基于AHB接口的高性能LCD控制器IP設(shè)計
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二、 1024x24 行緩沖區(qū)
該行緩沖區(qū)來存儲被濾波器處理過的一行數(shù)據(jù)。
三、 1024x24 行緩沖區(qū)控制器
該控制器控制著緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的訪問。緩沖區(qū)中被讀出的數(shù)據(jù)會反饋到輸入端口，跟第二行的像素數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，也就是垂直插值的處理。
四、 2048x24 行緩沖區(qū)
這個行緩沖區(qū)是一個乒乓結(jié)構(gòu)的存儲器，它由兩個1024x24位的單端口SRAM組成。因?yàn)槲覀兎糯蟮奶幚硎腔陔p線性算法，所以垂直放大系數(shù)被限制在2，乒乓結(jié)構(gòu)可以提供同時進(jìn)行讀/寫操作的機(jī)制，使得我們能夠把行緩沖區(qū)存儲器的大小壓縮到僅僅一行像素數(shù)據(jù)的規(guī)模。
五、 2048x24 行緩沖區(qū)控制器
該控制器提供必需的地址線和控制信號給乒乓結(jié)構(gòu)的行緩沖區(qū)，以確保RGB像素數(shù)據(jù)能夠同時正確的被寫入和讀出。除了這個基本的控制功能以外，它也提供了一個可靠的外部LCD控制器訪問接口。
六、 垂直Scalar濾波器
該垂直Scalar濾波器是2抽頭，它執(zhí)行一個“加-乘”混合計算(y[n] = a * x[n] + (1-a) * x[n-1])。x[n]是當(dāng)前行的像素數(shù)據(jù)，x[n-1]是上一行的像素數(shù)據(jù)，y[n]是濾波器的輸出。a和(1-a)都是濾波器因子。由于R/G/B各數(shù)據(jù)是獨(dú)立進(jìn)行處理的，所以每一種色彩像素數(shù)據(jù)處理需要兩個8x9位的乘法器和一個17位的加法器。
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七、 垂直Scalar系數(shù)產(chǎn)生器
該發(fā)生器分為放大系數(shù)產(chǎn)生器和縮小系數(shù)產(chǎn)生器。他們都會產(chǎn)生一個9位的系數(shù)，MSB代表整數(shù)部分，其余的都是小數(shù)部分。這個系數(shù)為輸入圖像垂直分辨率和輸出圖像垂直分辨率的比值。
八、 Scalar數(shù)據(jù)FIFO
該數(shù)據(jù)FIFO的存儲深度為8，垂直縮放模塊輸入數(shù)據(jù)到FIFO，水平縮放模塊讀出數(shù)據(jù)用來處理后續(xù)的水平像素數(shù)據(jù)。
九、 水平Scalar濾波器
該濾波器也是2抽頭，它執(zhí)行一個“加-乘”混合計算(y[n] = a * x[n] + (1-a) * x[n-1])，x[n]是當(dāng)前的像素數(shù)據(jù)，x[n-1]是上一個的像素數(shù)據(jù)，y[n]是濾波器的輸出。a和(1-a)都是濾波器因子。由于R/G/B各數(shù)據(jù)是獨(dú)立進(jìn)行處理的，所以每一種色彩像素數(shù)據(jù)處理需要兩個8x9位的乘法器和一個17位的加法器。
十、 水平Scalar系數(shù)發(fā)生器
該發(fā)生器分為放大系數(shù)產(chǎn)生器和縮小系數(shù)產(chǎn)生器。他們都會產(chǎn)生一個9位的系數(shù)，MSB代表整數(shù)部分，其余的都是小數(shù)部分。這個系數(shù)為輸入圖像水平分辨率和輸出圖像水平分辨率的比值。
Scalar的up scaling階段能夠任意的定量在1x1 和 2x2之間，也就是它scale up功能可以達(dá)到如1.5x1.8等。Scaling down分成兩級，第一級可以按比例縮減1/2*1/2, 1/4*1/4, 1/8*1/8, 1/16*1/16, 1/32*1/32, 1/64*1/64或1/128*1/128；而第二級可以從1*1~1/2*1/2做任意比例的縮減動作，也就是第二級可以有小數(shù)點(diǎn)，不過最低只能到1/2*1/2。因此，可以由第一級+第二級來搭配產(chǎn)生所想要的縮減比例。
例如：1/2.5 * 1/4 => 第一級做1/2*1/2，然后第二級做4/5*1/2 就可以達(dá)到你所想要的scaling ratio。有關(guān)第二級scale down給個Scal_ver_num /Scal_hor_num的例子, 如果我們想要scale由 100x200 down to 90x160.
Scal_ver_num = [mod((ver_no_in+1)/ver_no_out)]x256/ver_no_out
Scal_hor_num = [mod((hor_no_in+1)/hor_no_out)]x256/hor_no_out
Scal_ver_num = mod[ (100) / 90 ] x 256 / 90 = 28.44 --> 28
Scal_hor_num = mod[ (200) / 160 ] x 256 / 90 = 113.77 --> 114
中斷控制器
該控制器有四個內(nèi)部中斷源，AHB Master出錯中斷、FIFO欠載中斷、垂直同步中斷和幀基地址改變中斷，這幾個中斷信號經(jīng)過組合形成一個全局中斷信號，只要這四個中斷源中的任意一個出現(xiàn)中斷，全局中斷信號就會出現(xiàn)斷言。這四個中斷源可以通過寄存器的修改來開啟和關(guān)閉
STN面板控制信號
以下是LCD控制器和STN面板的接口信號
* LC_DATA[7:0]：LCD數(shù)據(jù)總線，發(fā)送給STN面板上面需要被顯示的像素數(shù)據(jù)。根據(jù)STN所選擇的模式，數(shù)據(jù)直接加載到該總線上
* LC_VS(FLM)：LCD的幀同步信號，表明了一個新的幀的開始。在一幀的最后一個行脈沖結(jié)束后，F(xiàn)LM 變?yōu)橛行Р⒁恢北３值较乱恍忻}沖，F(xiàn)LM才撤銷斷言，并保持無效直到下一幀。FLM是高電平有效還是低電平有效是可以通過軟件配置的。
* LC_HS(LP)：LCD的行同步信號，被用來鎖存STN面板上的行數(shù)據(jù)。LP是高電平有效還是低電平有效是可以通過軟件配置的。
* LC_DE(ACD)：LCD數(shù)據(jù)使能信號。該信號可以配置成每一幀切換或者每隔N行切換。
* LC_PCLK：LCD輸出的移位時鐘，是讓STN面板用來同步LCD輸出的數(shù)據(jù)。LC_PCLK是高電平有效還是低電平有效是可以通過軟件配置的。
STN面板的接口時序
LCD控制器通過LCD的數(shù)據(jù)總線持續(xù)的傳送像素數(shù)據(jù)到LCD面板。總線的時序由LC_PCLK、LC_HS、LC_VS組成。LC_PCLK信號把像素數(shù)據(jù)打入到LCD面板內(nèi)部的移位寄存器。LC_HS指示每一行的開始，LC_VS則指示幀的第一行的開始。本LCD控制器可以支持絕大部分的單色LCD屏。圖3解釋了1位、2位、4位、8位LCD數(shù)據(jù)總線的接口時序。LC_HS信號再加上LC_VS信號表明了當(dāng)前幀第一行的結(jié)束。在真實(shí)顯示行中插入啞元行可以調(diào)節(jié)幀率。用戶可以自己配置啞元行的數(shù)量。
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圖3 STN在8位, 4位, 2位以及1位數(shù)據(jù)寬度的接口時序 |
LCD屏的寬度(PL)和高度(LF)寄存器里面定義了LCD面板的尺寸。LCD控制器將會以“LCD屏開始地址寄存器”（LCDImage0FrameBase）中的值為首地址來掃描顯存，因此，被打上影音的區(qū)域?qū)罱K顯示在LCD面板上。
LCD虛擬頁面寬度參數(shù)指定了最大顯示頁面寬度。通過修改LCDImage0FrameBase，可以使得真實(shí)顯示的窗口大小和位置在虛擬頁面邊界的范圍內(nèi)變化。然后，對于編程人員來說，在軟件設(shè)置定義顯存掃描起地址的時候，是不能超多虛擬頁面的高度和寬度，否則，屏幕上可能會有一些意想不到的景象。
這個IP在LCD屏的接口上還比一般的LCD控制器多了對串口RGB屏的支持，我們在FPGA開發(fā)板上就是使用AUO A036QN01串口RGB屏來驗(yàn)證。A036QN01的規(guī)格書上沒有Dummy data（LCD Serial panel pixel Parameters: offset=0200H)，但我們的design是有dummy data跟沒有dummy data的可以支持的。
IP內(nèi)部的接口時鐘關(guān)系
以上就這個IP的原理與子模塊作了充分的說明, 再接著介紹IP內(nèi)部的接口時鐘關(guān)系。
FTLCDC200包含了三個時鐘域分別為HCLK, LC_SCALER_CLK以及LC_CLK。HCLK時鐘使用于AHB接口而且這個時鐘與AHB接口是一致的。AHB必須為SoC上的LCD控制器提供足夠的帶寬用以由幀緩存區(qū)捕獲足夠的數(shù)據(jù)。
LC_SCALER_CLK提供時鐘給scaler模塊同時對scaler模塊也要足夠快來處理數(shù)據(jù)。LC_CLK用于產(chǎn)生像素時鐘。像素時鐘(LC_PCLK是由LC_CLK產(chǎn)生并且除以1, 2, 3等等。
此外, 這三個時鐘域必須按照下面的兩個原則才能運(yùn)行順暢:
? 1. HCLK ≥ LC_SCALER_CLK ≥ LC_CLK (頻率)
? 2. LC_SCALER ≥ HCLK/16 (頻率)
LC_CLK的頻率變化依靠LCD屏的選擇與使用。使用這個IP在頻率上必須根據(jù)所選用的LCD屏的規(guī)格，下面兩個例子介紹選擇時鐘頻率的方法
范例1.
假設(shè)輸入的分辨率是640x480, 每個在幀緩存區(qū)內(nèi)的像素是16-bpp, AHB總線的帶寬是32 bits, LCD屏的分辨率是320x240而顯示的幀刷新率是30幀每秒。
在這個范例, scaling-down功能必須打開并且操作在1/2x1/2的步驟。
HCLK必須大于640x480 (輸入的分辨率) x 16 (bpp) x 30 (幀刷新率)/32 (總線帶寬) = 4.6 MHz
LC_SCALER_CLK必須大于640x480 (最大的 {輸入的分辨率, 輸出的分辨率}) x 30 (幀刷新率) = 9.2 MHz
LC_CLK必須大于320x240 (輸出的分辨率) x 30 (幀刷新率) x 1.2 (門廊的空白) = 2.8MHz
因此, 針對這個范例, 使用者能選擇以下的兩個條件
HCLK ≥ LC_SCALER_CLK ≥ 9.2 MHz
LC_CLK ≥ 2.8 MHz
范例2.
假設(shè)輸入的分辨率是640x480, 每個在幀緩存區(qū)內(nèi)的像素是16-bpp, AHB總線的帶寬是32 bits, LCD屏的分辨率是1280x960而顯示
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