嵌入式产品离不开显示，比如示波器显示一些波形啦，手环显示一些健康参数啦。这个时候就需要LCD屏幕以及其驱动器。
LCD工作原理
LCD是“Liquid Crystal Display”的缩写，中文翻译为“液晶显示器”。每个像素点，由RGB三种原色组成，通过控制RGB三原色不同的配比来生成任意颜色。那么问题来了怎么控制一个像素点的一个原色（R或G或B）的亮度呢？顾名思义就是利用LCD液晶材质的光电特性。
LCD的一个像素
如上图，LCD由背光层，垂直偏光片，正极电路，液晶层，负极电路，水平偏光片，彩色滤光片组成。这里会涉及到光的偏振方向问题，是偏振方向，不是光的照射方向，涉及到光学原理。简单理解下：垂直偏光板能通过垂直光（偏振角度为90度），但无法通过水平偏光（偏振角度为零）。水平偏光片偏光板能通过水平光，但是无法通过垂直光。
光源发出的光是各种颜色，然后先经过垂直偏光板滤出垂直光，然后垂直光经过水平偏光板直接滤出的话就没了，变成了合适。这个时候神奇的地方就来了，在垂直和水平偏光板之间加了层液晶，它可以改变光的偏振方向，使得过来的垂直光变成60度或30度偏振光，这样这些光就可以穿过后面的水平偏光片了，不至于显示黑色。通过在正负电路之间施加不同的电压，使得液晶分子的排列不同，进而使得其对光角度的影响发生变化，最终达到控制光线强弱的效果。
OLED的一个像素
相比之下OLED工作原理则简单粗暴，如上图，每个像素直接由RGB三种颜色的发光二极管组成，直接控制发光二极管的亮度，生成不同颜色。虽然原理简单，但其优点颇多(1) OLED没有背光板，并且每个像素都可以独立控制，因此我们可以以低功耗的形式进行局部区域的刷新，比如手机的时钟。(2)相对于LCD其黑色就是纯黑色，对比度非常高。(3) 刷新速率非常快，不会出现残影。(4) 可以做的更薄。
LCD驱动架构
前面我们已经知道一个像素的工作原理了，那么把像素排列成矩阵就构成了LCD屏幕，是不是跟内存很像，内存的本质也是位矩阵。就像CPU要访问内存一样，给出一个地址，地址译码器把它转化成行和列选通信号。LCD阵列同样也需要行列选通信号。行列选通信号太底层，我们需要进一步进行封装和抽象，衍生出lvds/rgb/MCU-8080等接口。这些接口定义不同，应用场景，速率以及支持的分辨率都不一样。这个封装和抽象的任务是由液晶驱动IC来完成的，也就是说这些接口是液晶驱动IC提供的。
DPI接口
DBI接口（MCU接口）
例如，SSD1306则只提供了MCU接口。ILI9341和ST7789则既提供了MCU接口和又提供了RGB接口，ILI9488更为强大可以提供MCU接口，RGB接口。
MCU接口与RGB/lvds/等底层接口相比其抽象层次更高，也就是说它提供了更完备的功能。驱动IC芯片内自带显存，我们只需要通过8080并口或spi串口往驱动IC里发命令和数据就行，命令指示了在哪里显示，数据则指示了显示的颜色，这样就可以节约mcu的资源用来做其他事情。通常显存较小，适用于低分辨率，低刷新速率的场景。而rgb/lvds一般都是与高端芯片进行连接，这些芯片内部自带LCD控制器，LCD控制器在内存中开辟显存，可以结合图形加速器提高显示性能(比如stm32的H7系列高端芯片,s3c2440,rk3588,imx6ull)，适用于高分辨率，高刷新率场景。也就是这些LCD控制器对内接收CPU的绘图指令，对外输出lvds/RGB等底层信号。
在MCU开发过程中主要用到的就是上述接口，然后还有edp,mipi-dsi,hdmi等接口是更加高端的接口，用于电脑，智能手机领域，这里我不做研究。
LCD模块（LCM）
如上图所示，我们买到的通常是LCM(LCD Module)即LCD模组。其包含了液晶显示器(LCD),控制驱动芯片，PCB板，背光源，结构件以及连接器等诸多部件装配在一起的组件，甚至连触摸芯片也内置了。这样就节省了我们大量的时间了，但这同时也阻碍了我们对底层原理的理解。
LCD接口
RGB接口（TTL电平）
LCD像素扫描过程
如上图所示，LCD显示一帧图像时是一个像素一个像素地刷新的，从左上角开始一直到右下角。因此，就必然有信号控制每个像素的刷新速度，换行信号，以及这一帧结束下一帧率开始的信号，这些信号如下：
RGB接口信号线
(1) 垂直同步信号， VSYNC (Vertical Sync)：指示显示器开始新一帧的绘制。每当 VSYNC 信号的到来时，显示器会清空当前图像并准备绘制新的一帧。
(2) 水平同步信号 HSYNC (Horizontal Sync)：指示显示器开始绘制新的一行。当 HSYNC 信号到来时，显示器会开始从左到右绘制当前行的像素。
(3) 定点时钟信号PCLK (pixel Clock)：控制像素数据的传输速率。
(4) 数据信号线 DATA bus：用于传输像素颜色数据。
(5) 数据使能信号 DE：指示像素颜色数据的有效性。
接口时序图
如上图所示有垂直上三个时间VSPW,VBPD,VFPD。
VSPW (Vertical Sync Pulse Width)：垂直同步脉冲的宽度，即垂直同步信号高电平持续的时间。
VBPD (Vertical Back Porch Duration)：VBPD 是垂直后沿时间，即在垂直同步脉冲结束后，显示器在开始显示新的帧之前的时间（此时间用于等待电子枪移动）。
VFPD (Vertical Front Porch Duration)：垂直前沿时间，即在垂直回扫结束后，显示器开始显示新帧之前的空闲时间（此时间用于等待显示稳定和消隐）。
同样在水平方向上也有三个时间：HSP,HBP,HFP。定义的话也是对称的：
HSPW (Vertical Sync Pulse Width)：垂直同步脉冲的宽度，即垂直同步信号高电平持续的时间。
HBPD (Vertical Back Porch Duration)：VBPD 是水平后沿时间，即在垂直同步脉冲结束后，显示器在开始显示有效数据之前的时间（等待电子枪移动)。
HFPD (Vertical Front Porch Duration)：水平前沿时间，即在垂直回扫结束后，显示器开始显示新帧之前的空闲时间（等待显示稳定和消隐)。
个人认为水平前沿时间（HFP），是为了等待一段时间，让本行显示稳定，然后再开始下一行的显示，不然可能会出现显示的闪烁。然后垂直前沿时间(VFP)是为了让这一帧显示稳定并消隐后，再开始一帧的显示，否则就会出现显示的撕裂。其实等待电子枪移动的时间是不需要的，使用数字电路译码器可以快速选通某个像素点，这些名字时间的存在是为了兼容以前的CRT显示器。
用RCT理解LCD时序参数
为了更好地理解后延时间，我们先假设没有后延时间（HBP,VBP）。上图把LCD驱动器IC比喻成电子枪，LCD控制器使用RGB接口控制这个电子枪。控制器从显存中拿像素数据传给电子枪,电子枪负责往屏幕上发射像素。成像过程如下：①LCD控制器发出VSYNC信号告诉电子枪，要开始新的一帧了，这时电子枪开始把枪头调转到LCD屏幕的左上角。②与此同时，LCD控制器发出HSYNC信号(告诉电子枪新行开始, 从左向右动发射子弹吧)。但是由于电子枪接收到VSYNC信号后需要一定的扭转反应时间，这大概需要几个HSYNC信号周期的时间。因此在上图的时间窗口上方出现了无效区。③当第一行扫描结束时，LCD控制器又发出HSYNC信号，但电子枪枪头扭转到下一行新行也需要时间，大概需要几个像素周期。所以出现左边的无效区。④循环这三个过程，就会形成带有无效数据的环形时间窗口。 加入后沿时间（VBP和HBP）就可以解决上述问题。
总而言之，前沿时间（VFP,HFP）是针对液晶分子的惯性（液晶分子偏振方向的改变需要时间/等待显示稳定或消隐）所加的时间；后延时间是针对电子枪的移动需要时间。
RGB时序接口可以分为三种模式：(DE模式，SYNC模式，DE+SYNC模式)，其区别在于是否使用DE信号，使用DE进行有效像素的筛选，控制更为灵活，但控制难度也大。
LVDS接口（低压差分电平）
LVDS采用低压差分技术克服了TTL接口在高码率数据时功耗大、电磁干扰大的缺点。其传输的信号与RGB接口的本质是一样的，传输颜色信号，垂直同步信号，水平同步信号，只不过是把TTL电平改成了低压差分信号，优化了传输。说明白点就是低压节省了功耗，差分抵抗了干扰，串行节省了线数。
LVDS接口示意图
如图，LVDS接口电路包括两部分，即主板侧的LVDS输出接口电路（LVDS发送端）和液晶面板侧的LVDS输入接口电路（LVDS接收器）。发送端负责把RGB信号转化成lvds信，接收端负责把lvds信号转化成RGB信号。那么lvds信号到底长什么样子？
TTL转lvds芯片
上图为lvds发送芯片DS90C387。输入是并行的RGB888信号，在转换芯片的一个时钟周期内，R,G,B数据按位并行传输，总共使用24条数据线和3条同步信号线。输出是串的差分信号，包含10对差分信号，8对用于传输数据（RGB+同步信号），2对用于传输时钟。在芯片的一个工作时钟周期内，每对差分线传输7位数据。那么RGB信号与lvds信号之间又是怎么对应的呢？两种标准：VESA和JEIDA。
如上图，以RGB666信号为例进行说明，在转换芯片的一个时钟周期内，需要传输[18+1+1+1] 21位数据。恰好3个（21/7）差分对就可以完成对这21位数据的传输。同理RGB888的话需要4个差分对（27/7），RGB101010的话需要5个（33/7）。VESA与JEIDA格式相似，不同之处在于RGB的位分布不同。像素时钟信号不编码在串行信号内，它使用额外一条差分对进行传输。
通道指的是一个像素的完整的传输（包括RGB,水平同步，垂直同步，DE）。通常，LVDS 接口的时钟为 20MHz 到 85MHz ，因此对于输出像素时钟低于 85MHz 的信号，只需一个 通道就可以。而对于输出像素时钟高于 85MHZ 的信号，比如 1080P/60HZ 的输出，像素显示时钟为 148.5MHz ，就不能只传输一个通道了，而是将输出的像素按顺序分为奇像素和偶像素，将所有的奇像素用一组差分线传输，所有的偶像素用另外一组差分线传输，也就是两个通道。在芯片的一个时钟周期内传输两个像素，分组并行，提高传输速率。对于像素显示时钟更高的信号，比如 1080P/120HZ 显示，则需要 4 个 通道来传输。当然通道越多所需要的差分对越多，需要转接芯片的性能就更强，常见的分类可以有以下几种：
①单路6bit LVDS：采用单路方式传输，每个基色信号采用6位数据，共18位RGB数据，也称18位或18bit LVDS接口。
②双路6bit LVDS：采用双路方式传输，每个基色信号采用6位数据，其中奇路数据为18位，偶路数据为18位，共36位RGB数据，也称36位或36bit LVDS接口。
③单路8bit LVDS：采用单路方式传输，每个基色信号采用8位数据，共24位RGB数据，也称24位或24bit LVDS接口。
④双路8bit LVDS：采用双路方式传输，每个基色信号采用8位数据，其中奇路数据为24位，偶路数据为24位，共48位RGB数据，也称48位或48bit LVDS接口。
解下来就看看lvds信号的时序图吧，加深理解：
单路18位lvds信号时序
上图中NA表示未使用。控制信号仅有DE（DE模式），未使用行同步信号HS和场同步信号VS。当使用（DE＋同步信号模式时），图中的两个NA更换为场同步信号VS和行同步信号HS。
双路18位lvds信号时序
从图中可以看出，双路6bit LVDS发送芯片数据输出格式与单路6bit LVDS发送芯片数据输出格式是相同的，只不过一路传送奇数像素RGB数据，另工路传送偶数像素RGB数据。OR0、OR1、…中的“O”代表奇数像素，ER0、ER1、…中的“E”代表偶数像素。
MCU接口
LCD模组提供给MCU的接口可以是8080并口，也可以是高速串口SPI。只是通信接口的类型不同，其操作逻辑是相似的，即向LCD模块写指令进行控制（颜色反转，伽马值设置，设置行列地址等命令）。向LCD模块写RGB颜色数据，其控制流程如下：
MCU接口LCD使用流程
下面以ILI9341为例进行描述，不同的芯片在具体接口的具体时序以及命令的定义是不同的，但整体控制思路是相同的。
8080接口
虽然8080微处理器已经被时代逐渐淘汰，但是由于8080的并行总线协议，在扩展方面及数据传输方面的优越性被保留了下来。很多追求高速，近距离的接口和传输方式依然使8080总线，比如CPU扩展外部的RAM和ROM，LCD、打印机等广泛使用。其他的并口包括6800也是并口，与8080相似。下面介绍了8080并口的时序。
8080写时序
8080写周期
如上图为8080接口的时序图，CS为片选信号。RES为复位信号。D/C为命令数据选择信号，低电平表示命令，高电平表示数据。WR是写信号。RD是读信号。D[17:0]是数据信号。在WR的下降沿，CPU写数据到的数据线D[0:15]，在WR的上升沿ILI3941从数据线上读取数据。
8080读时序
8080并口读周期
在RD的下降沿，ILI9341写数据到的数据线D[0:15]，在RD的上升沿CPU从数据线上读取数据。
SPI接口
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步串行通信协议，广泛用于微控制器与各种外设之间的通信，如传感器、存储器、显示器和其他微控制器等。SPI 接口由 Motorola 在 1980 年代提出，并已成为许多设备的标准通信协议。
ILI9341提供了3线SPI和4线SPI，3线SPI提供了：片选CS,数据线SDA, 时钟线SCL。看着怎么这么像IIC，不是的，3线SPI没有复杂的寻址和应答策略。就是片选，然后传命令和数据。4线SPI比三线SPI多了一条D/C数据/命令选择线。因此就导致了连着数据帧格式存在差异，也就是说三线SPI必须把D/C信号作为一个数据位放在数据帧里进行传输，如下图。
3\4线SPI数据帧格式
这与我们常说的3线SPI是半双工，四线SPI是全双工不同。以上两者均为半双工通信，即同一时刻数据的传输方向只能是一个方向。
三线SPI时序图（有间隔）
三线SPI时序图（连续传输）
如上图，在SCL的下降沿CPU给出数据，在上升沿ILI9341进行数据的读取。可以实现连续地写数据/命令或者在数据与数据之间利用CS进行停顿。
Stm32驱动LCD
LCD控制器（LTDC) 驱动 LCD
LTDC介绍
Stm32的高性能（STM32F429/F750/F767/H743/H750）系列提供了LCD控制器,可以直接与RGB接口进行连接，结合DMA2可以大幅度提升LVGL等图形界面库的帧率，真牛X21年的时候我还在用RA8889芯片，没想到如今STM32直接内置了。前面讲了RGB接口的一些时序参数（VBP,VFP,VSW,HBP,HFP,HSW），直接在LTDC的寄存器进行配置就可以了，然后像素时钟直接在时钟控制相关寄存器配置就可以了。这里，我们重点介绍LTDC的强大功能。
Stm32的LCD控制器特性：①支持多种像素格式，RGB888,RGB565，ARGB8888。②支持两个图层,并且两个图层之间可以实现ALPHA混合。③可编程的显示窗口位置。④高达4个可编程中断事件。⑤支持L8、 AL44 和AL88 输入像素格式（即支持索引色）。 ⑥ 可以结合DMA2D实现加速，减轻CPU的负担。
LTDC主框图
如上图。在每个像素时钟的边沿，首先LTDC层从FIFO中检索一个像素数据，其次通过PFC将其转换为内部ARGB8888像素格式。然后将其与背景以及其他图层像素进行混合，汇合后的像素以RGB888格式编码。最后将RGB数据并行地，输出到RGB数据线上，同时也会根据相关寄存器配置生成垂直，水平，DE等控制信号。这样像素便会显示到屏幕上拉。
ATTENTION:每个垂直同步信号到来时，LTDC会不断地读取显存内的内容，并刷新到显示器上（就是说LCD会同步显存与屏幕上的内容，这样我们图像处理和渲染就不能放在显存里，必须再开辟一个存储区域）。
（1）PFC是像素格式转换器，将RGB转化为ARPG。为什么需要转换？因为要混合就必须要有ahpha通道(透明度通道)，如果PFC从FIFI中取得的ARPG像素则不需要转换，直接混合。如果取得的是RGB数据则要添加一个alpha通道，这个alpha通道中的值，在像素空间的任何位置都是一样的。
PFC工作示意图
(2) 抖动单元使用伪随机抖动技术，进行像素深度的转换。其实所谓的伪随机技术就是对像素值的低两位进行舍入（当然通过配置可以是3,或4位）。使得24位深度的像素可以自然地显示在16位的TFT-LCD屏幕上。
(3)然后就是三个时钟域了，AHB用来驱动AHB总线工作，以访问显存。APB用来驱动APB总线工作，以配置控制和状态寄存器。这两个时钟都是在系统初始化的时候配置好的。我们需要配置的就是像素域时钟了，它需要与LCD屏幕的像素时钟相匹配。
2个强大的图层
每层一个 64x32 位的 FIFO，用来缓冲像素数据。LTDC有两个图层，每个层可以单独启用、禁用和配置，显示顺序由下至上，先显示图层1再显示图层2。两个图层之间可以进行混合（叠加），混合功能通过配置alpha值来激活。混合顺序固定，即由下至上。 如下图所示，如果使能了两个层，首先第 1 层将与背景色混合，随后第 2 层与第 1 层和背景的混合颜色结果再次混合。背景颜色可通过LTDC_BCCR寄存器使用RGB888格式进行编程。
ALPHA混合示意图
如上式所示，所谓ahpha混合就是把两层的像素乘以系数再进行求和运算，可以实现两幅图像的叠加效果。若显存设置成RGB格式，则图像中的所有像素共享一个ahpha系数。若显存设置成ARGB格式，alpha通道自带透明度信息，每个像素点所乘的系数由alpha通道指示。
窗口显示
并且每个图层都可以进行灵活的窗口位置和尺寸配置。可以显示完整图像或仅显示图像帧的一部分。
显存的配置
最后两个图层显存（帧缓冲区）所在位置也可以灵活的配置，每个图层都可配置特定行数（长），行长（宽）和行间距。① 每个层的帧缓冲区均有一个起始地址，该地址通过 LTDC_LxCFBAR 寄存器进行配置。② 行长（以字节为单位）在LTDC_LxCFBLR寄存器中进行配置。③ 行数（以字节为单位）在LTDC_LxCFBLNR寄存器中进行配置。④ 行间距是指一行开始和下一行开始之间的距离，它通过LTDC_LxCFBLR寄存器配置（以字节为单位)。⑤ 像素输入格式可编程，LTDC每层最多可配置8种输入颜色格式。
存储控制器（FSMC）驱动 LCD
FSMC介绍
stm32的高性能系列芯片才带有LCD控制器 ，对于一般芯片F103一般使用FSMC驱动LCD。FSMC能够驱动LCD-8080接口,其本质在于8080时序与SRAM接口的时序相似。FSMC提供的接口能够兼容LCD-8080接口，这里，我们将重点介绍这两种时序的相似性，并介绍如何兼容。
4个BANK及其地址分布
BANK所对应的设备类型和寄存器
FSMC支持各种类型的存储器：PC卡;NAND型存储器( FLASH FLASH);NOR型存储器（NOR FLAH,SRAM）。这些存储器的地址被分配到0x60000000~0x9FFFFFFF的地址空间内，具体而言分成了4个BANK。 然后不同的BANK又分为四个区，每个区的大小为64M，使用NE信号选择不同的区，可以理解为：在FSMC AHB接口处。[HADDR30,HADDR31]这两根地址线被译码为FSMC选通信号。[HADDR28,HADDR29]这两根地址线被译码成4个BANK选通信号。[HADDR26,HADDRA27]这两条地址线被译码成4个NE选通信号。[HADDR0~HADDRA25]被送到FSMC的地址输出总线上，最终传给存储器。这里我们使用BANK1区域。
FSMC框图
上图为FSMC框图，有些信号线是公共的，有些是NAND,NOR,PC，NOR所独有的。这里我们重点介绍NOR信号。具体来说:
FSMC_NE[4:1]为区选择信号(接存储器的片选信号CS)
FSMA_NL和NBL是高低字节选择信号接存储器的NL和NB（当存储器为16位，然后我们又想按字节寻址就会使用到这两个信号)
FSMC_NOE为读使能信号
FSMC_NWE为写使能信号
FSMC_NWAIT为等待信号
FSMC_A[0:25]为地址线（从这里可以看出，FSMC每个区支持的最大容量只能是64M）
FSMC_D[0:16]为数据线线。（从这里可以看出,FAMC支持的数据位宽度最大为16）。
使用FSMC兼容LCD-8080
信号接线图
FSMC与LCD屏幕按照上述关系进行接线，这些接线关系就决定了我们代码里的命令地址和数据地址：CS接到了NE4上，表示将LCD屏幕分配到了BANK1的第四个子区域。其地址空间0X6BFFFFFF~0x6FFFFFFF，也就是往这个空间写数据就能选通LCD的CS。RS接到了A0，所以这个空间内的所有偶数地址使得RS为高电平，奇数地址使得RS为低电平。那么我们在 0X6BFFFFFF~0x6FFFFFFF这个地址空间内任意选一个偶数地址用来写命令，奇地址用来写数据就OK了。
FSMC支持的模式
FSMC支持同步模式和异步模式，然后异步模式又有多种子模式，以适配不同的存储器类型。这里我们选择异步模式，的子模式A来兼容LCD-8080接口。下面将分析读和写时序兼容
(1) 读时序兼容
写时序对比
实现FSMC兼容LCD-8080，主要关注以下两个参数：地址建立时间，低电平时间。
地址建立时间：MCU在执行读命令后，地址A0被送到LCD的D/S端口，LCD接收到D/S信号后，需要等待一个时间，以选通内部命令/数据寄存器。这个等待的时间就被称为地址建立时间。左图中为tast，在右图中为(ADDSET+1)*THCLK，我们需要配置ADDSET使得地址建立时间(ADDSET+1)*THCLK满足上表中tast的值区间。
低电平时间：左图中为trdl,右图中为(DATASET+3)*THCLK。我们需要配置DATASET使得数据保持时间(ADDSET+1)*THCLK满足上表中trdl的值区间。
数据建立时间（读访问时间）： 地址建立后，LCD在RDX信号的下降沿开始时输出数据，需要等待一个时间，使得输出数据稳定。这个时间称为读访问时间（数据建立时间）。左图中为trat，右图中没标出来。读访问时间tract在配置兼容时是可以不考虑的。无论它的值为多少，只要低电平时间一致，MCU总能读到正确的数据，因为MCU在上升沿的瞬间就可以完成数据读取。因此，我们通过设置低电平时间来间接满足数据建立时间。
地址保持时间：MCU在RDX上升沿开始读数据，D/S信号会保持一段时间，从而保证数据线上的数据稳定一段时间，方便MCU正确读取，此时间被称为地址保持时间。左图中为taht，右图中为0。如前所述，MCU在RDX上升沿瞬间完成数据的读取，因此不需要地址保持时间，直接在RDX的上升沿发出下一个地址。相当于地址保持时间为0，也满足表中taht的值区间。
读输出禁用时间（数据保持时间）：MCU在上升沿发起读数据之后，LCD会等一个读输出禁止时间trodh，在这段时间内不允许对数据总线进行操作，从而保证数据线稳定方便读取。MCU的速度足够快在RDX上升沿的瞬间就完成了数据的读取，不需要等这个时间，MCU在上升沿后直接开启下一个读周期。大但图中trodh的值为20~80ns，此时时序出现不兼容，也就是在下个周期开始的20~80ns内，数据总线是不能写的。不过没关系，这个时间段是地址的建立时间，并不涉及到数据总线的操作。
(2)写时序兼容
写时序对比
对于写时序同样也是通过ADDSET和DATAST设置地址建立时间和低电平时间。写数据保持时间tdht要求10ns以上，这点我不知道FSMC是怎么兼容的，这里只有1HCLK,如果是168M的话就是每个时钟周期为5ns左右，不满足需求。
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