LV10-01-LCD驱动-02-LCD时序分析

发表于 2025-04-16 分类于嵌入式开发， 02IMX6ULL平台， LV10-LCD驱动本文字数： 6.7k 阅读时长 ≈ 25 分钟

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😃。

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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	480272 或 800480
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：

1	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：

1	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：

1	PLL5_CLK = OSC24M * loopDivider / postDivider

OSC24M 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:

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：

1
2
3

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）。