（电路与系统专业论文）lcd控制器ip设计研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 控制器设丌f，卅九876333lcd i p 控制器设丌1 卅九 摘要 在集成电路设计进入系统芯片( s o c ，s y s t e mo nac h i p ) 时代后，设计能力 与生产制造能力之闻的差距已经称为制约集成电路行业发展的一个重要问题，为 此，业界提出了基于可重用智权核心( i p ，i n t e r ll e c t u a lp r o p e r t y ) 的设计思 想。基于i p 的设计可减少大规模集成电路没计中的重复劳动，从而大大提高设计 的速度和规模。 随着手机，p d a 等3 c 产品得到越来越多的应用，液晶显示器( l c d ，l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ) 以其体积小，平板化，无辐射，低功耗，接口数字化，轻便易 携带等特点成为这些产品的显示模块的不二选择，得到了愈来愈广泛的应用，有 着非常广阔的市场前景。使用l c d 需要一个专门的硬件控制模块，负责读取显示 数据，进行格式转换，按l c d 面板类型输出控制和显示数据，以将微控制器从这 样的繁琐单一的存储器处理工作中解放出来，执行主要的控制操作。许多嵌入式 微处理器s o c 都集成了l c d 控制模块，如m o t o r o l a 的龙珠系列微处理器 c 9 3 2 8 m x i ，t i 的o m a p 5 9 1 0 ，t n t e l 的s t r o n g a r m s a l 1l o 等。 文章介绍了一种支持t f t 和s t n 屏的l c d 控制器设计。该设计使用了基于空 间散列的帧频控制算法以优化s t n 型l c d 屏图像显示质量，并使用两级缓存结构 以保证稳定的输出数据流。文章同时给出了模块化可配置的自动验证方案，并在 f p g a 上实现了该设计。 关键词：系统芯片，智权核心，i ，c d ，控制器，帧频调制 第l 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器d 设计研究 a b s t r u c t t o d a y , t h ed e s i g no fi n t e g r a t e dc i r c u i ti sd e s i g no fs o c ( s y s t e mo nac h i p ) t h eg a p b e t w e e nt h ea b i l i t yo f d e s i g na n dt h ea b i l i t yo f m a n u f a c t o r yh a sb e c o m eab i gp r o b l e m a sar e s u l t ，t h ed e s i g nb e s e do nr e u s a b l ei p ( i n t e d l e c t u a lp r o p e r t y ) i sp r o p o s e dt os o l v e t h i sp r o b l e m t h ed e s i g nb a s e do ni pc a l lr e d u s et h er e p e a t e dw o r ko f l a r g es c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n ，e x p e d k et h ed e s i g na n de n l a r g et h es c a l eo ft h ed e s i g n d e c a u s et h el c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) i ss m a l l ，l o wv o l t a g e ，l o wp o w e r , i ti s w i d e l yu s e di nc e l lp h o n e ，p d aa n do t h e r3 cp r o d u c t al c d c o n t r o l l e ri sn e e d e di n t h es y s t e mt h a tu s e sl c d i tf e t c h e st h ed i s p l a yd a t a ，r e f o r m a ti t ，a n do u t p u tt h e r e q u e s tl c dc o n t r o ls i g n a l s t h el c dc o n t r o l l e rc a nh e l pe m b e d d e dm c ut of o c u so n t h es y s t e mc o n t r o lw o r k m a n ye m b e d d e dm c uh a si n t e g r a t e dt h el c dc o n t r o h e ri p , a st h em o t o r o l am c 9 3 2 8 m x l ，t io m a p 5 9 1 0 ，i n t e ls t r o n g a r m s a l 110a n ds oo n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa d e s i g no f l c d c o n t r o l l e rw h i c hs u p p o r t st f ta n ds t nl c d t h i sd e s i g nu s e sas p a c ee x p a t i o nf r a m er a t ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do i ls p a c e - h a s h t oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h el c d d i s p l a y i tu s e st w o - l e v e lb u f f e rs t r u c t u r et oe n s u r e s t e a d yo u t p u tf l o w t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e dam o d u l a r i z e dc o n f i g u r a b l ea u t o m a t i c v e r i f i c a t i o ns c h e m e t h i sd e s i g nh a sb e e ni m p l e m e n t e do nf p g a k e y w o r d ：s o c ，i p ，l c d ，c o n t r o l l e r ，f r c 第2 页 浙江大学硕士学位论文l c d 控制器口设计研究 图1 1 ， 图1 2 ， 图1 3 ， 图1 4 ， 图2 1 ， 图2 2 ， 图2 3 。 图2 4 ， 图2 5 ， 图2 6 ， 图2 7 ， 图2 8 ， 图3 1 ， 图3 2 ， 图3 3 ， 图3 4 ， 图3 5 ， 图3 6 ， 图3 7 ， 图3 8 ， 图3 9 ， 图3 1 0 ， 图3 1 1 ， 图3 1 2 ， 图3 1 3 ， 图3 1 4 ， 图3 1 5 ， 图3 1 6 ， 图4 1 ， 图4 2 ， 图4 3 ， 图4 4 ， 图4 5 ， 图4 6 ， 图5 1 ， 图5 2 ， 图5 3 ， 图5 4 ， 图5 5 ， 图5 6 ， 图目录 液晶显示系统1 0 s t n 屏时序岬j 1 3 t f t 屏时序i ”j 1 4 l c d 控制同m c u 交互机制1 5 l c d 控制器工作过程1 8 l c d 控制器接口2 0 l c d 控制器结构3 2 t f t 行扫描示意图3 6 t f t 帧扫描示意图3 6 s t n 行扫描和帧扫描示意图【棚3 7 l c d 控制器内部数据流图3 8 l c d 面板像素顺序示意图3 9 总线从模块接口4 3 总线从模块结构一4 5 中断发生逻辑图4 7 总线主模块接口4 8 总线主模块结构一5 0 显存地址计算逻辑结构一5 2 图像数据处理模块接口一5 4 图像输出时钟产生模块接口6 2 输出缓存子模块结构【6 6 l 一6 5 亚稳态原理f 6 6 j 6 6 同步器设计6 7 地址产生和标志产生逻辑【6 8 t f t 行扫描时间参数示意图 6 7 】6 9 t f t 场扫描时间参数示意图【6 7 1 7 0 s t n 行扫描时间参数示意图7 1 s t n 帧扫描时间参数示意图7 2 典型帧频控制算法原理7 5 典型帧频调制算法框图一7 6 典型帧频调制算法问题7 7 空间扩展一7 7 空间扩展帧频控制算法框图一8 0 基准图形8 1 验证测试流程一8 2 软件验证平台8 3 总线从模块仿真时序8 5 总线主模块仿真时序8 5 图像输出时序产生模块仿真时序一8 6 f p g a 测试平台8 7 第6 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器t p 设计研究 图5 7 ，t f t 型l c d 测试实物图 图5 8 ，s t n 型l c d 测试实物图 第7 页 8 8 8 8 浙江大学硕士学位论文l c d 控制器口设计研究 表目录 表2 1 ，顶层c l k & r s t 接口定义 表2 2 ，顶层s l a v e 总线接口定义一 表2 3 ，顶层m a s t e r 总线接口定义 表2 4 ，顶层l c d 接口定义 表2 5 ，v m b a 寄存器位定义 表2 6 ，s i z e 寄存器位定义 表2 7 ，h t i m e 寄存器位定义 表2 8 ，v t i m e 寄存器位定义 表2 9 ，p a l l e t e 寄存器堆位定义 表2 1 0 ，s t a t 寄存器位定义 表2 1 1 ，c t r l 寄存器位定义 表2 1 2 ，总线主模块所支持的b u r s t 模式 表2 1 3 ，总线从模块支持的b u r s t 模式 表2 1 4 ，图像数据处理模块数据流 表2 1 5 ，l c d 控制器输入数据格式一 表2 1 6 ，l c d 控制器中间数据格式 表2 1 7 ，l c d 控制器输出数据格式 表2 1 8 ，调色板数据格式 表3 1 ，l c d 控制器输入数据格式 表3 2 ，l c d 控制器中间数据格式 表4 1 ，时间混色序列 表4 2 ，空间扩展f r c 映射 表4 3 ，空间扩展f r c 算法 表4 4 ，f r c 算法性能比较( 分辨率为3 2 0 x 2 4 0 ) 第8 页 m鸵躬”筋拍拍”勰勰凹弱弭m强加甜驼卯；。为为趴 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器i p 设计研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着微电子制造工艺的不断进步，集成电路已经进入深亚微米级，可制造的 芯片特征尺寸从原来的0 1 8 u m ，0 1 3 u m ，已经发展到0 0 9 u m 甚至更小，单块 芯片上可集成的电路门数也以达到数百万门量级。制造工艺的进步，单芯片规模 的增大，使得目前的集成电路设计，具各了由单模块单芯片集成向全系统单芯片 集成发展的条件。目前的集成电路设计，已经进入了系统级芯片( s o c ，s y s t e m o nac h i p ) 时代。s o c 是指在一块芯片上集成了数字和模拟逻辑部件，包含微控 制器( m c u ，m i c r oc o n t r o lu n i t ) 或者数字信号处理器( d s p ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) ，总线，存储器，输入，输出( i 0 ，i n p u t o u t p u t ) 接口，电源管理 ( p o w e rm a n a g e m e n t ) 和锁相环( p l l ，p h a s el o c k i n gl o o p ) ，模数，数模 ( a d d a ，a n a l o g d i g i t a l ，d i g i t a l a n a l o g ) 转换器等功能单元，能够独立的完成 信号采集，存储，处理，输入输出等功能的一种设计理念。s o c 是面向嵌入式系 统应用的设计，集软硬件系统于一身，以最小的尺寸完成最多的任务的集成电路 器件。s o c 设计是基于l p 的设计，其核心理念就是利用可重用模块以缩短系统 级芯片的开发时间，缓解设计能力与l c 制造的矛盾，降低产品开发的成本。高效 高集成度的s o c 设计要求可重用高性能i p 库的支持。【1 2 ，3 4 6 吲 s o c 芯片广泛应用于p d a ，手机等3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o na n d c o n s u m e r ) 产品中，正成为市场的主流。在这些应用中，液晶显示技术以其平 板化、高分辨率、高对比度、无电磁辐射、低功耗、数字式接口、易集成和轻巧 便携等特点成为其显示部件的不二选择，有着非常广泛的市场前景。使用l c d 需要个专门的硬件控制模块，负责读取显示数据，进行格式转换，按l c d 面扳 类型输出控制和显示数据，以将微控制器从这样的繁琐单一的存储器处理工作中 解放出来，执行主要的控制操作。许多嵌入式微处理器s o c 都集成了l c d 控制 模块，如m o t o r o l a 的龙珠系列微处理器m c 9 3 2 8 m x l ，t l 的0 m a p 5 9 1 0 ，i n t e l 的s t r o n g a r m s a l l l 0 等。【8 9 1 0 1 1 】 第9 页 浙江大学硕士学位论文l c d 控制器i p 设计研究 基于r 述考虑，s o c 设计中，需要一个专门的支持各种类型和大小l c d 屏 的控制模块，以有效满足各种实际应用需求，把m c u 从繁琐的数据处理中解放 出来，从而极大地优化系统性能。 1 2 研究内容及目标 1 2 1 典型的液晶显示系统结构 典型的液晶显示应用系统包括如下几个部件：液晶显示器，液晶控制器，总 线，m c u ，显示存储器，如图1 1 所示。其中，方框内的4 个部件一般集成在 片上系统芯片巾实现，液晶显示器| 司控制器通过数字接口相连，接受其控制，得 到显示数据。 图1 1 ，液晶显示系统 液晶显示器是系统的人机交互接口，随着移动信息终端产品市场的迅速扩 大，作为人机视频界面的甲板显示器件展现出良好的市场前景。液品显示器更是 以其低工作电压、低功耗、显示效果好、易集成和轻巧便携等特点率先进八市场 并不断拓宽其应用领域，广泛应用于手机、p d a 、r - 持式仪器仪表等便携式电子 产品和堤各中。【1 2 1 3 】 液晶显示器一般自带了专用的液晶显示驱动器。液晶碌示挡制器负责接受外 部控制发送过来的数字控制信弓，并将其转化为驱动液晶显示屏显示正确数据的 第1 0 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器i p 设计研究 模拟驱动信号。l c d 显示驱动方法有很多种，常用的有静态驱动法和动态驱动法。 静态驱动是指所有的段都有独立的驱动电路，表示段电极与公共电极之间连续施 加电压。它适合于简单控制的l c d 。当显示像素众多时，若使用静态驱动法将会 产生众多的引脚以及庞大的驱动电路，实现起来有困难，因此常用动态驱动法。 动态驱动法就是采用逐行、循环地给行电极旋加选择脉冲，同时所有的列电极给 出该行像素对应的选择或非选择脉冲，从而实现一行所有显示像素的驱动，循环 一次称为一帧。这种扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得显示屏上呈现 稳定的图象效果。一般来说，驱动器完成下面两个基本功能：1 ) 生成控制信号。 根据动态驱动的特点，显示与否是由外部数字控制电路输入的，驱动器需要根据 动态驱动时序，接受并存储外部控制信号，将其转换为内部需要的控制信号，然 后输出给电压转换电路。2 ) 完成交流驱动。液晶显示必须受交流脉冲信号控制 的电压转换电路，能产生所需的工作电压，直接驱动液晶电极。m 住1 6 _ 仃】 总线是片上系统之间交互数据的互连结构，s o c 设计需要专门的片内总线。 片内总线作为集成系统的互连结构，可以把各个功能模块互连起来，为整个系统 解决功能模块问的相互通信问题，包括数据格式、通信联络、时序、协议等方面， 从而为设计人员免去相当大的精力去考虑如何将自己设计的功能模块和其它功能 模块连接起来，使得模块集成起来更加方便。同时基于片上总线的测试平台为i p 的验证带来了新的机遇，通过片上总线执行静态时序分析和功能验证可以大大减 轻设计任务。 m c u 是整个系统的核心，负责整个系统包括对液晶显示控制器的配置，同 时处理生成需要被显示的数据保存在显示存储器中，为控制器提供原始的显示数 据。在系统初始化时，m c u 负责根据软件的需要，和液晶显示器的类型配置显 示控制器，待配置完成后启动显示控制器开始显示图像。在显示过程中，m c u 负责接受处理控制器发出的中断信号，检查中断类型，并作出相应的处理。典型 的中断类型包括总线数据传输速率和控制器处理速率不匹配，控制器处理速率同 控制器输出速率不匹配，一帧图像显示完成这几种，m c u 需要针对不同的类型 修改控制器的配置值，液晶显示器的动态图像显示也是通过中断和m c u 中断处 理实现的。 第1 l 页 浙江大学硕士学位论文l c d 控制器i p 设计研究 显示存储器用来保存待显示的原始图像。m c u 将原始的不同格式的图片文 件从数据存储器中读出，将其转换格式保存为符合控制器处理格式的显示数据， 将其保存在显示存储器当中，并且设置控制器配置寄存器指明显示数据保存的基 地址，控制器将读取这一部分显存内容然后将其按照l c d 时序和数字格式发送出 去。 l c d 控制器即是我们要设计的部分，负责接受m c u 的配置，通过总线把显 示存储器上保存的显示数据读出，然后按照l c d 屏类型和显示设置转换为需要的 格式，并按照屏时序要求发送出去。根据前面对整个系统的描述，在设计l c d 显示控制器时，有如下几个方面需要注意：支持的l c d 屏类型，总线类型的选择， 同m c u 之间的交互方式，动态图像显示和中断设计。 1 2 2 总线的选择 多家公司为s o c 设计开发出了各自的总线协议，如a r m 公司的a m b a 总线， i b m 公司提出的c o r e c o n n e c t 总线，p a l m c h i p 的c o r e f r a m e 总线，i d t 公司的 i p b u s 总线，s o n i c s 公司的s i l i c o n b a c k p l a n e ，o p e n c o r e s 组织提出的 w i s h b o n e 总线等等。众多总线标准中，作为著名r i s c 处理器a rm 的设计 公司arm 公司提出的a m b a 总线由于其强灵活性，低功耗，高性能，易扩展 等优点，并随着a r m 系列内核在嵌入式通信产品市场的大量应用，受广大开发 商和系统集成者的青睐，使得它成为一种流行的工业标准片内总线结构，已经成为 事实上嵌入式应用的行业总线标准。基于s o c 应用的i p 设计，支持a m b a 总线 可以得到更广泛的应用。【1 8 19 2 0 川l a m b a 总线规范包含两级总线a m b a a h b 系统总线和a m b a a p b 外围总 线。系统总线采用地址，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，支持多个主设备的总线管理，具有高带宽、高性能特性、适合于嵌入式处理 器与高性能外围设备，片内存储器及接口功能单元的连接。通用外围设备驻留在 低速的a p b 外围总线上。外围总线通过总线桥与系统总线相连，有助于降低系统 第1 2 页 浙江大学硕士学位论文l c d 控制器i p 设计研究 功耗和设计复杂性。此外总线支持静态时序分析及友好的测试插入。【2 2 3 】 根据我们所需要设计的l c d 显示控制器应用特点，应该采用a m b a 总线协 议以保证其可重用性，i p 挂在a h b 高速系统总线上以保证高数据带宽。 1 2 3 支持的显示屏类型 常见的液晶显示器按物理结构分为四种：1 扭曲向列型( t n - - t w i s t e d n e m a t i c ) ；2 超扭曲向列型( s t n - - s u p e r t n ) ；3 双层超扭曲向列型( d s t n - - d u a l s c a n t o r t u o s i t yn o m o g r a p h ) ；4 薄膜晶体管型( t f t t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 。前 三种类型在名称上只有细微的差别，说明它们的显示原理具有很多共性。不同之 处是液晶分予的扭曲角度各异。第四种t f t 是现在最为常用的类型。t f t 是指液 晶显示器上的每一液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。t f t 液晶显 示器具有屏幕反应速度快，对比度好、亮度高，可视角度大，色彩丰富等特点， 并克服了d s t n 液晶显示器固有的一些弱点，比其他三种类型更具优势。目前在 市场上得到广泛应用的是s t n 型t f t 型两种l c d 面板。【1 4 住1 6 1 7 】 s t n 型和t f t 型l c d 面板在输入控制时序和数据格式上大体相同，但是细 节上又各具特点，如图1 2 ，图1 3 所示： 图1 2 ，s t n 屏时序 第1 3 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器i p 设计研究 图1 - 3 ，t f t 屏时序 观察两图可知，两种屏在控制时序上异同具体表现在： 1 ) 均为动态驱动，逐行扫描的方式。控制数据输出以行为单位，没行初始有 一个行同步信号指明上一行的结束，新的一行数据的开始，之后是一连串 的控制数据输出。每一帧的开始有一个帧同步信号，持序若干行的时间， 之后是一帧数据的输出。显示数据伴随着输出控制时钟输出，l c d 屏以 输出时钟为驱动时钟读入显示数据。 2 ) 输出控制时钟( l c d c l k ) 有不同。t f t 型一直输出控制时钟，而s t n 型只在输出有效显示数据时才输出控制时钟。 3 1 一帧数据显示的具体过程不同。t f t 型帧显示时序类似于行显示时序， 每帧的开始是若干行的帧同步信号，这过程中不输出显示数据，然后是一 段时间的空等待行，之后是有效数据输出行，待所有行输出完毕之后再是 若干空等待行，历经四个过程一帧显示完毕，如此循环。而s t n 型则不 同，只有三个过程。首先帧同步信号或者称为首行标志( f l m ) 信号置位 一行的时间，期间输出有效的第一行显示数据，然后是后面其他的有效显 示行，期间f l m 不置位。所有有效显示行输出完毕，空等待若干行，再 进入下一帧的显示周期，f l m 被置位，同时输出下一帧的第一行。 第1 4 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器i p 设计研究 4 ) 控制信号不同。t f t 型需要输出使能( o e n ) 信号以标志有效显示数据 的输出，而s t n 则没有这一个信号。可以认为t f t 型的输出控制时钟 l c d c l k 和输出使能o e n 信号两个结合起来完成了s t n 输出控制时钟 l p 同样的功能。 5 ) 输出显示数据格式不同。$ t n 型输出时每个象素需要3 b i t 显示数据，一 个输出时钟输出8 3 个象素的数据，而t f t 型每个象素需要的显示数据 由屏接口决定，每个输出时钟输出一个象素的显示数据。 由上述分析，在设计l c d 显示控制器时，需要支持两种显示器类型，要注意 两者输出控制信号和显示数据的不同。 1 2 4 同m c u 的交互方式及中断机制 l c d 控制器是一个典型的i o 设备接口，它同m c u 之间通过配置寄存器和 中断来实现交互。如图1 4 所示： 图1 4 ，l c d 控制同m c u 交互机制 系统开始启动时，m c u 通过总线写l c d 控制器配置寄存器组，设定l c d 屏类型，显示图像颜色深度，显示屏大小，输出控制信号电平模式，显示图像在 显示存储器中的基地址，然后启动l c d 控制寄存器。系统运行过程中，l c d 控 第1 5 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器口设计研究 制内部中断检查逻辑观察显示过程，一旦发现问题，通过中断信号线向m c u 发 送中断请求，同时根据中断类型将l c d 状态寄存器中相应的位置位。m c u 检测 到中断信号后读取l c d 控制器状态寄存器，检查中断类型，并做出相应的处理。 1 2 5 设计目标 根据上述分析，提出如下设计目标 可提供的l p 类型：软核或固核 功能： - 为s o c 系统提供控制外部l c d 显示屏的i p 模块。连接在a m b a a h b 总线上，不断读取显示存取器，产生外部需要的控制和显示信号。 _ 本l c d 控制器可以支持黑白，灰度，彩色无源点阵( s t n ) 和有源彩 色( t f t ) l c d 屏。其主要技术特征如下： 支持彩色，灰度，黑白l c d 屏 支持s t n 厂r f tl c d 屏 对s t n 屏，支持的颜色深度为l b p p 、2 b p p 、4 b p p 、8 b p p 、1 2 b p p 对t f t 屏，支持的颜色深度为4 b p p 、8 b p p 、1 2 b p p 、1 6 b p p 、 2 4 b p p 最高支持屏幕大小为1 0 2 4 1 0 2 4 内置2 4 b i t 2 5 6 e n t r y 的调色板 内置的防抖动防闪烁模块使得s t n 屏显示时更为清晰 专用的d m a 直接从系统显存中读取显示数据，保证l c d 控制器 更大的带宽 应用：基于a m b a 总线的s o c 设计均可使用本f p 。 第1 6 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器口设计研究 1 3 问题与难点 在设计过程中，预计可能会遇到如下的问题 1 ) 多时钟域的设计。l c d 控制器要涉及到两个异步时钟，总线时钟及l c d 时钟，两个时钟域之间存在大量的控制信号和数据交换。设计过程中必须 小心仔细的对待异步多时钟设计中可能出现的亚稳态，时钟频率差异，异 步控制或数据信号传输的问题，否则设计就会失败，得到一个不稳定的错 误的设计。 2 ) 设计的验证。l c d 控制器验证的问题集中在两个方面。其一是由于它是 一个挂在a m b a 总线上的i p ，验证过程中对总线行为的验证需要一个功 能完整的，可灵活配置的，自动化程度高的验证平台，基于a m b a 总线 的自动验证平台的搭建可能是一个复杂耗时的任务。其二，l c d 控制工 作过程中需要处理大量的显示数据，不同的显示格式和显示时序导致了海 量的数据处理，对这部分行为正确性的检查显然不能手工完成，必须建立 一个自动可配置的自动验证平台。 对上述两个问题，前人已经做了大量的工作，在设计过程中，需要广泛的利 用前人工作的成果，并在对本设计仔细分析的基础上，提出个人的见解，解决可 能遇到的问题。 第1 7 页 浙江大学硕士学位论文l c d 控制器i p 设计研究 第二章结构设计及模块划分 2 1l c d 控制器的工作原理 l c d 控制器是嵌入式系统硬件结构的显示控制模块。在系统开始工作时，接 收m c u 的配置，指定液晶显示屏类型，大小，时钟参数，以及显示颜色深度， 原始显示数据首地址等相关参数。之后，m c u 使能l c d 控制器，控制器主动的 发出总线读请求，根据设定，从显示图像首地址依次读取数据，缓存在第一级 b u f f e r 中。读取得到的数据经控制器内部处理，按照设定的显示屏类型和时钟参 数，以正确的时序发送给l c d 显示屏。阱2 5 ，2 62 7 2 & 2 9 】 当一幅图像显示完毕，控制器向m c u 发出图像显示完成中断。m c u 检查到 中断请求，可通过修改配置寄存器中的显示图像首地址位选择是否更改显示内容， 以此机制来完成动态图像显示。需要注意的是，对t f t 屏而言，一帧即可显示完 一幅图像，对s t n 屏，则需要至少7 帧才能令肉眼识别完一幅图，具体可通过 配置寄存器设定。 图2 1 说明了l c d 控制器的工作过程。 t * 懒溉一 l i 萤“靴辩 3 蛰啦趣瓣$ 肆。 7 氡￥灞黧箍础 m c u s l a v e ， 接翻 广 输出 a h b a鑫线 嗣# 麓酬髓 e e d 一 i i 蔫q 博瓣 舷雠“l 接渤* 。毒_ 】鹾m i 翱 照存 5 凄避黔。 接鞠酗拄椭 艇燃 图2 1 ，l c d 控制器工作过程 第1 8 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器t p 设计研究 2 2 顶层接口定义 2 2 1 顶层接口框图 l c d 控制器是嵌入式系统的一个很重要的i p ，显示数据流需要占用非常大的 系统带宽，且不可被打断。经处理过的显示数据及l c d 显示屏驱动电路控制信号 按照显示屏要求的时序发送出去，在l c d 屏上形成图像。 控制器内逻辑工作在两个时钟域内：总线时钟及l c d 输出时钟。总线接口， 显示数据输入及处理转换均工作在总线时钟域内。经过处理的数据被缓存在输出 数据f i f o 中，l c d 输出控制逻辑由l c d 输出时钟作为同步信号读出该数据并 发出l c d 显示屏控制信号。此部分逻辑工作在l c d 输出时钟域内。l c d 输出时 钟频率必须是可配置的。这是因为不同厂家，不同型号的l c d 显示屏对工作时钟 有不同的要求，一个功能完善的l c d 控制器必须支持可配置的输出l c d 时钟。 为此，l c d 控制器需要支持对l c d 时钟的可配置分频。出于对s o c 的d f t 等 方面的考虑，设计将时钟分频逻辑移出到顶层时钟控制单元中去，i p 本身提供一 个对外设定分频数及接收l c d 输出时钟的接1 ：2 1 。3 1 3 2 3 3 ，3 4 3 5 t3 6 】 根据l c d 控制器的工作原理及特点，控制器挂在a m b a a h b 总线上，其顶 层接v 1 包括s l a v e 输入输出接口，m a s t e r 输入输出接口，l c d 输出数据接口， 以及l c d 输出时钟接口。l c d 控制器m a s t e r 对总线读写请求有最高的优先级。 l c d 控制器接口如图2 2 所示。 第1 9 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器p 设计研究 蒸；。”。2 “鞭篓i i ，u $ 1 k 7， 矧z ， 一； ； ；盹甜 ； * 鏊鬻i i 纛露霹 。一l c 出。l c 乱括c l k - - q b u s l 随。a d d t 阻l ；o p p 釜i i 溪鳞m _ 、m i ib u # l e 地w r k * + 塑蘩| | | | 黧黼+也船晚舾蚴*篓鳞鏊黧鬻 j 扎i c d c _ i 哪5 【i ：o 】叫_ - i j j 口d u i z e 弛0 卜 霾簇4 8 瓣一| | ； 冀 一b 杜sl 融eb m t 2 ：铷十 州，一j 删e k 哇s ”棼一一 一i 。卸k i 豳。w d a t a l ：o 】 i _ b 堪k 秘日t 脚 0 - k d 屯l 神一o h _ ib u sk 如r e m ：l y * - - - - 一札屯l 蛹t 托啦阻o l 啼 。- oi c d c _ i c d _ i d a t a 2 3 ；0 1 b j 目凳_ _ _ | ；硒崩 - b 璐一k 如m d 船 3 1 ：j 0 | 一豢翻囔囊 i “4 i 。 “；? 誊 l o d # j j 封 v _ l c f l ce l k g g n _ p , c l k d i v 7 ：0 髭鬻i iil “j i 岬l l 曲一b i l 蔓一嘣pt l ：闭一戮鬻。黼 誊溯黛：；辫| | | i ；黼i o j d c 。妇咖【3 1 ：0 - - 一l i 弗“ t i 一：1 【 l c h i cb u $ b u s r e , ； “l i l | | _ 器“。 h l 嘛粒j u a l ， ，l 婀， _ l c d t b 囊；【l ：o 】叠 嘲a d c 。嘶s ；。列d ri 3i ：训一 | | ；| “ _ 。一i 噼c 姆s w “l e 灏； ”聪： 州砌屯b 撕j 妇e 2 ：o 】 刈c d 屯b i i s j q r 札 2 ：0 1 一 噩臻、戮鲻。黯 bk d eb u sw d a 毓晴l ：0 一 瓣i | j 骊嬲i 图2 2 ，l c d 控制器接口 2 2 2 顶层接口协议 采用a m b a 2 0 协议，a h b 总线设备，带有一个s l a v e 接口和m a s t e r 接口， 作为m a s t e r 设备应该对a h b 总线拥有最高优先级。 c p u 接口：l c d 控制器相对c p u 而言是一个从设备。c p u 经过总线写 l c d 控制器配置寄存器实现控制。 m e m o r y 接口：l c d 控制器相对显示存储器而言是一个主设备。l c d 控制 器经过总线向显存发出读请求，不断读取所需要的显示数据。注意l c d 控制器不会向显存进行写操作。 总线规格： 第2 0 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器i p 设计研究 一l c d 控制器s l a v e 模块支持s i n g l e 方式的读写，支持对调色板寄存器 的b u r s t 方式写，不支持对调色板寄存器的读行为( 读调色板寄存器总 是得到0 ) 。l c d 控制器s l a v e 模块只支持3 2 b i t 方式的读写，其他位 宽的读写均返回一个e r r o r 。l c d 控制器s l a v e 模块支持b u s y 方式 操作，不支持位保护方式读写。 _ l c d 控制器m a s t e r 模块按照配置寄存器的设置读显存。l c d 控制器 m a s t e r 可配置为s i n g t e ，4b e a ti n c r e a s e ，8 b e a ti n c r e a s e ，1 6b e a t i n c r e a s e 或者3 2b e a ti n c r e a s e 方式读显存。l c d 控制器m a s t e r 总 是按3 2 位位宽读显存。l c d 控制器m a s t e r 不支持e b t ( e a r l y b u r s t r e - r m i n a t i o n ) ，总线寄存器应该将l c d 控制器m a s t e r 优先 级设为最高以保证l c d 控制器有足够的带宽得到显示数据。l c d 控制 器m a s t e r 不支持显存返回r e t r y 或者s p l i t ，显存自身也不应该有这样 的行为。 中断接口：l c d 控制器可能出现三种中断，通过一位中断请求信号障 m c u 发出中断请求。m c u 开始中断处理时，通过读取l c d 控制器s t a t 配置寄 存器位值得到中断信息。 d m a 接口：l c d 控制器m a s t e r 模块可认为是一个自带的d m a ，不需要 再从d m a 控制器再分一个d m a 通道。 2 2 3 顶层接口信号 顶层接口定义细节如表格2 1 ，表格2 2 ，表格2 3 及表格2 4 所示 表2 1 ，顶层d k & r s t 接口定义 c i k r s t 信号定义及说明 b u 钆c l k ， b u sc l o c k ， 总线时钟 a s y n _ r s t n ， 异步r e s e t ， l c d 控制器内部完全使用异步r e s e t ，由c l k r s tg e n e r a t o r 产生，低电平使能 【i c dc l k ， l c dc l o c k ( 即l s c l k ) 第2 l 页 浙江大学硕士学位论文l c d 控制器设计研究 用于从l c d 控制器输出数据到l c d ，由c l k & r s tg e n e r a t o r 产生。 o _ l c d c _ c l k g e n p c l k d i v 7 ：0 ， l c dc l o c k 分频数， 由c p u 写入l c d 控制器的r e g ，再直接送给 c l o c kg e n e r a t o r ，产生i c d c l k 信号。 表2 2 ，顶层s l a v e 总线接口定义 l c d 控制器s 吣，e 与定义及说明 a m b a 接口信号 l b u s i c d c s e l t ， a h bs l a v es e l e c ts i g n a l = 1 ，l c d 控制器s l a v e 被选中。 = o ，l c d 控制器s l a v e 未被选中。 i b u si c d ca d d r 3 1 ：0 】， a d d r e s st os l a v e 对l c d 控制器s l a v e 进行读写操作的地址。 i b u s i c d c w r i t e ， w r i t ee n a b l e = 1 对l c d 控制器s l a v e 进行w r i t e 操作； = 0 ，对l c d 控制器s l a v e 进行r e a d 操作。 l b u s i c d ct r a n s 1 ：0 】， t r a n s f e rt y p e = 0 0 i d l e = 0 1 ，b u s y = 10 n o n s e q = 1 1 s e q i - b u si c d cs i z e 2 ：0 ， t r a n s f e rs i z e = 0 0 0 。8 b i t = 0 0 1 1 6 b i t = 0 1 0 ，3 2 b i t = 0 1 1 。6 4 b i t = 1 0 0 1 2 8 b i t = 1 0 1 2 5 6 b i t = 11 0 5 1 2 b i t = 1 1 1 1 0 2 4 b i t i _ b u si c d c _ b u r s t 2 ：0 1 ， b u r s tt y p e = 0 0 0 s i n g l e = 0 0 1 ，i n c r = 0 1 0 ，w r a p 4 = 0 1 1 1 n c r 4 = 1 0 0 w r a p 8 = 1 0 1 1 n c r 8 = 1 1 0 w r a p l 6 = 1 1 1 ，l n c r l 6 第2 2 页 浙江大学硕士学位论文 l c d 控制器i p 设计研究 i b u s i c d cw d a t a 3 1 ：