（通信与信息系统专业论文）手机多媒体图像显示控制及asic实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着3 g 在世界范围内的大规模商用，人们日益认识到以音视频为特色的多媒 体业务是3 g 业务的应用核心。图像控制器作为多媒体的应用基础而成为众多多媒 体手机芯片开发商无法规避的问题。l c d 因其体薄、低压、微功耗、无辐射以及 易于与数字i c 集成等优点，事实上已经成为多媒体手机生产厂商的不二选择。纵 观当今国内外手机多媒体处理器的发展趋势，不难发现随着微电子制造工艺的不 断进步，i c 迈入超深亚微米级别，多媒体芯片的集成度日渐提高，那些拥有大量 自主i p ( 知识产权核) 的芯片设计商可以在节省开销的前提下缩短产品开发周期， 从而具备了更强的竞争力。 基于如上背景，本文提出了一种针对手机多媒体应用的l c d 控制器i p 设计， 它具有如下强大功能： 兼容r g b 多种数据格式输入。 支持图像旋转。 支持图像镜像。 4 层图像合并。 支持独立硬件光标，及闪烁。 支持画中画功能。 支持多屏幕显示。 论文对设计方案分模块进行了详细地论证。所实现的l c d 控制器符合a m b a a h b 总线协议( 2 o 版) ，兼容同步、异步输出显示接口标准。所设计的异步f i f o 模块空满标志产生正确稳定，很好地解决了亚稳态问题。采用了优化后的图层合 并算法，资源节省度高。地址控制模块巧妙地对首地址和偏移量进行处理，可实 现图像的旋转和镜像功能。时钟控制模块方案能在本设计未植入全芯片前，提供 令本设计正常工作的时钟控制。 本设计使用v e r i l o gh d l 进行r t l 实现，并使用m o d e l s i m 工具对代码进行了 充分的功能验证，使用了d e s i g nc o m p i l e r 工具完成逻辑综合及低功耗设计，使用 d f tc o m p l i e r 完成了可测试性设计，使用p r i m et i m e 进行了时序分析。 关键词：多媒体图像，液晶显示控制器，知识产权核，硬件描述语言，功能验 证，综合，可测性设计 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a st h e3 gc e n t u a lc o m e s ，p e o p l eh a v ei n c r e a s i n g l yc o n s i d e r e dt h a tt h ea p p l i e dc o r e o ft h e3 go p e r a t i o ni sm u l t i m e d i a ，w h o s ef e a m r ea l ea u d i oa n dv i d e o l e d ( l i q u i d c r i s t a ld i s p l a y ) h a sb e e nc h o s e nb ym o s t o ft h em u l t i m e d i ab a n h o n ep r o d u c e r b e c a u s ei ti ss m a l l ，l o wv o l t a g e ，n or a d i a n t ，e a s yi n t e g r a t i o nw i t hd i g i t a li ca n ds oo n l o o k i n gt h r o u g t ht h ed e v e l o p i n gt r e n do fm u l t i m e d i ap r o c e s s o r , w ec o u l df i n dt h a tt h e c h i pd e v e l o p e rw h oo w nag r e a td e a lo fp r i v a t ei p sw i nt h eb a t t l ee a s i l y t h el c dc o n t r o l l e rd i s c u s s e di nt h i st h e s i sh a st h e f l o w i n gs t r o n gi n n o v a t i v e f u n c t i o n s ： i ts u p p o r t sm u l t i p l ei n p u tf o r m a to fr g b i t s u p p o r t si m a g er o t a t ea n dm i r r o r f o u r i m a g el a y e r sc o m b i n a t i o n i n d e p e n d e n th a n d w a r ec u r s o r p i p ( p i c t u r ei np i c t u r e ) s u p p o r t sm u l t i p l ed i s p l a y t h i st h e s i sd e m o n s t r a t e sd e s i g ns c e n a r i o si nt e r mo fm o d u l e s t h el e dc o n t r o l l e r a c c o r d sw i t ha m b a a h b ( v 2 o ) ，a n di sc o m p a t i b l et os y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u s o u t p u td i s p l a y i n t e r f a c es t a n d a l e t h ea s y n c h r o n o u sf i f om o d u l eo ft h i sl c d c o n t r o l l e rc o u l dp r o d u c ec o r r e c t 锄p t ) ra n df u l lf l a g ss t e a d i l y , a v o i di n s t a b i l i t yi s s u e s t h e l a y e r sc o m b i n a t i o nm o d u l ea d o p t e so p t i m i z e da r i t h m e t i c ，s a v i n gr e s o u r c e sh e a v i l y t h ea d d r e s sc o n t r o lm o d u l ep r o c e s sh e a da d d r e s sa n do f f s e tm a s t e r l y , a c h i e v i n gi m a g e r o t a t ea n dm i r r o rf u n c t i o n s t h ec l o c kc o n t r o lm o d u l es u p p l yc l o c k sf o rt h i sc o n t r o l l e r w o r k i n gn o r m a l l yb e f o r e t h el c dc o n t r o l l e ri si m p l e m e n t e di n t oc h i pf u l l y t h i sl c dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db yv e r i l o gh d l m o r e o v e r , t h i st h e s i sd i s c u s st h e a s i cd e s i g nf l o w , i n c l u d i n gf u n c t i o nv e r i f i c a t i o nb ym o d e l s i m ，l o g i cs y n t h e s i sa n dl o w p o w e rb yd e s i g nc o m p i l e r , d f tb yd f tc o m p l i e r , t i m i n ga n a l y s i sb yp r i m et i m e k e yw o r d s ：m u l t i m e d i a , l c dc o n t r o l l e r , i p , h d l ，f u n c t i o nv e r i f i c a t i o n ，s y n t h e s i s ，d f t i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 随着3 g 在世界范围内的大规模商用，人们日益认识到以音视频为特色的多媒 体业务是3 g 业务的应用核心。而图像显示控制作为多媒体的应用基础而成为众多 多手机芯片开发商无法规避的问题。纵观当今国内外手机多媒体处理器的发展趋 势，不难发现随着微电子制造工艺的不断进步，i c 迈入超深亚微米级别，多媒体 芯片的集成度日渐提高，功能的整合趋势使得那些拥有大量自主i p 的设计商可以 在节省开销的前提下缩短产品开发周期，从而具备了更强的竞争力。 本论文的研究主要针对手机多媒体图像显示，而所有的手持终端又无一例外 地采用液晶显示，( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ，因此，本论文所研究的手机多媒体 图像显示控制实质上就是l c d 控制器。 1 1 图像显示发展简史 2 0 世纪是信息大爆炸的时代。1 9 6 0 - 1 9 9 0 年信息的平均年增长率为2 0 ，到 2 0 2 0 年将达到每半月翻一番的惊人速度。大量的信息通过“信息高速公路”传递， 要将这些信息传送给人们必然要有一个下载的工具，即接口的终端。研究表明， 在人们经各种感官从外界获得的信息中，视觉占6 0 ，听觉占2 0 ，触觉占1 5 ， 味觉占3 ，嗅觉占2 。可见，近2 3 的信息是通过眼睛获得的。当然。也可以将 信息以文字的形式表达出来，但其每分钟能传送的信息量只能是几百字节，有时 还不一定表达得清楚，而用图像来传送信息就快得多了，一幅电视图像有几十万 个像素组成，高清晰度的电视图像可以达到百万个像素，并且一目了然，比任何 口头文字描写都清楚，这就是所谓的“眼见为实”。所以图像显示成为信息显示中 最重要的方式。 我们现在所说的显示和显示技术最大的特点是与近代科学成就的结合，其最 大的特点是光与电的结合，是光与近代科学成就的结合，是现代科学技术的一个 重要组成部分“。 c r t ( 阴极射线管) 显示开创了信息显示的先河，使电子技术进入了新的时代， 特别是在彩色电视与计算机终端彩色显示的应用，将c r t 的巨大作用展现得淋漓 尽致，“信息显示 已经深深地印记在人们心里。但阴极射线管的缺点也是众所周 知的，那就是体积大、工作电压高。为消除这些缺点，并为实现薄型化目标而开 展了平板显示器( f r d ) 的研究开发，目标是使其达到阴极射线管同样的优异性能。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 创新是人类的天性，2 0 世纪8 0 年代末，人们将一个真空管的c r t 改造成了真 空管的阵列，笨重的c r t 演变成了平板的等离子显示器( p d p ) 。在半导体技术的刺 激下，2 0 世纪9 0 年代，人们将半导体制造技术引进显示行业，采用非晶硅薄膜晶 体管( t f t ) 阵列控制液晶光阀，非真空的、以非晶硅器件为核心的显示器( t f t - l c d ) 进入了人类的生活，半导体技术与显示技术的结合，奇迹般地确立了t f t - l c d 在 信息显示技术领域的霸主地位。t f t - l c d 技术的成功极大地刺激了平板显示产业的 发展。近十年，t f t - l c d 平板显示产业的发展造就了现代信息制造业的神话。 o l e d 是另一种颇具前途的显示技术，目前正处于蓬勃发展阶段，将是l c d 最 强有力的竞争对手“。 1 2 多媒体手机显示屏相关原理、技术研究 本论文的研究对象是针对多媒体手机的图像显示控制，多媒体手机应用显示 屏有其特殊性，这里先就其相关原理、技术进行了研究。 手机应用显示屏是提供给用户的视觉终端，由于众所周知的功耗和体积等原 因，多媒体手机大都只采用平板显示屏。按其显示原理，主要分为l c d 和o l e d 两 大类。若按驱动方式，又可以分为无源驱动( p a s s i v e m a t r i x ) 和有源驱动 ( a c t i v e m a t r i x ) 两大类。为方便阐述图像显示原理，这里按照l c d 和o l e d 分类 组织本小节。 1 2 1 液晶显示屏 液晶( l i q u i dc r y s t a l ) 于1 8 8 8 年由奥地利植物学家f r e i n i t z e r 发现。据 说，它给德国物理学家l e m a n n 的一封告知发生相变化和颜色变化的书信成了开展 液晶研究的契机“。 液晶是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合 物。如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊 固体状态，具有液体的流动性和各向异性晶体的双折射性“。，故称之为“液晶”。 液晶显示屏的显像原理如下图1 1 所示，是将液晶置于两片导电玻璃之间， 依靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子发生扭曲向列效应，以控制光源透射 或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗的显示效果而将影像显示出来：若加上彩 色滤光片，则可显示彩色影像。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独的被 电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥 便可以在显示屏上组成不同 的字符、数字和图形“。 2 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 舀己向腰 液晶 分子 偏光板 。一7 7 毒睾：。f 。毒_ t 瀛、一：三寥、 7 ，。 图1 液晶显示原理图 电压 彩色l c d 屏按其品质和研发技术不同又可以分为t f t 、t f d 、u f b 、s t n 几种。 其中s t n 属于无源驱动型，t f t 属于有源驱动型。 t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 即薄膜场效应晶体管，属于有源矩阵液晶显示 器中的一种。它可以“主动地对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这样可以 大大提高反应时间。一般t f t 的反应时间比较快，约8 0 毫秒，而且可视角度大， 一般可达到1 3 0 度左右，主要运用在高端产品。所谓薄膜场效应晶体管，是指液 晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以 做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。t f t 属于有源矩阵液晶显示器，在 技术上采用了“主动式矩阵”的方式来驱动，方法是利用薄膜技术所作成的电晶 体电极，利用扫描的方法“主动拉”控制任意一个显示点的开与关，光源照射时 先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子传导光线，通过遮光和透光来达到显示 的目的。t f t 液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是“真彩”( t f t ) 。t f t 液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制， 因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同 时可以精确控制显示色阶，所以t f t 液晶的色彩更真。t f t 液晶显示屏的特点是亮 度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，但也存在着比较耗电和成本较高的不足。 t f t 液晶技术加快了手机彩屏的发展。新一代的彩屏手机中很多都支持6 5 5 3 6 色显 示，有的甚至支持1 6 万色显示，这时t f t 的高对比度，色彩丰富的优势就非常重 要了。t f t 型的液晶显示器主要的构成包括：萤光管、导光板、偏光板、滤光板、 玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。 s t n ( s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ) 屏幕，又称为超扭曲向列型液晶显示屏幕。 在传统单色液晶显示器上加入了彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分 成三个像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，以此达到显示彩色的 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 作用，颜色以淡绿色为和橘色为主。s t n 屏幕属于反射式l c d ，它的好处是功耗小， 但在比较暗的环境中清晰度较差。s t n 也是我们接触得最多的材质类型，目前主要 有c s t n 和d s t n 之分，它属于无源驱动l c d 器件，所以功耗小、省电，但反应时 间较慢，为2 0 0 毫秒。 t f d ( t h i nf i l md i o d e ) 屏幕，又称为薄膜二极管半透式液晶显示屏。t f d 技 术由精工和爱普生公司开发出来，专门用在手机屏幕上。它是t f t 和s t n 的折中， 比s t n 的亮度和色彩饱和度更好，也比t f t 省电。最大特点是无论在关闭背光( 反 射模式) 或打开背光( 透射模式) 条件下都能提供高画质、易观看的显示，并具 有低功耗、高画质、高反应速度等优点。 1 2 20 l e d 显示屏u 。1 7 j o l e d 的英文全称为o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i s p l a y ，中文意思是“有机发光 显示技术”，这是一种全新的显示技术。与l c d 最大的不同是o l e d 自己能发光 一0 l e d 的正极是一个薄而透明的铟锡氧化物( i t o ) ，阴极为金属组合物，而将 有机材料层( 包括电荷传输层、发光层、电子传输层等) 夹在中间，形成一个“三 明治”，如图1 2 a 所示。接通电流，正极的电荷和阴极的电荷就会在发光层中结合， 产生亮光。根据夹在其中的有机材料不同，会发出不同颜色的光，如图1 2 b 所示。 。 ，一? ， - _、 j 1 i ：卉) 一 、。 ：川畸疆i c c 一一一 ( a ) 结构框图( b ) 工作原理示意图 图1 20 l e d 结构原理图 同l c d 一样，o l e d 也分为无源驱动( p a s s i v e m a t r i xo l e d ，p m o l e d ) 和 有源驱动( a c t i v e m a t r i xo l e d ，a m o l e d ) 两种。最早出现的是无源驱动，目前 在无源驱动方式中应用得最多的是动态驱动扫描方式。如图1 4 b ，在显示屏的阳 极上加高电压，相应的阴极上加低电压( 零电压或负电压) ，就可以使相应的电极 交叉点处的像素发光。当选通一行时，如果列驱动信号为高电压，则对应的交叉 点处的像素发光。逐行依次选通，快速地在屏幕上形成一幅完整的画面。在无源 驱动方式中，o l e d 器件在帧周期内不是持续发光的，因此器件发光效率低，分辨 4 一军个i 节厂1 弭 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 率和显示屏尺寸都受到很大的制约，而且o l e d 器件在大电流的驱动下，使用寿 命会大大缩减而且存在交叉响应。 无源驱动方式像素电路工作原理相对于有源驱动像素电路要简单得多。无源 驱动按信号寻址方式总体上可以分为两大类：静态驱动方式和动态驱动方式。通 常所讲的静态驱动方式主要用于笔段类字符显示，其原理与相应的液晶显示屏相 同。主要是通过将设计好的笔段显示驱动电路连接到相应的驱动信号上，根据驱 动电路所传输的驱动信号信息进行相应的笔段显示，由发光的笔段部分构成相应 的字符。由于该驱动原理与驱动电路简单，显示信息量很少，所以主要用于固定 字符显示屏或者低信息量显示屏当中。目前应用得最多的无源驱动方式是动态驱 动方式。如图1 4 b ，在显示屏的阳极上加高电压，相应的阴极上加低电压( 零电 压或负电压) ，就可以使相应的电极交叉点处的像素发光。这样每选通一行的同时， 将相应的列置为高电压，使对应的像素点亮，稍加延时后再选通下一行，再写入 相应的列驱动电压，如此快速扫描下去就会在屏幕上形成一幅完整的画面。 有源显示技术类似于目前的t f t 液晶显示器，o l e d 发光材料集成在硅片 上，每一个像素都有一个晶体管驱动，因而刷新速度明显提高。有源驱动方式像 素电路采用薄膜晶体管( t i 叮) 构成控制电路驱动o l e d 发光。即使在像素电路 非选通期间，由于数据信号存储在存储电容上，像素电路一直驱动o l e d 器件发 光，从而有效地解决了无源驱动方式中由于低占空比信号必须对o l e d 进行大电 流驱动的问题，从而有效地延长o l e d 器件的使用寿命。另外随着低温多晶硅 ( l o wt e m p e r a t u r ep o l y - s i l i c o n ) 技术的日渐成熟，部分周边驱动电路可以集成在 衬底上，减少电路引出线，提高电路稳定性。尤其是最近低温多晶硅( l t p s ) 技 术突飞猛进，进一步克服了由于多晶硅沉积过程中所带来的电性能不一致而导致 的显示亮度不平均等问题，使得有源驱动技术进一步发展。因此a m o l e d 技术 可以实现大信息量、高分辨率显示，已经引起人们的高度重视，对o l e d 显示技 术的推广和应用具有非常重要的意义。 表1 1p m o l e d 和a m o l e d 性能比较 性能p m o l e da m o l e d 结构简单复杂 成本 低 高 驱动瞬间发光帧周期发光 亮度低高 分辨率低高 灰度低高 电压高低 功耗 搭 小 寿命 短长 集成不可 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 总结p m o l e d 和a m o l e d 性能比较如上表1 2 所示。 1 3 手机应用图像显示模块 图像显示模块是图像显示器的另外一种商品形式，它是由图像显示屏、连接 件、驱动和控制集成电路、p c b 线路板、背光源( 如需要) 和结构件等装配在一 起的一种组件。不仅对手机而言，对所有可以采用液晶显示模块( 或o l e d 显示 模块) 的产品，图像显示模块的作用是不言而喻的。图像控制器不直接和显示屏 相连，而是和图像驱动器相连，这样可以简化接口信号数量和显示控制过程。 它也可以分为液晶显示模块和o l e d 显示模块。 市面上几款比较典型的液晶显示模块，如夏普的l q 0 3 5 q 7 d b 0 3 f ”“，群创的 p t 0 3 5 t n 0 1 “，三星的l t v 3 5 0 q v “，除包含l c d 显示屏外都包含了显示屏驱 动i c 和背光，并普遍支持2 4 0 x3 2 0 的分辨率，支持r g b 接口。具体的显示屏接 口时序将在第三章进行论述。 1 4 手机图像控制器发展现状 图像显示器在系统中需要完成图像显示控制和处理的功能，通常内嵌容量大 小不等的存储器作为显示缓存。在系统中，它们通常扮演m c u 与显示屏之间连接 桥梁的角色。一方面，控制器将从m c u 过来的图形图象数据经过处理后送往显 示屏显示，并为显示屏提供相应的同步及控制信号；另一方面，对于一些高档的图 像控制器可能还包括图形图像解压缩功能或者集成了u s b 模块等等。从兼容性的 角度来考虑，为了支持更多的应用，为系统厂商提供灵活的解决方案，通常l c d 显示控制器都包含多种m c u 的接口和多种液晶屏的接口。当然，也有的厂商为 了降低整个芯片的成本，仅仅支持单一或是少数的总线。通常这样的l c d 控制器， 是系统厂商为了降低成本，由所委托的i c 设计厂商专门针对其需要进行设计。 按控制的对象区分手机图像控制器当然可以分为l c d 控制器和o l e d 控制 器。 由于o l e d 起步时间不长，供商用的专用控制器很少，且集成度很低。专用 的无源o l e d 驱动芯片中，国外比较成熟的有克莱尔公司的m x e d 系列芯片： m x e d l 0 1 、m x e d 2 0 1 、m x e d 3 0 1 等。对于专用的有源o l e d 驱动，其起步时 间更晚，世界各国同在一条起跑线。 受客观因素限制，本论文的设计目标并不是o l e d 控制器，而是l c d 控制器。 供商用的l c d 控制器由于起步稍早，现在已经发展的很成熟了，市面上的多 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 媒体处理器几乎都内嵌有l c d 控制器1 8 _ 2 刮，如i n t e r 的p x a 2 7 家族、f r e e s c a l e 的 m c 9 3 2 8 m x 2 1 、m t k 的m t 6 2 1 9 等。它们普遍支持多种m c u 接1 3 ，功能也比较 齐全。 1 5 设计目标 本论文针对时下最流行、最成熟的t f t _ 液晶显示屏，设计一款片上l c d 控制 器，需要满足如下功能： 1 兼容r g b 象素格式8 、1 2 、1 6 、2 4 b p p ： 2 图像逆时针9 0 度、1 8 0 度、2 7 0 度旋转； 3 图像水平、垂直镜像； 4 多层图像合并功能； 5 独立硬件光标实现； 6 画中画( p ) 功能； 7 兼容多种彩色l c d 屏数据、时序接口； 为提高本设计的竞争力，特提出如下性能指标要求( 使用s m i c 0 1 3 9 库) ： 1 1 5 0 m 总线时钟下，没有t i m i n gv i o l a t i o n ； 2 2 0 0 m 总线时钟下，t i m i n gv i o l a t i o n 最大不得超过0 5 n s ； 3 低功耗优化。 1 6 论文结构 本文在研究了多媒体手机图像显示的相关原理之后，提出了一种液晶图像显 示控制器的硬件实现方案。全文共分为八章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了图像显示的发展历史，手机显示屏的原理、技术及发展现状。 并提出了本文的设计目标，包括功能和性能指标。 第二章阐述了图像显示控制器的架构设计，包括总线的选择和模块划分。 第三章阐述了图像显示控制器的接口设计，包括内部总线接口和外部显示屏 接口。 第四章简要介绍了本设计的图像处理相关模块的方案设计及实现，时序和地 址控制方法。 第五章是a s i c 实现部分，概要介绍了整个设计流程。 第六章是系统功能仿真及验证。 第七章是总结了本文的工作，并进一步探讨了未来研究方向。 7 重庆邮电大学硕士论文 第- 二章图像显示控制器架构设计 第二章图像显示控制器架构设计 图像控制器是多媒体手机必备的模块，它负责将需要显示的数据，如操作界面， 图像等送给图像显示设备。本章以l c d 控制器为例从实现架构方面对图像显示控 制器进行了研究和设计。 2 1 典型的l o d 图像显示控制系统 一个典型的l c d 图像显示控制系统如下图2 1 所示，系统通过系统总线完成 与l c d 控制器的数据交互，包括对显示控制器的配置以及显示数据的搬运。显示 控制器接收来自于处理器的命令，完成对显示控制器寄存器的配置，从而使显示 控制器可以灵活配置而适应不同类型的液晶显示器同时，显示控制器通过系统总 线从内部或外部存储器中读取待显示的像素数据，根据系统配置完成相应的处理， 然后送到液晶显示驱动器中，由驱动器驱动后将数据送到液晶显示面板进行显示。 图2 1l c d 显示控制器的应用系统 o l e d 图像控制器系统与l c d 图像控制器系统类似。 2 2l o d 图像控制器的总线协议 图像控制器总线协议的选择是以满足图像显示的需求为前提。本设计最大可支 持8 0 0 x8 0 0 分辨率显示，最高支持2 4 b p p ( b i t sp e rp i x e l ) 数据格式，最多同时 实现4 层图像同时显示外加独立硬件光标层，若要求实现屏幕刷新率为6 0 h z ，根 重庆邮电大学硕士论文 第二章图像显示控制器架构设计 据显示数据带宽计算公式“： d a t ar a t e = ( l e n g t hxw i d t hxr e f r e s hr a t exb i t sp e rp i x e l - - 8 ) b y t e s s e e 得到满足单基层图像显示的数据传输速率已经为1 0 9 8 6 mb y t e s e e 。由此可见 l c d 显示控制器从存储器读取数据时数据量大，实时性高，对此本设计采用了 d m a 实现方案。通过处理器对图像控制器的配置寄存器堆进行实时配置，而d m a 模块就可以在没有处理器的干预之下，完成显示数据的搬运工作。 通常l c d 图像控制器都是挂载于控制器的系统总线上的。文献 2 7 】采用的图像 控制器方案是基于d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 1 为主控c p u ，采用的是d s p 的系统总线； 大多数的图像控制器方案都是基于a r m 处理器的，如文献 2 1 】、【2 2 、【2 6 】中 f r e e s c a l e 的m c 9 3 2 8 m x 2 1 、t i 的o m a p 8 5 0 、i n t e r 的p x a 2 7 x 家族，都是采用a r m 处理器，使用了a r m 的a m b a 总线协议。 a r m 是近年来全球s o c ( 片上系统) 设计最炙手可热的一款微处理器，据a r m 控股公司c e ow a r r e ne a s t 说，全世界9 0 的手机都使用a r m 处理器在工作。采 用a r m ll 的i p h o n e 其工作主频已达6 2 0 m 。a m b a 协议目前是免费而且公开的， 研发人员可从a r m 的网站( w w w a r m c o r n ) 上下载完整的s p e c i f i c a t i o n 。 基于如上考虑本设计采用a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 协议，a m b a 协议2 0 版定义了三种总线结构“： 1 ) a h b ( a d v a n c e dh i 曲p e r f o r m a n c eb u s ) ，负责连接例如a r m 之类的嵌入 处理器与d m a 控制器，片上和片外m e m o r y ，以及其它需要高带宽的设备。 采用地址数据分离的流水式操作，支持单个( ( s i n g l e ) 数据传送模式以及固 定长或者不定长突发( b u r s t ) 传送模式，支持一次传送分裂( s p l i t ) 交易特性。 2 1a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) ，同样可以连接高性能设备，属于比较老的 总线格式，后逐渐被a h b 取代。 3 1a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) ，负责连接低功耗外设，他们对带宽要求 不大。a p b 总线通过总线桥( b r i d g e ) 与系统总线相连，有助于降低系统 功耗和设计复杂性。 此外a m b a 总线支持静态时序分析及友好的测试插入。 本设计的d m a 模块，作为一个m a s t e r ，挂载于a h b 总线上；为方便后续集 成工作，其配置寄存器堆，作为一个s l a v e ，同样挂载于a h b 总线上。做为备选方 案，配置寄存器堆可以选择挂载于a p b 总线上，如文献 3 1 】。 2 2 1a m b a 总线应用系统 一种典型的h d v l b a 总线系统框图如下图2 2 所示。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章图像显示控制器架构设计 图2 2 一个典型的a m b a 总线系统框图 图2 3 一种运用a h b 总线的参考互连方案 挂在总线上的所有的模块包括处理器可工作在两种状态之一：m a s t e r ( 主设备) 或s l a v e ( 从设备) 。m a s t e r 是向s l a v e 发出读写操作的模块，如处理器、d m a 控 制器、测试接口控制器等；s l a v e 是接受命令并做出反应的模块，如片上r a m 、 桥接电路、其它外设等。所以，在总线上如果有多个m a s t e r 的话( 最多支持1 6 个) ， 就需要设计一个仲裁器，以确定某时选择哪个m a s t e r 发出读写操作。同样，需要 设计一个译码器( 或片选) ，通过传送的地址来译出此次是向哪个s l a v e 发出命令， 并启动相应的s l a v e 做出反应。图2 3 即是一个运用a h b 总线的参考互连方案模 型，包括三个主设备和四个从设备。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章图像显示控制器架构设计 2 2 2a m b a 总线接口信号 信号名称前面都以一个h 开头，表示是a h b 总线信号。 a i - - i b 信号列表及信号说明如表2 1 和表2 2 所示，本设计的控制器外部接口信 号即由这些信号中的部分组成。 表2 1 a m b a a h b 信号 名称来源描述 h c l k 时钟源总线时钟 h r e s e t n 复1 1 ：) = 控制复位 h a d d r l 3 1 ：o j主设备地址总线 h t r a n s 1 ：o j主设备传输类型 h w r i t e 主设备传输方向 h s i z e 2 ：0 主设备传输数据长度 h b u r s t e 2 ：o j主设备b u r s t 类型 h p r o t 3 ：o 主设备保护控制 h w d a t a 3 1 ：0 主设备 写数据总线 h s e l x 译码器从设备选择 h r d a t a 3 l ：o 从设备读数据总线 h r e a d y 从设备传输完成 h r e s p 1 ：0 从设备传输响应 表2 2a m b a 总线仲裁器信号 名称来源描述 h b u s r e q x 主设备总线请求 h l o c k x 主设备传输锁定 h g r a n t x 仲裁器总线授权 h m a s t e r 3 ：0 】 仲裁器主设备编号 h m a s t l o c k 仲裁器锁定顺序 h s p l i t x 1 5 ：0 】 从设备拆分完成请求 2 2 3a m b a 总线操作过程 在a h b 总线传输启动前，总线主设备必须被授权访问总线，主设备发送一个 请求信号给仲裁，这个过程才会被启动。然后仲裁指定什么时候主设备可以被授 权使用总线。一个被授权的a h b 主设备通过驱动地址和控制信号去启动总线上的 重庆邮电大学硕士论文第二章图像显示控制器架构设计 传输，这些信号提供关于地址，方向以及传输宽度的信息，也会指出是否是脉冲 传输。 一个没有等待状态的最简单传输时序图如图2 4 所示。 有等待状态的传输时序图如图2 5 所示。 i c l k ：t 柏o r p t ：q c o n l r d h w d a t 趣3 1 ：q h 囊 c l k h a d o r i 3 1 ： c o n t r d 眦 o y 憎触n 3 1 ：雌 l1_ ) o ( a) 。(舡 ) 。( c o n 蚓) o (舡 xx vv d a t a ) 汇 a 人 ( a ) 础| | f k x vv d a t a) o 人 人e a ) 图2 4 没有等待状态的传输时序图 一a d a m m s p h a d 毫t a 口悃麓 一 iii i ) 。( axx) 0 ) 。( 渤蜊) 0 ) 。(x x o 融a ) 0 j 烈| f八| l | | ) 。() o (x x vvd a l a ) 0 人碑) 图2 5 有等待状态的传输时序图 2 3l e d 图像控制器模块划分 本设计l c d 控制器按功能可划分为四个模块：接口模块、图像处理模块、时 序控制模块、地址控制模块。接口模块负责配置相应寄存器堆，以及图像数据的 搬运；图像处理模块按照配置寄存器的配置，对从m e m o r y 搬运过来的数据进行象 素分离，以符合用户显示的要求；时序控制模块，对外部时钟进行分频和相应控 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章图像显示控制器架构设计 制，按照配置提供满足控制器各模块时序需求的时钟，并向外部显示屏提供与输 出数据同步的显示时序；地址控制模块根据配置寄存器的控制，向控制器接口模 块提供图像数据的地址信息。 接口模块可以细分为a h b 主设备接口模块和a h b 从设备接口模块。从设备 完成对控制器配置寄存器进行操作，主设备完成d m a 功能，根据配置寄存器的控 制搬运图像数据。 图像处理模块又可细分为图层合并模块和格式转换模块。图层合并模块根据配 置寄存器的定义对相应图层的数据进行合并；格式转换模块可以提供y c b c r 和 r g b 格式转换。 整个l c d 图像控制器的功能模块图如下图2 6 所示： 图2 6l c d 控制器功能模块图 各模块的具体实现方案将在后续章节详细论述。 1 3 重塞塑皇叁堂亟迨寥第三章图像显示控制器接口设计及实现 第三章图像显示控制器接口设计及h d l 实现 本章讨论的接口属于广义上的接口，既包括对片上处理器的内部总线接口，也 包括对外部显示屏的输出接口。 本设计图像显示控制器中的接口模块属于狭义上的接口，只实现了控制器与 a m b a a h b 总线之间的通信。从功能的角度可以将接口模块分为从设备模块、主 设备模块和中断控制模块。本章将用前三个小节对上述三个子模块的设计分别进 行论述。 最后一节对外部显示屏接口设计进行了说明。 3 1 从设备模块接口 挂载于a h b 总线上的从设备模块接受m c u 对图像控制器的寄存器进行配置， 这些配置寄存器( 见附录一寄存器列表和附录二寄存器详细说明) 规定了输入输 出图像数据格式、显示屏类型及大小、图像数据处理方式等信息。从设备模块的 另一功能是进行中断控制，例如控制向m c u 发出帧切换中断，告知m p u 一帧图 像数据发送完毕，若m p u 有动态显示需求，会更新从设备( d m a ) 需要的地址 信息。 从设备模块所有的寄存器( 如附录一寄存器列表所示) 可以分为两类：一类 是配置寄存器，m p u 可读可写，包括l c d 控制寄存器、图层配置寄存器、命令控 制寄存器和中断使能寄存器；另一类是状态寄存器。除控制寄存器是3 2 位宽外， 其余所有的寄存器都是1 6 位宽，一是方便总线读写，二是为以后升级作准备，留 下一定裕量。 依照a h b 协议，本模块采用如下表3 1 所示的接口信号： 表3 1a h bs l a v e 接口信号 信号名方向说明 h a d d r 5 ：o 输入地址总线 h w r i t e 输入 l b l 写操作；l b o 读操作 h t r a n s 1 ：o 输入指示当前传输状态 h s i z e 1 ：0 输入 a h b 传输数据位宽信号 h r e s p 1 ：0 输出传输响应信号 h w d a t a 3 1 ：o 输入写数据总线 h r d a t a 3 1 ：o 输出读数据总线 h s e l 输入 选择信号，高有效 h r e a d y输入完成传输指示信号( 输入) h r e a d y o u t输出完成传输指示信号( 输出) 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章图像显示控制器接口设计及实现 3 2 主设备模块接口 主设备接口根据协议采用如下接口： 表5 2 主设备模块接口 信号名方向说明 a h bm a s t e r 接口一言号 h b u s r e q _ _ l c d输出f f l b 请求总线信号 h l o c k 1 c d输出a h b 锁定总线信号 h g r a n t _ l c d输入a h b 授权信号，高有效 h b u r s t l c d输出 a h bb u r s t 类型信号 h p r o t _ l c d 3 ：0 】输出a h b 保护信号 h a d d r l c d 【31 ：0 输出a h b 地址总线信号 h w r i t e l c d 输出a i q b 写信号 1 b l 写操作；1 b 0 读操作 h t r a n s _ l c d 【1 ：0 】输出f i h b 传输类型信号 h s i z e _ l c d 【2 ：0 】 输出a h b 传输数据位宽信号 h w d a t a l c d 【31 ：0 】输出 a h b 写数据总线信号 h r e a d y _ l c d 输入一完成传输指示信号( 输入) h r e s p _ l c d 【1 ：0 】 输入传输响应信号 h r d a t a l c d 31 ：0 】 输入读数据总线信号 3 3 外部显示接口 本节在研究了图像显示屏( 模块) 接口的基础上提出了本设计中的外部显示 接口方案。 3 3 1 液晶显示屏( 模块) 接口研究及设计 通过对市面上n 叮l c d 屏( 模块) 的调研，可将其r g b 功能接口分为异步 r g b 接口和同步r g b 接口。异步r g b 接口支持的显示屏( 模块) 含有内部存储 器( i n t e m a lm e m o r y ) ，充当了本地帧缓存( 1 0 c a lf r a m eb u f f e r ) 的角色，支持这类 显示屏( 模块