1、实验目的
l 了解TFT型彩色LCD彩色显示屏的工作原理和接口。
l 掌握FS2410和LCD显示屏的接口原理。
l 掌握LCD彩色及绘制简单的图形的编程。
2、实验内容
l 编写程序，实现再任意位置画长方形的功能以及显示图片。
3、实验设备
l S3C2410开发板。
l ADS1.2集成开发环境，JTAG调试器。
l 串口连接线。
4、实验原理
4.1 LCD原理介绍
电视机所采用的 CRT(阴极射线管)有着体积大、重量重、尺寸受限等缺点。随着电子科技的发展，对移动显示的要求越来越多，CRT 的先天限制，让其小型化、行动化的理想受到阻碍。这使得开发新一代的显示器技术变得更有其必要！ 新一代的显示器讲求几个重点：平面直角、画面显示不变形、轻薄短小耗能少，携带方便且同时要与现有的影像信号技术兼容。目前谈论到超薄型显示器技术，最普 及当是 TFT LCD 的应用了，举凡数字相机、笔记型计算机、PDA 等，需要显示复杂信息的电子产品通通少不了它。TFT LCD 技术又包含了，低温多硅晶TFT LCD、反射式TFT LCD 等多项不同的显示技术，下面我们就要来一探 LCD 的历史与原理。
液晶的诞生来自于一项非常特殊物质的发现，早在 1850 年 Virchow, Mettenheimer 和 Valentin 这三个人就发现 nerve fibre 的粹取物中含有这种不寻常的东西。到了 1877 年德国物理学家 Otto Lehmann 运用偏极化的显微镜首次观测到了液晶化的现象，但他对此一现象的成因并不了解。直到公元1888年，奥地利的植物学家 Friedrich Reinitzer（1857-1927）发现了螺旋性甲苯酸盐的化合物（cholesteryl benzoate），确认了这种化合物在加热时具有两个不同温度的熔点，在这两个不同的温度点中，其状态介于一般液态与固态物质之间，类似胶状，但在某一 温度范围内其又具有液体和结晶双方性质，由于其特殊的状态。Reinitzer 后来走访 Lehmann 深入探讨这种物质的表现，其后两人便命名这种物质为「Liquid Crystal」，就是液态结晶物质的意思。Reinitzer 和 Lehmann 这两人被誉为液晶之父。
4.2 液晶显示器的种类
超扭转式向列型（Super Twisted Nematic，简称STN）和薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor；TFT）为目前的主流液晶屏。
STN/DSTN
STN型的显示原理也类似，不同的是TN型的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN则可将入射光旋转180~270度。 单纯的 TN 显示器本身只有明暗两种显示（或黑白），无法产生色彩的变化。TN LCD 采用的是“直接驱动”无法显示较多的像素，且画面的对比小，反应速度慢，视角更仅在+30度以下(即观赏角度约60度)，显示质量也较差；故TN型LCD 主要用途在于简单的数字符与文字的显示，如：电子表及电子计算器等。 STN的出现改善了视角狭小的缺点并提高对比率，STN以“多任务驱动”增加扫瞄线数提高画素显示，品质较TN来得高。再搭配彩色滤光片的使用，将单色显 示矩阵的任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，可以显示出逼 近全彩模式的色彩。由于 STN 显示的画面色彩对比度仍只达30：1(对比愈小，画面愈不清楚)；反应速度为150ms（毫秒），作为一般操作显示接口尚可，但若要播放电影速度仍然不 够。
由于 STN 仍有不少缺点，后续的 DSTN则通过双扫描方式来显示，由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。DSTN 反应速度可达到 100ms，但因它们都为“被动式驱动”，在电场反复改变电压的过程中，每一像素的恢复过程都较慢，在屏幕画面快速变化时，例如：显示网球比赛的转播，就 会产生所谓的“拖尾”现象。特别是当网球选手击球的那一瞬间，你就可以看到拖屏幕上出现“球迹尾”现象。不过，DSTN 价格便宜、功耗能低，一些 PDA 等，仍使用 DSTN 作为显示装置。
TFT
TN与STN型液晶显示器都是使用场电压驱动方式，如果显示尺寸加大，中心部位对电极变化的反应时间就会拉长，显示器的速度就跟不上。 为了改善这个的问题，主动式矩阵（active-matrix ）驱动被提出，主动式 TFT型的液晶显示器的结构较为复杂包括了：背光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄模式晶体管等等（如图3-2）。在TFT型 液晶显器中，导电玻璃上画上网状的细小线路，电极则由是薄膜式晶体管所排列而成的矩阵开关，在每个线路相交的地方配有控制闸，各显示点控制闸配合驱动讯号 作动。电极上之晶体管矩阵依显示讯号开启或关闭液晶分子的电压，使液晶分子轴转向而成“亮”或“暗”的对比，避免了显示器对电场效应的依靠，转以晶体管开 启和关闭的速率作为决定步骤。 也因此，TFT-LCD 的显示质量较 TN/STN佳，画面显示对比可达150：1以上，反应速度逼近 30ms 甚至更快。同时又可以全彩甚至真彩效果显示，产品适用于PDA、笔记型计算机、液晶显示器、汽车导航系统、数字相机及液晶投影机。
4.3 S3C2410内置LCD控制器详解
S3C2410X的内置LCD控制器支持单色、每象素2位（4级灰度）、每象素4位（16级灰度）的黑白屏，也支持每象素8位（256色）和每 象素12为（4096色）的彩色LCD，并且也支持每象素16位和每象素24位的真彩显示。
LCD控制器可以通过编程选择支持不同的LCD屏的要求，例如行和列象素，数据总线宽度，就口时序和刷新频率。LCD控制器的主要作用是将定位 于系统存储器的显示缓冲区的LCD图像数据传送到外部LCD驱动器。
S3C2410 LCD控制器的特性：
STN LCD屏
l 支持3种扫描方式：4bit单扫描、4位双扫描和8位单扫描的显示类型。
l 支持单色、4级灰度和16级灰度屏
l 支持黑白屏、256色和4096色彩色STN屏（CSTN）
l 支持分辩率为640*480、320*240、160*160以及其它规格的多种LCD
TFT LCD屏
l 支持单色（1bpp）、4级灰度（2bpp）、256色（8bpp）调色彩色TFT显示屏（调色彩色TFT显示屏）。
l 支持64K（16bpp）和16M（24bpp）色非调色板显示模式（真彩TFT显示屏）。
l 支持分辩率为640*480，320*240及其它多种规格的LCD
S3C2410 LCD的控制线
l VFRAME/VSYNC/STV : Frame synchronous signal (STN)/vertical synchronous signal(TFT)/SEC TFT signal
l VLINE/HSYNC/CPV : Line synchronous pulse signal (STN)/horizontal synchronous signal(TFT)/SEC TFT signal
l VCLK/LCD_HCLK : Pixel clock signal (STN/TFT)/SEC TFT signal
l VD[23:0] : LCD pixel data output ports (STN/TFT/SEC TFT)
l VM/VDEN/TP : AC bias signal for the LCD driver (STN)/data enable signal (TFT)/SEC TFT signal
l LEND/STH : Line end signal (TFT)/SEC TFT signal
l LCD_PWREN : LCD panel power enable control signal
l LCDVF0 : SEC TFT Signal OE
l LCDVF1 : SEC TFT Signal REV
l LCDVF2 : SEC TFT Signal REVB
（SEC－Samsung Electronics Company）
VFRAME/VSYNC/STV :LCD控制器和LCD驱动器之间的帧同步信号。他通知LCD屏新的一帧显示，LCD控制器 在一个完整帧的显示后发出VFRAME信号。
VLINE/HSYNC/CPV :LCD控制器和LCD驱动器之间的同步脉冲信号，LCD驱动器通过他来将水平移位寄存器中的 内容显示到LCD屏上。LCD控制器在一整行数据全部传输到LCD驱动去后，插入一个VLINE信号。
VCLK/LCD_HCLK :此信号为LCD控制器和LCD驱动器之间的象素时钟信号，LCD控制器在VCLK的上升沿发送数 据，LCD驱动器在VCLK的下降沿采样数据。
VM：LCD驱动器所使用的交流信号，LCD驱动器使用VM信号改变用于打开或关闭象素的行和列电压的极性，从而 控制象素点的显示或熄灭。VM信号可以与每个帧同步，也可以与可变数量的VLINE信号同步。
VD[23:0] :LCD象素数据输出端口，也就是我们所说的RGB信号线。
S3C2410内部的LCD控制器的逻辑示意图
REGBANK 是LCD控制器的寄存器组，用来对LCD控制器的各项参数进行设置。而 LCDCDMA 则是LCD控制器专用的DMA信道，负责将视频资料从系统总线（System Bus）上取来，通过 VIDPRCS 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。
TFT屏时序分析
下图是TFT屏的典型时序。其中VSYNC是帧同步信号，VSYNC每发出1个脉冲，都意味着新的1屏视频资料开始发送。而HSYNC为行同步 信号，每个HSYNC脉冲都表明新的1行视频资料开始发送。而VDEN则用来标明视频资料的有效，VCLK是用来锁存视频资料的像数时钟
并且在帧同步以及行同步的头尾都必须留有回扫时间，例如对于VSYNC来说前回扫时间就是（VSPW+1）＋（VBPD+1），后回扫时间就是 （VFPD+1）；HSYNC亦类同。这样的时序要求是当初CRT显示器由于电子枪偏转需要时间，但后来成了实际上的工业标准，乃至于后来出现的TFT屏 为了在时序上于CRT兼容，也采用了这样的控制时序。
例：
YFARM9-EDU-1采用的是Samsung公司的1款3.5寸TFT真彩LCD屏，分辩率为240*320，下图为该屏的时序要求。
通过对比两图，我们不难看出：
VSPW+1=2 -> VSPW=1
VBPD+1=2 -> VBPD=1
LINVAL+1=320-> LINVAL=319
VFPD+1=3 -> VFPD=2
HSPW+1=4 -> HSPW=3
HBPD+1=7 -> HBPW=6
HOZVAL+1=240-> HOZVAL=239
HFPD+1=31 -> HFPD=30
以上各参数，除了LINVAL和HOZVAL直接和屏的分辩率有关，其它的参数在实际操作过程中应以上面的为参考，不应偏差太多。
在本项目中，多采用参数值如下：
VSPW=4
VBPD=2
LINVAL=319
VFPD=2
HSPW=6
HBPW=8
HOZVAL=239
HFPD=8
5、LCD控制器主要寄存器功能详解
l LCD 控制器1――LCDCON1
LINECNT ：当前行扫描计数器值，标明当前扫描到了多少行。
CLKVAL ：决定VCLK的分频 比。LCD控制器输出的VCLK是直接由系统总线（AHB）
CLKVAL ：决定VCLK的分频 比。LCD控制器输出的VCLK是直接由系统总线（AHB）
的工作频率HCLK（一般为100MHZ）直接分频得到的。做为240*320的TFT屏，应保证得出的VCLK在5~10MHz之间。
MMODE ：VM信号的触发模式（仅对STN屏有效，对TFT屏无意义。）
PNRMODE ：选择当前的显示模式，对于TFT屏而言，应选择[11]，即TFT LCD panel。
BPPMODE ：选择色彩模式，对于真彩显示而言，选择16bpp（64K色）即可满足要求。
MMODE ：VM信号的触发模式（仅对STN屏有效，对TFT屏无意义。）
PNRMODE ：选择当前的显示模式，对于TFT屏而言，应选择[11]，即TFT LCD panel。
BPPMODE ：选择色彩模式，对于真彩显示而言，选择16bpp（64K色）即可满足要求。
ENVID ：使能LCD信号输出
l LCD 控制器2――LCDCON2
VBPD ， LINEVAL ， VFPD ， VSPW 的各项含义已经在前面的时序图中得到体现，这里不再赘述。
l LCD 控制器3――LCDCON3
HBPD ， HOZVAL ， HFPD 的各项含义已经在前面的时序图中得到体现，这里不再赘述。
l LCD 控制器4――LCDCON4
HSPW 的含义已经在前面的时序图中得到体现，这里不再赘述。MVAL 只对 STN屏有效，对TFT屏无意义。
l LCD 控制器5――LCDCON5
VSTATUS ：当前VSYNC信号扫描状态，指明当前VSYNC同步信号处于何种扫描阶段。
HSTATUS ：当前HSYNC信号扫描状态，指明当前HSYNC同步信号处于何种扫描阶段。
BPP24BL ：设定24bpp显示模式时，视频资料在显示缓冲区中的排列顺序（即低位有效还是高位有效）。对于16bpp的 64K色显示模式，该设置位无意义。
FRM565 ：对于16bpp显示模式，有2中形式，一种是RGB＝5:5:5:1，另一种是5:6:5。后一 种模式最为常用，它的含义是表示64K种色彩的16bit RGB资料中，红色（R）占了5bit，绿色（G）占了6bit，兰色（B）占了5bit。
INVVCLK ， INVLINE ， INVFRAME ， INVVD ：通 过前面的时序图，我们知道，CPU的LCD控制器输出的时序默认是正脉冲，而LCD需要VSYNC（VFRAME）、VLINE（HSYNC）均为负脉 冲，因此 INVLINE 和 INVFRAME 必须设为“1 ”，即选择反相输出。 INVVDEN ， INVPWREN ， INVLEND 的功能同前面的类似。
PWREN ：LCD电源使能控制。在CPU LCD控制器的输出信号中，有一个电源使能管脚LCD_PWREN，用来做为LCD屏电源的开关信号。
ENLEND 对普通的TFT屏无效，可以不考虑。
l LCD 控制器5――LCDCON5
BSWP 和 HWSWP 为字节（Byte）或半字（Half-Word）交换使能。由于不同的GUI对FrameBuffer（显示缓冲区）的管理不同，必要时需要通过调整 BSWP 和 HWSWP 来适应GUI。
l 帧缓冲区起始地址寄存器1（LCDSADDR1）
LCDBANK：表明在系统内存中的视频缓冲区，LCD帧缓存英小于4MB。
l 帧缓冲区起始地址寄存器2（LCDSADDR2）
LCDBASEL＝LCDBASEU＋（PAGEWITH＋OFFSIZE）×（LINEVAL＋1）
l 帧缓冲区起始地址寄存器3（LCDSADDR3）
6、程序实现
/**************************************************************
320×240 16Bpp TFT LCD数据和控制端口初始化
**************************************************************/
static void Lcd_Port_Init(void)
{
//rGPCUP = 0xffffffff; // Disable Pull-up register
rGPCUP = 0x0; // enable Pull-up register
rGPCCON = 0xaaaa56a9; //Initialize VD[7:0],LCDVF[2:0],VM,VFRAME,VLINE,VCLK,LEND
//rGPDUP = 0xffffffff ; // Disable Pull-up register
rGPDUP = 0x0 ; // enable Pull-up register
rGPDCON=0xaaaaaaaa; //Initialize VD[15:8]
}
/**************************************************************
320×240 16Bpp TFT LCD功能模块初始化
**************************************************************/
static void Lcd_Init(void)
{
//CLKVAL=5;MMODE=0;PNRMODE=11:11 = TFT LCD panel
//BPPMODE=1100=16 bpp for TFT;ENVID0=Disable the video output and the LCD control signal.
rLCDCON1=(CLKVAL_TFT_240320<<8)|(MVAL_USED<<7)|(3<<5)|(12<<1)|0;
//VBPD=2;LINEVAL=319;VFPD=2;VSPW=4
rLCDCON2=(VBPD_240320<<24)|(LINEVAL_TFT_240320<<14)|(VFPD_240320<<6)|(VSPW_240320);
//HBPD=8;HOZVAL=239;HFPD=8
rLCDCON3=(HBPD_240320<<19)|(HOZVAL_TFT_240320<<8)|(HFPD_240320);
//MVAL=13;HSPW=6
rLCDCON4=(MVAL<<8)|(HSPW_240320);
//FRM565=1,5:6:5 Format;INVVLINE，INVVFRAME,INVVD:normal
//BSWP=0 ;HWSWP=1
//FRM5:6:5,HSYNC and VSYNC are inverted----LQ035Q7DB02
rLCDCON5=(1<<11)|(0<<9)|(0<<8)|(0<<6)|(BSWP<<1)|(HWSWP);
rLCDSADDR1=(((U32)LCD_BUFER>>22)<<21)|M5D((U32)LCD_BUFER>>1);
rLCDSADDR2=M5D( ((U32)LCD_BUFER+(SCR_XSIZE_TFT_240320*LCD_YSIZE_TFT_240320*2))>
>1 );
//OFFSIZE=640-240=400;PAGEWIDTH=240
rLCDSADDR3=(((SCR_XSIZE_TFT_240320-LCD_XSIZE_TFT_240320)/1)<<11)|(LCD_XSIZE_TFT_240320/1);
}
/**************************************************************
LCD视频和控制信号输出或者停止，1开启视频输出
**************************************************************/
static void Lcd_EnvidOnOff(int onoff)
{
if(onoff==1)
rLCDCON1|=1; // ENVID=ON
else
rLCDCON1 =rLCDCON1 & 0x3fffe; // ENVID Off
}
/**************************************************************
320×240 16Bpp TFT LCD全屏填充特定颜色单元或清屏
**************************************************************/
static void Lcd_ClearScr(U16 c)
{
unsigned int x,y ;
for( y = 0 ; y < SCR_YSIZE_TFT_240320 ; y++ )
{
for( x = 0 ; x < SCR_XSIZE_TFT_240320 ; x++ )
{
LCD_BUFER[y][x] = c;
}
}
}
///////////////////////////////源码分析 /////////////////////////////////
/*主函数 main.c*/
#include "2410addr.h"
#include "2410lib.h"
#include "timer.h"
#define CLOCK_LCD (1<<5)
#define EnableModuleClock(m) (rCLKCON |= (m)) //模块时钟使能
#include "2410lib.h"
#include "timer.h"
#define CLOCK_LCD (1<<5)
#define EnableModuleClock(m) (rCLKCON |= (m)) //模块时钟使能
void Main(void)
{
SetClockDivider(1, 1);//设置时钟分频（FCLK,HCLK,PCLK）
SetSysFclk(DFT_FCLK_VAL);//设置CPU工作时钟
Delay( 0 ) ;
Port_Init();//GPIO端口初始化
Isr_Init();//中断模式初始化
Uart_Select(0);// 选择串口0
Uart_Init(0, UART_BAUD);//初始化串口
EnableModuleClock(CLOCK_LCD);// 使LCD时钟有效
Lcd_Tft_240X320_Init();//初始化LCD
Test_Lcd_Tft_240X320();//LCD 驱动测试
}
{
SetClockDivider(1, 1);//设置时钟分频（FCLK,HCLK,PCLK）
SetSysFclk(DFT_FCLK_VAL);//设置CPU工作时钟
Delay( 0 ) ;
Port_Init();//GPIO端口初始化
Isr_Init();//中断模式初始化
Uart_Select(0);// 选择串口0
Uart_Init(0, UART_BAUD);//初始化串口
EnableModuleClock(CLOCK_LCD);// 使LCD时钟有效
Lcd_Tft_240X320_Init();//初始化LCD
Test_Lcd_Tft_240X320();//LCD 驱动测试
}
//LCD初始化
void Lcd_Tft_240X320_Init( void )
{
//320×240 16Bpp TFT LCD数据和控制端口初始
Lcd_Port_Init();
Lcd_Init();
Lcd_EnvidOnOff(1); //turn on vedio
Lcd_ClearScr(0xffff); //fill all screen with some color
#define LCD_BLANK 16
#define C_UP ( LCD_XSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK*2 )
#define C_RIGHT ( LCD_XSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK*2 )
#define V_BLACK ( ( LCD_YSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK*4 ) / 6 )
Glib_FilledRectangle( LCD_BLANK, LCD_BLANK, ( LCD_XSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK ), ( LCD_YSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK ),0x0000); //fill a Rectangle with some color
Glib_FilledRectangle( (LCD_BLANK*2), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*0), (C_RIGHT), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*1),0x001f); //fill a Rectangle with some color#define LCD_BLANK 16
#define C_UP ( LCD_XSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK*2 )
#define C_RIGHT ( LCD_XSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK*2 )
#define V_BLACK ( ( LCD_YSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK*4 ) / 6 )
Glib_FilledRectangle( LCD_BLANK, LCD_BLANK, ( LCD_XSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK ), ( LCD_YSIZE_TFT_240320 - LCD_BLANK ),0x0000); //fill a Rectangle with some color
Glib_FilledRectangle( (LCD_BLANK*2), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*1), (C_RIGHT), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*2),0x07e0); //fill a Rectangle with some color
Glib_FilledRectangle( (LCD_BLANK*2), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*2), (C_RIGHT), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*3),0xf800); //fill a Rectangle with some color
Glib_FilledRectangle( (LCD_BLANK*2), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*3), (C_RIGHT), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*4),0xffe0); //fill a Rectangle with some color
Glib_FilledRectangle( (LCD_BLANK*2), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*4), (C_RIGHT), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*5),0xf81f); //fill a Rectangle with some color
Glib_FilledRectangle( (LCD_BLANK*2), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*5), (C_RIGHT), (LCD_BLANK*2 + V_BLACK*6),0x07ff); //fill a Rectangle with some color
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