基于Blackfin 處理器的TFT LCD 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

0、前言

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的掌上電腦(PDA)等小型手持式設(shè)備，由于硬件條件的限制，顯示器件通常是單色 LCD， 用戶界面非常簡(jiǎn)單。隨著高性能嵌入式處理器的普及和硬件成本的不斷降低，嵌入式系統(tǒng)的功能也越來(lái)越 強(qiáng)。在多媒體應(yīng)用的推動(dòng)下，彩色 LCD 開始應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。新一代掌上電腦(PDA)多采用 TFT LCD 顯示器件，支持彩色圖形界面，圖片顯示和視頻媒體播放。掌上電腦(PDA)的操作系統(tǒng)有微軟 Window CE， PalmOS  等。其中 Linux  核心小，成本低廉，源代碼開放，成為各家廠商極力發(fā)展的操作系統(tǒng)。本文就探 討了兩種基于 Blackfin 嵌入式處理器的 TFT LCD 的驅(qū)動(dòng)方案。

 1、Blackfin 處理器和 TFT 液晶簡(jiǎn)介

Blackfin系列處理器是ADI公司研制的業(yè)內(nèi)首款嵌入式處理器，它將微控制器、DSP和媒體處理器的優(yōu) 勢(shì)集成于單一架構(gòu)中，已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信等多個(gè)領(lǐng)域。

BF531 是 Blackfin 處理器中的一款，最大時(shí)鐘頻率 400MHz，有 2 個(gè) 16 位 MAC，兩個(gè) 40 位 ALU，4個(gè) 8 位視頻 ALU,以及 1 個(gè) 40 位移位器。并有高達(dá) 148Kbytes 片內(nèi)存儲(chǔ)器，和兩個(gè)雙通道存儲(chǔ)器 DMA 控 制器；系統(tǒng)外設(shè)包含一個(gè) UART 口，一個(gè) SPI 口，兩個(gè)串行口（SPORTs），四個(gè)通用時(shí)鐘定時(shí)器（三個(gè)有 PWM 功能），一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，一個(gè)看門狗時(shí)鐘定時(shí)器，以及一個(gè)并行外設(shè)接口。

設(shè)計(jì)中我們采用了FG050605作為我們的設(shè)計(jì)屏，此款液晶為5.6英寸屏，有960(W) x 234(H)個(gè)像素， 每三個(gè)像素一個(gè)點(diǎn)，即每行320個(gè)點(diǎn)，共234行。此款連線非常簡(jiǎn)單：共32個(gè)引腳，其中，一根數(shù)據(jù)時(shí)鐘、 一根行頻、一根場(chǎng)頻、一根數(shù)據(jù)使能，三色共18根數(shù)據(jù)線，其余為空腳和電源線。

液晶時(shí)序圖如圖1所示：

圖  1：液晶時(shí)序圖

 三種真彩的液晶驅(qū)動(dòng)方案：即基于DSP硬件的液晶驅(qū)動(dòng)，基于DSP的嵌入式uClinux液晶驅(qū)動(dòng)和基于FPGA的液晶驅(qū)動(dòng)。本文重點(diǎn)介紹前兩種方案的具體實(shí)現(xiàn)。

 2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

Blackfin 處理器的 PPI 口共 20 個(gè)引腳，每個(gè)時(shí)鐘周期可以收發(fā) 16 位數(shù)據(jù)，它為 TFT  LCD  提供了一個(gè)無(wú)縫的數(shù)據(jù)傳輸接口。

我們采用的這款液晶屏像素時(shí)鐘頻率6.25MHz，采用FPGA分頻得到，該時(shí)鐘同時(shí)接PPI_CLK引腳。行 頻408個(gè)像素時(shí)鐘周期，場(chǎng)頻59Hz，即259個(gè)行頻周期，分別接Blackfin處理器的TMR1/ PPI_FS1和TMR2/ PPI_FS2口。

設(shè)計(jì)中，我們采用16bit的顏色顯示方式，故分別將紅色和綠色的最高位和最低位相連，即R0和R5、B0和B5。16根數(shù)據(jù)線分別與Blackfin處理器的PPI0到PPI15口相連。數(shù)據(jù)使能引腳接到FPGA上。 硬件框圖如圖2所示：

  2：硬件框圖[!--empirenews.page--]

 3、基于硬件的液晶驅(qū)動(dòng) 同傳統(tǒng)的DSP一樣，直接基于Blackfin處理器液晶驅(qū)動(dòng)。

我們采用DMA的方式通過(guò)PPI口傳輸顏色數(shù)據(jù)，將要顯示的數(shù)據(jù)存放在SDRAM中的兩塊緩存區(qū)域中， 采用乒乓模式，在向一塊存儲(chǔ)區(qū)中寫數(shù)據(jù)時(shí)，從另一塊存儲(chǔ)區(qū)讀。我們?cè)赟DRAM中設(shè)置一塊非Cache的存儲(chǔ)區(qū)，因?yàn)槲覀兠總€(gè)點(diǎn)用16 bit數(shù)據(jù)表示，故兩塊緩存區(qū)域共320*(234+9+16)*16 bit，9+16為每場(chǎng)信號(hào)丟失的行數(shù)。

3.1  DMA的初始化

我們首先配置DMA的工作參數(shù)。這里DMA采用Descriptor list (small model)，2D傳輸方式，每次傳輸一個(gè)字的數(shù)據(jù)。首先設(shè)置一個(gè)地址列表，用于裝載兩塊緩存區(qū)域的首地址，這樣DMA將從地址指示的空間 讀取數(shù)據(jù)傳送到PPI口。設(shè)置DMA每場(chǎng)傳輸259行，每行傳輸320個(gè)字的數(shù)據(jù)。最后配置DMA0_CONGFIG， 并使能DMA。主要設(shè)置有Descriptor list，2D DMA  的  Inner loop count，設(shè)置下次2D DMA的讀取地址相對(duì) 本地地址的增量，2D DMA  的  outer loop count，配置DMA工作模式等。

3.2  PPI的初始化

PPI有兩種工作模式：ITU-R 656和General-Purpose PPI。因?yàn)槲覀冎恍鑼?shù)據(jù)通過(guò)PPI口送出，故使用GP模式。 設(shè)置PPI_FS1和PPI_FS2下降沿有效，一次傳輸16bit數(shù)據(jù)，外部觸發(fā)，兩個(gè)外部幀同步信號(hào)。主要需要設(shè)置的為：PPI  參數(shù)配置，場(chǎng)頻信號(hào)發(fā)出到開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和每行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

3.3  Timer的初始化

由于我們采用2個(gè)外部幀同步信號(hào)，故采用TMR1/ PPI_FS1作為行頻信號(hào)（HSYNC），TMR2/ PPI_FS2作為場(chǎng)頻信號(hào)（VSYNC）。 為了調(diào)試程序需要，我們配置定時(shí)器為仿真時(shí)定時(shí)器持續(xù)工作。因?yàn)橹恍杷统鰯?shù)據(jù)給液晶，故配置其為PWM_OUT模式，我們的定時(shí)器使用PPI_CLK，故仍需設(shè)置其為PWM_OUT時(shí)鐘，計(jì)數(shù)到周期結(jié)束等。Timer1和Timer2的周期和脈寬按液晶硬件手冊(cè)給出設(shè)置。

3.4  Frambuffer的初始化

這樣，液晶的相關(guān)配置已基本完成，我們?cè)谄聊簧蠈憯?shù)據(jù)即為在兩塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)。但應(yīng)注意， 在每次場(chǎng)頻信號(hào)到來(lái)之后，有19行數(shù)據(jù)不會(huì)顯示在屏幕上，之后234行為屏幕顯示部分，最后又有6行數(shù)據(jù) 為多余需丟掉的數(shù)據(jù)。因此，我們將顯示的數(shù)據(jù)顏色信息要全部寫在中間234行。初始化Framebuffer時(shí)應(yīng) 先寫入要丟掉的19行內(nèi)容，再寫入234行的初始化顏色數(shù)據(jù)，最后還須初始化末尾6行丟掉的數(shù)據(jù)。

 4、基于 uClinux 的液晶驅(qū)動(dòng) 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件均可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。uCLinux  主要是針對(duì)目標(biāo)處理器沒有存儲(chǔ)管理單元  MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，它是一種優(yōu)秀的嵌入式 Linux 版本，已經(jīng)被成功地 移植到了很多平臺(tái)上。對(duì)開發(fā)者來(lái)說(shuō)，AD 的 Blackfin 處理器和 uClinux 的結(jié)合很有吸引力。

在 blackfin.uclinux.org 網(wǎng)站，提供對(duì)在 Blackfin 上嵌入 uclinux 的支持，本設(shè)計(jì)采用了其嵌入式軟件支 持。選擇了 uClinux-dist-R06R2-RC2.tar.bz2 作為系統(tǒng)使用 uClinux 的源代碼，成功移植了 uClinux 嵌入式平臺(tái)。我們用源文件根目錄下 uClinux-dist/linux2.6.x/driver/video/bf537-lq035.c 作為模板，進(jìn)行液晶驅(qū)動(dòng)的修 改。

4.1 程序文件修改

以 bf537-lq035.c 為模板進(jìn)行修改為 bf533-fg0506.c，由于源程序是按 BF537 開發(fā)板來(lái)編寫，我們重點(diǎn)要修改的是信號(hào)使用端口，和液晶設(shè)置部分。 因?yàn)槲覀兊囊壕У谋彻馐怯心孀兤髡{(diào)節(jié)，故將屏蔽原程序文件中關(guān)于背光亮度調(diào)節(jié)及相關(guān)選項(xiàng)。關(guān)鍵修改點(diǎn)：液晶的行場(chǎng)頻、時(shí)鐘、屏幕大小，定時(shí)器的設(shè)置（Timer1.Timer2），各種寄存器的設(shè)置, 以及寫數(shù)據(jù)的 DMA、PPI 程序部分。液晶顯示數(shù)據(jù)部分：場(chǎng)頻信號(hào)到來(lái)之后需丟掉的行數(shù)、每場(chǎng)信號(hào)需丟掉的總行數(shù)、場(chǎng)頻PPI_CLK  時(shí)鐘部分：配置 PPI、Hdp+Hpw  此段時(shí)間內(nèi) PPI 不傳數(shù)據(jù)等。配置 TIMER：使能時(shí)鐘、設(shè)置 Timer 的參數(shù)。設(shè)置 DMA 的參數(shù)，設(shè)置屏幕尺寸色彩等信息，初始化 Framebuffer 等。

4.2 Makefile 的改寫

此 部 分 是  為 在 編 譯  內(nèi) 核 時(shí) 能  夠 將 新 編  寫 的 液 晶  驅(qū) 動(dòng) 編 譯  為 目 標(biāo) 文  件 。 在 uClinux-dist/linux2.6.x/driver/video/Makefile 加入編譯規(guī)則。

4.3 修改 menu "Graphics support"此  部  分  使  編  譯   uClinux 內(nèi)  核  時(shí)  ，  可  以  選  擇  是  否  編  入LCD 驅(qū)  動(dòng)  。  在 uClinux-dist/linux2.6.x/driver/video/Kconfig 文件里添加編譯信息。這樣，使用 make xconfig 編譯系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)， 就可以在自定義內(nèi)核設(shè)置的 Device Driver 下，Graphic support 中選擇這個(gè)選項(xiàng)。

 5、結(jié)論

經(jīng)調(diào)試、修改，最終兩種方案的液晶均可正確穩(wěn)定顯示所需數(shù)據(jù)，可以滿足本設(shè)計(jì)預(yù)期的數(shù)據(jù)顯示需 求。同時(shí)由于 TFT 液晶的可視角度較寬，16 位色彩表現(xiàn)豐富，設(shè)計(jì)得液晶顯示得到了理想的效果，并對(duì)嵌入式設(shè)備的屏幕顯示技術(shù)有一定的意義。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)對(duì) Blackfin 嵌入式處理器的內(nèi)部資源的合理利用，將其和嵌入式系統(tǒng) uClinux 的 相結(jié)合，應(yīng)用于 TFT LCD 的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上。相對(duì)基于硬件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，基于嵌入式系統(tǒng) uClinux 的驅(qū)動(dòng)設(shè) 計(jì)有功能性強(qiáng)、可靠性高、成本低、體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，更具有實(shí)際的推廣應(yīng)用價(jià)值。