di0_clk 作为 LCDIF 的根时钟。 |
| 2 | ipp_di1_clk 作为 LCDIF 的根时钟。 |
| 3 | ldb_di0_clk 作为 LCDIF 的根时钟。 |
| 4 | ldb_di1_clk 作为 LCDIF 的根时钟。 |
里肯定选择 PLL5 出来的那一路时钟作为 LCDIF 的根时钟，因此 LCDIF1_CLK_SEL 设置为 0。 LCDIF 既然选择了 PLL5 作为时钟源，那么还需要初始化 PLL5， LCDIF 的时钟是由 PLL5 和图 24.1.1.8 中的 ②、③ 这两个分频值决定的，所以需要对这三个进行合理的设置以搭配出所需的时钟值，我们就以 ATK7016 屏幕所需的 51.2MHz 为例，看看如何进行配置。
PLL5 频率设置涉及到四个寄存器： CCM_PLL_VIDEO、 CCM_PLL_VIDEO_NUM、CCM_PLL_VIDEO_DENOM 、 CCM_MISC2 。 其 中 CCM_PLL_VIDEO_NUM 和 CCM_PLL_VIDEO_DENOM 这两个寄存器是用于小数分频的，我们这里为了简单不使用小数分频，因此这两个寄存器设置为 0。
PLL5 的时钟计算公式如下：
PLL5_CLK = OSC24M * (loopDivider + (denominator / numerator)) / postDivider不使用小数分频的话 PLL5 时钟计算公式就可以简化为 ：
PLL5_CLK = OSC24M * loopDivider / postDividerOSC24M 就是 24MHz 的有源晶振，现在的问题就是设置 loopDivider 和 postDivider。先来看一下寄存器 CCM_PLL_VIDEO，此寄存器结构如图（参考手册的18.7.11 Analog Video PLL control Register）:
寄存器 CCM_PLL_VIDEO 用到的重要的位如下：
- POST_DIV_SLECT(bit20:19)： 此位和寄存器 CCM_ANALOG_CCMSC2 的 VIDEO_DIV 位共同决定了 postDivider，为 0 的话是 4 分频，为 1 的话是 2 分频，为 2 的话是 1 分频。本章设置为 2，也就是 1 分频。
- ENABLE(bit13)： PLL5(PLL_VIDEO)使能位，为 1 的话使能 PLL5，为 0 的话关闭 PLL5。
- DIV_SELECT(bit6:0)： loopDivider 值，范围为 27~54，这里需要设置为 32。寄存器 CCM_ANALOG_MISC2 的位 VIDEO_DIV(bit31:30)与寄存器 CCM_PLL_VIDEO 的位 POST_DIV_SLECT(bit20:19)共同决定了 postDivider，通过这两个的配合可以获得 2、 4、 8、16 分频。
这里将 VIDEO_DIV 设置为 0，也就是 1 分频，因此 postDivider 就是 1， loopDivider 设置为 32， PLL5 的时钟频率就是：
PLL5_CLK = OSC24M * loopDivider / postDivider
= 24M * 32 / 1
= 768MHz。PLL5 此时为 768MHz，在经过图中的 ② 和 ③ 进一步分频，设置 ② 中为 3 分频，也就是寄存器 CCM_CSCDR2 的位 LCDIF1_PRED(bit14:12)为 2。设置 ③ 中为 5 分频，就是寄存器 CCM_CBCMR 的位 LCDIF1_PODF(bit25:23)为 4。设置好以后最终进入到 LCDIF 的时钟频率就是： 768/3/5 = 51.2MHz，这就是我们需要的像素时钟频率。
3. LCD 时序参数总结
如下图所示（左右两张图中 HSYNC 和 VSYNC 有效电平是可配置的，具体看手册，高低都有可能，左右两张图对比参考）：
| 时序 | 时间参数 | 其他名称 | 参数说明 |
| 行显示 | HSYNC (Horizontal Sync) | - | 行同步信号，一行像素数据的传输结束 |
| HSW (horizontal sync width) | HSPW、thp | HSYNC 信号宽度，就是水平同步信号的宽度，单位为同步时钟 CLK 的个数 | |
| HBP (horizontal back porch) | thb | 表示从水平同步信号开始到一行的有效数据开始之间的 CLK 的个数（在 HSYNC 信号结束到电子枪重新打开之间插入的一段延时） | |
| HOZVAL | thd | 显示一行数据所需的时间，假如屏幕分辨率为 1024*600，那么 HOZVAL 就是 1024，单位为 CLK。 | |
| HFP (horizontal front porth) | thf | 表示一行的有效数据结束到下一个水平同步信号开始之间的 CLK 的个数（显示完一行以后就会关闭电子枪等待 HSYNC 信号产生，关闭电子枪到 HSYNC 信号产生之间插入的一段延时）。 | |
| 帧显示 | VSYNC (Vertical Sync) | - | 帧同步信号，一帧像素数据的传输结束 |
| VSW (vertical sync width) | VSPW、tvp | VSYNC 信号宽度，就是垂直同步信号的宽度，单位为 1 行的时间 | |
| VBP (vertical back porch) | tvb | 表示在一帧图像开始时，垂直同步信号以后的无效的行数，单位为 1 行的时间。（VSYNC 信号产生，电子枪移动到左上角，VSYNC 信号结束以后电子枪重新打开，中间加入的一段延时） | |
| LINE | tvd | 显示一帧有效数据所需的时间，假如屏幕分辨率为 1024*600，那么 LINE 就是 600 行的时间。 | |
| VFP (vertical front porch) | tvf | 表示在一帧图像结束后，垂直同步信号以前的无效的行数（当显示完一帧图像以后电子枪也会关闭，然后等到 VSYNC 信号产生，期间也会加入的一段延时）。 |