新型高分辨率LCD控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳重，李浩,陳曦

（電子科技大學(xué)電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川成都611731）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大屏幕LC D顯示器越來(lái)越多地成為各種電子設(shè)備的顯示終端。但是現(xiàn)有的大部分嵌入式處理器，因?yàn)槠渥陨淼目偩€(xiàn)速率限制了驅(qū)動(dòng)大屏幕LCD的能力。例如自帶LCD控制器的ARM嵌入式處理器(三星的2440)，其系統(tǒng)總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率最高只能達(dá)到133 MHz[1]，除了要傳輸顯示LCD屏的數(shù)據(jù)外，系統(tǒng)總線(xiàn)還要提供其他設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐，所以它的數(shù)據(jù)傳輸量只能滿(mǎn)足小屏幕的顯示，無(wú)法滿(mǎn)足高分辨率屏幕的數(shù)據(jù)顯示。

市場(chǎng)上有很多專(zhuān)用的LCD控制芯片，但是其價(jià)格較高、配置不靈活。因此，本文基于能夠高速運(yùn)行的FPGA[2]為處理核心，以SDRAM作為顯示緩存，設(shè)計(jì)LCD控制器，既能夠?qū)RM的系統(tǒng)總線(xiàn)上的顯示數(shù)據(jù)取出，并驅(qū)動(dòng)大屏幕顯示數(shù)據(jù)，又能夠解決專(zhuān)用芯片的弊端。成功地解決了嵌入式處理器在驅(qū)動(dòng)大屏幕LCD時(shí)的資源緊張問(wèn)題，并可提供清晰穩(wěn)定的圖像顯示。

1 架構(gòu)選擇及硬件實(shí)現(xiàn)

1.1 架構(gòu)分析選擇

根據(jù)嵌入式處理器的工作原理，有三種架構(gòu)形式可以實(shí)現(xiàn)LCD控制器的設(shè)計(jì)[3],如圖1所示。架構(gòu)2和架構(gòu)3采用了與CPU共用顯示存儲(chǔ)器的方式，在顯示過(guò)程中，CPU和LCD控制器需要間斷地釋放對(duì)共用存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)，以完成刷新數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的交互。這兩種架構(gòu)中，CUP對(duì)存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)會(huì)直接影響到顯示數(shù)據(jù)的更新及LCD顯示器的顯示效果。盡管架構(gòu)2增加了本地存儲(chǔ)器，提高了系統(tǒng)性能，但是同樣受到架構(gòu)模式的制約。而架構(gòu)1避免了共用顯示存儲(chǔ)器的模式，將LCD控制器作為總線(xiàn)上的一個(gè)外設(shè),CPU將需要更新顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)存儲(chǔ)器接口發(fā)送給總線(xiàn)上的LCD控制器，LCD控制器控制LCD顯示。本文系統(tǒng)即采用了架構(gòu)1形式的架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于架構(gòu)1設(shè)計(jì)了圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)以FPGA對(duì)更新數(shù)據(jù)和刷新數(shù)據(jù)的仲裁處理為核心，配合SDRAM的操作及顯示數(shù)據(jù)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換（LVDS轉(zhuǎn)換）完成其大屏幕顯示器驅(qū)動(dòng)的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)顯示功能。LVDS轉(zhuǎn)換芯片與外圍LCD屏幕連接，將FPGA產(chǎn)生的RGB等信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速差分串行輸出信號(hào)。LCD顯示器接口如圖4所示。

圖2 LCD控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

XC6SLX45是XILINX公司新推出的一款FPGA，屬于SPARTAN6系列，具有很高的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。利用FPGA配置靈活的特點(diǎn)，在硬件方面FPGA主要實(shí)現(xiàn)四個(gè)接口：CPU接口、SDRAM接口、FPGA配置接口和LCD接口。其中,SDRAM接口[4]和LCD接口都是常用的標(biāo)準(zhǔn)接口，這里不再贅述。FPGA的配置接口用于對(duì)FPGA的被動(dòng)串行配置，采用FPGA的這種配置方式可以很好地提高該控制器的可移植性，又可以節(jié)省FPGA的配置芯片的成本。LCD控制器通過(guò)CPU接口連接到AMBA總線(xiàn)上[5]，并以存儲(chǔ)器的方式被嵌入式處理器訪(fǎng)問(wèn)。

HY57V283220是一款32 bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度的SDRAM，采用32 bit的數(shù)據(jù)總線(xiàn)能夠很好地提高本控制器的數(shù)據(jù)處理速度和其驅(qū)動(dòng)能力。DS90C38是一款通用的大屏幕LCD顯示器LVDS接口轉(zhuǎn)換芯片，可以適用于大部分差分接口的LCD顯示器，設(shè)計(jì)中，可以很好地將FPGA產(chǎn)生的RGB格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高速串行差分?jǐn)?shù)據(jù)格式。

1.3 硬件接口電路設(shè)計(jì)

控制器與CPU的接口是ARM的存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)接口，接口采用異步通信方式并由26 bit地址線(xiàn)、32 bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)接入讀寫(xiě)片選線(xiàn)組成，其接入接口硬件圖如圖3所示。

顯示屏接口采用標(biāo)準(zhǔn)的大屏幕LVDS接口，通過(guò)

圖4 LCD顯示器接口

2 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA軟件模塊及功能示意圖如圖5所示，其軟件設(shè)計(jì)分為4個(gè)模塊:(1)DCM時(shí)鐘管理模塊。主要功能是利用FPGA內(nèi)部DCM產(chǎn)生其他模塊所需的時(shí)鐘；(2)接收模塊。主要用來(lái)接收CPU發(fā)送來(lái)的需要更新的顯示數(shù)據(jù)，作適當(dāng)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存；(3)顯存管理模塊。主要用來(lái)解決CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)和LCD顯示器讀出數(shù)據(jù)之間的沖突；(4)LCD驅(qū)動(dòng)模塊。主要用于產(chǎn)生LCD顯示器需要的時(shí)序。

圖5 FPGA軟件模塊劃分及功能示意圖

2.1 接收模塊

接收模塊的程序流程圖如圖6(a)所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，接收模塊進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)有來(lái)自CPU的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，接收模塊通過(guò)CPU接口通信協(xié)議接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括顯示數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)地址。接收數(shù)據(jù)后，首先對(duì)地址進(jìn)行譯碼。地址分為顯示數(shù)據(jù)地址和寄存器地址：當(dāng)?shù)刂窞榧拇嫫鞯刂窌r(shí)，接收數(shù)據(jù)對(duì)寄存器進(jìn)行操作，用來(lái)對(duì)LCD屏的屬性進(jìn)行配置和控制，以增強(qiáng)LCD控制器對(duì)不同LCD屏的兼容性；當(dāng)?shù)刂窞閿?shù)據(jù)地址時(shí)，將CPU傳遞的線(xiàn)性地址譯碼為SDRAM寫(xiě)入操作的bank地址、行地址和列地址。地址譯碼后，將地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行封包組幀，并且加入自動(dòng)預(yù)充電標(biāo)志位，以提高SDRAM的寫(xiě)入數(shù)據(jù)速度。判斷預(yù)充電標(biāo)志位是否有效的依據(jù)是：數(shù)據(jù)地址是SDRAM的“行末”地址、后一個(gè)數(shù)據(jù)不與當(dāng)前數(shù)據(jù)的行地址相同,然后將封號(hào)幀的數(shù)據(jù)依次傳入接收緩存(FIFO)中,等待顯存管理模塊的讀取。數(shù)據(jù)的幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

2.2 顯存管理模塊

顯存管理模塊分為：SDRAM接口模塊和SDRAM控制模塊。SDRAM接口模塊根據(jù)SDRAM的操作時(shí)序建立SDRAM訪(fǎng)問(wèn)接口；SDRAM控制模塊仲裁CPU的顯示更新數(shù)據(jù)和LCD的顯示刷新數(shù)據(jù)在SDRAM中的讀寫(xiě)操作，其操作機(jī)制如圖6(b)所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，然后進(jìn)入SDRAM讀操作狀態(tài)，將LCD顯示緩存中存入一定量的顯示數(shù)據(jù)后，管理模塊進(jìn)行N次的SDRAM刷新操作，刷新結(jié)束后顯存管理模塊將一直監(jiān)視接收緩存，直到顯示緩存中數(shù)據(jù)不足時(shí)則循環(huán)進(jìn)行讀操作。

SDRAM是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，合理的操作機(jī)制可以提高SDRAM的讀寫(xiě)速度。本控制器在SDRAM的操作上引入了如下機(jī)制以提高系統(tǒng)的性能：

(1)讀寫(xiě)操作分開(kāi)獨(dú)立連續(xù)進(jìn)行：將SDRAM中數(shù)據(jù)連續(xù)讀出固定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入連續(xù)寫(xiě)入狀態(tài)。

(2)連續(xù)兩個(gè)數(shù)據(jù)不同行時(shí),采用自動(dòng)預(yù)充電讀寫(xiě)操作，同行則不進(jìn)行預(yù)充電操作。

(3)在空閑狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)刷新SDRAM，

本系統(tǒng)的讀操作是周期進(jìn)行的，在每次讀操作后進(jìn)行固定周期數(shù)的刷新操作，既保證了刷新次數(shù)，又節(jié)省了刷新時(shí)間。

(4)采用32 bit的SDRAM，以增加位寬換取速度。

2.3 LCD驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊根據(jù)LCD標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序要求產(chǎn)生行時(shí)鐘、場(chǎng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)使能信號(hào)，并且配合像素時(shí)鐘將LCD顯示緩存中的32 bit數(shù)據(jù)以16 bit讀出。

圖6 主要軟件模塊程序流圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)采用的SDRAM的工作時(shí)鐘為133 MHz，為了減少異步時(shí)鐘造成的問(wèn)題，F(xiàn)PGA的系統(tǒng)工作時(shí)鐘也采用了相同頻率的工作時(shí)鐘，并且成功地應(yīng)用于某船載導(dǎo)航雷達(dá)的現(xiàn)實(shí)界面的實(shí)現(xiàn)上。在雷達(dá)圖像顯示中，ARM與LCD控制器之間的數(shù)據(jù)量為30 MB/s，屏幕采用了日立公司TMS150XG1-10TB型號(hào)的TFT-LCD顯示器，LCD屏幕的分辨率為1 024×768，像素時(shí)鐘為65 MHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，LCD控制器的工作性能良好，屏幕顯示清晰穩(wěn)定。利用chipscope抽取主要的數(shù)據(jù)如圖7所示。抽取結(jié)果顯示，接收到的ARM數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)組幀最后正確地產(chǎn)生了用于顯示的數(shù)據(jù)。

圖7 關(guān)鍵信號(hào)抽取圖

本文介紹了新型高分辨率LCD控制器，解決了大屏幕顯示所需的高刷新率和高更新率問(wèn)題。同時(shí)，多個(gè)內(nèi)部寄存器使其支持各種型號(hào)的LCD顯示器，并已成功地驅(qū)動(dòng)了15英寸的LCD顯示器。

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