LTDC/DMA2D—液晶显示

本章参考资料：《STM32F4xx 参考手册 2》、《STM32F4xx 规格书》、库帮助文档
《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。
关于开发板配套的液晶屏参数可查阅《5.0 寸液晶屏数据手册》配套资料获知。
显示器简介
显示器属于计算机的 I/O 设备，即输入输出设备。它是一种将特定电子信息输出到屏
幕上再反射到人眼的显示工具。常见的有 CRT 显示器、液晶显示器、 LED 点阵显示器及
OLED 显示器。
液晶显示器
液晶显示器，简称 LCD(Liquid Crystal Display)，相对于上一代 CRT 显示器(阴极射线
管显示器)， LCD 显示器具有功耗低、体积小、承载的信息量大及不伤眼的优点，因而它成
为了现在的主流电子显示设备，其中包括电视、电脑显示器、手机屏幕及各种嵌入式设备
的显示器。图 27-1 是液晶电视与 CRT 电视的外观对比，很明显液晶电视更薄，“时尚”
是液晶电视给人的第一印象，而 CRT 电视则感觉很“笨重”。

液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，
但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则，因此取名液晶。如果给液晶施加电场，会
改变它的分子排列，从而改变光线的传播方向，配合偏振光片，它就具有控制光线透过率
的作用，再配合彩色滤光片，改变加给液晶电压大小，就能改变某一颜色透光量的多少，
图 27-2 中的就是绿色显示结构。利用这种原理，做出可控红、绿、蓝光输出强度的显示结
构，把三种显示结构组成一个显示单位，通过控制红绿蓝的强度，可以使该单位混合输出
不同的色彩，这样的一个显示单位被称为像素。

注意液晶本身是不发光的，所以需要有一个背光灯提供光源，光线经过一系列处理过
程才到输出，所以输出的光线强度是要比光源的强度低很多的，比较浪费能源(当然，比
CRT 显示器还是节能多了)。而且这些处理过程会导致显示方向比较窄，也就是它的视角较
小，从侧面看屏幕会看不清它的显示内容。另外，输出的色彩变换时，液晶分子转动也需
要消耗一定的时间，导致屏幕的响应速度低。
LED 和 OLED 显示器
LED 点阵显示器不存在以上液晶显示器的问题， LED 点阵彩色显示器的单个像素点内
包含红绿蓝三色 LED 灯，显示原理类似我们实验板上的 LED 彩灯，通过控制红绿蓝颜色
的强度进行混色，实现全彩颜色输出，多个像素点构成一个屏幕。由于每个像素点都是
LED 灯自发光的，所以在户外白天也显示得非常清晰，但由于 LED 灯体积较大，导致屏幕
的像素密度低，所以它一般只适合用于广场上的巨型显示器。相对来说，单色的 LED 点阵
显示器应用得更广泛，如公交车上的信息展示牌、店招等，见图 27-3。

新一代的 OLED 显示器与 LED 点阵彩色显示器的原理类似，但由于它采用的像素单元
是“有机发光二极管” (Organic Light Emitting Diode)，所以像素密度比普通 LED 点阵显示
器高得多，见图 27-5。

OLED 显示器不需要背光源、对比度高、轻薄、视角广及响应速度快等优点。待到生
产工艺更加成熟时，必将取代现在液晶显示器的地位，见图 27-5。

显示器的基本参数
不管是哪一种显示器，都有一定的参数用于描述它们的特性，各个参数介绍如下：
(1) 像素
像素是组成图像的最基本单元要素，显示器的像素指它成像最小的点，即前面讲解液
晶原理中提到的一个显示单元。
(1) 分辨率
一些嵌入式设备的显示器常常以“行像素值 x 列像素值”表示屏幕的分辨率。如分辨
率 800x480 表示该显示器的每一行有 800 个像素点，每一列有 480 个像素点，也可理
解为有 800 列， 480 行。
(2) 色彩深度
色彩深度指显示器的每个像素点能表示多少种颜色，一般用“位” (bit)来表示。如单
色屏的每个像素点能表示亮或灭两种状态(即实际上能显示 2 种颜色)，用 1 个数据位

就可以表示像素点的所有状态，所以它的色彩深度为 1bit，其它常见的显示屏色深为
16bit、 24bit。
(3) 显示器尺寸
显示器的大小一般以英寸表示，如 5 英寸、 21 英寸、 24 英寸等，这个长度是指屏幕对
角线的长度，通过显示器的对角线长度及长宽比可确定显示器的实际长宽尺寸。
(4) 点距
点距指两个相邻像素点之间的距离，它会影响画质的细腻度及观看距离，相同尺寸的
屏幕，若分辨率越高，则点距越小，画质越细腻。如现在有些手机的屏幕分辨率比电
脑显示器的还大，这是手机屏幕点距小的原因； LED 点阵显示屏的点距一般都比较大，
所以适合远距离观看。
STM32F429 系列的芯片不需要额外的液晶控制器，也就是说它把专用液晶控制器的功能集成到 STM32F429 芯片内部了，节约
了额外的控制器成本。

(1) RGB 信号线
RGB 信号线各有 8 根，分别用于表示液晶屏一个像素点的红、绿、蓝颜色分量。使用
红绿蓝颜色分量来表示颜色是一种通用的做法，打开 Windows 系统自带的画板调色工
具，可看到颜色的红绿蓝分量值，见图 27-7。常见的颜色表示会在“RGB”后面附带
各个颜色分量值的数据位数，如 RGB565 表示红绿蓝的数据线数分别为 5、 6、 5 根，
一共为 16 个数据位，可表示 216 种颜色；而这个液晶屏的种颜色分量的数据线都有 8
根，所以它支持 RGB888 格式，一共 24 位数据线，可表示的颜色为 224种。

(2) 同步时钟信号 CLK
液晶屏与外部使用同步通讯方式，以 CLK 信号作为同步时钟，在同步时钟的驱动下，
每个时钟传输一个像素点数据。
(3) 水平同步信号 HSYNC
水平同步信号 HSYNC(Horizontal Sync)用于表示液晶屏一行像素数据的传输结束，每
传输完成液晶屏的一行像素数据时， HSYNC 会发生电平跳变，如分辨率为 800x480 的
显示屏(800 列， 480 行)，传输一帧的图像 HSYNC 的电平会跳变 480 次。
(4) 垂直同步信号 VSYNC
垂直同步信号 VSYNC(Vertical Sync)用于表示液晶屏一帧像素数据的传输结束，每传
输完成一帧像素数据时， VSYNC 会发生电平跳变。其中“帧”是图像的单位，一幅
图像称为一帧，在液晶屏中，一帧指一个完整屏液晶像素点。人们常常用“帧/秒”来
表示液晶屏的刷新特性，即液晶屏每秒可以显示多少帧图像，如液晶屏以 60 帧/秒的
速率运行时， VSYNC 每秒钟电平会跳变 60 次。
(5) 数据使能信号 DE
数据使能信号 DE(Data Enable)用于表示数据的有效性，当 DE 信号线为高电平时，
RGB 信号线表示的数据有效。

液晶数据传输时序
通过上述信号线向液晶屏传输像素数据时，各信号线的时序见图 27-8。图中表示的是
向液晶屏传输一帧图像数据的时序，中间省略了多行及多个像素点。

液晶屏显示的图像可看作一个矩形，结合图 27-9 来理解。液晶屏有一个显示指针，它
指向将要显示的像素。显示指针的扫描方向方向从左到右、从上到下，一个像素点一个像
素点地描绘图形。这些像素点的数据通过 RGB 数据线传输至液晶屏，它们在同步时钟
CLK 的驱动下一个一个地传输到液晶屏中，交给显示指针，传输完成一行时，水平同步信
号 HSYNC 电平跳变一次，而传输完一帧时 VSYNC 电平跳变一次。

显存
液晶屏中的每个像素点都是数据，在实际应用中需要把每个像素点的数据缓存起来，
再传输给液晶屏，这种存储显示数据的存储器被称为显存。显存一般至少要能存储液晶屏
的一帧显示数据，如分辨率为 800x480 的液晶屏，使用 RGB888 格式显示，它的一帧显示
数据大小为： 3x800x480=1152000 字节；若使用 RGB565 格式显示，一帧显示数据大小为：
2x800x480=768000 字节。

常见的颜色表示会在“RGB”后面附带各个颜色分量值的数据位数，如RGB565
表示红绿蓝的数据线数分别为5、 6、 5根，一共为16个数据位，可表示216
种颜色；而我们这个液晶屏的种颜色分量的数据线都有8根，所以它支持
RGB888格式，一共24位数据线，可表示的颜色为224种。

RGB后面的数值，分别代表其表示颜色的bits。

LCD-TFT 控制器 (LTDC)
LTDC 液晶控制器简介
STM32F429 系列芯片内部自带一个 LTDC 液晶控制器，使用 SDRAM 的部分空间作为
显存，可直接控制液晶面板，无需额外增加液晶控制器芯片。 STM32 的 LTDC 液晶控制器
最高支持 800x600 分辨率的屏幕；可支持多种颜色格式，包括 RGB888、 RGB565、
ARGB8888 和 ARGB1555 等(其中的“A”是指透明像素)；支持 2 层显示数据混合，利用这
个特性，可高效地做出背景和前景分离的显示效果，如以视频为背景，在前景显示弹幕。
图像数据混合
LTDC 外设支持 2 层数据混合，混合前使用 2 层数据源，分别为前景层和背景层，见
图 27-10。在输出时，实际上液晶屏只能显示一层图像，所以 LTDC 在输出数据到液晶屏
前需要把 2 层图像混合成一层，跟 Photoshop 软件的分层合成图片过程类似。混合时，直
接用前景层中的不透明像素替换相同位置的背景像素；而前景层中透明像素的位置，则使
用背景的像素数据，即显示背景层的像素。

如果想使用图像混合功能，前景层必须使用包含透明的像素格式，如 ARGB1555 或
ARGB8888。其中 ARGB1555 使用 1 个数据位表示透明元素，它只能表示像素是透明或不
透明，当最高位(即“A”位)为 1 时，表示这是一个不透明的像素，具体颜色值为 RGB 位
表示的颜色，而当最高位为 0 时，表示这是一个完全透明的像素， RGB 位的数据无效；而
ARGB8888 的像素格式使用 8 个数据位表示透明元素，它使用高 8 位表示“透明度” (即代
表“A”的 8 个数据位)，若 A 的值为“0xFF”，则表示这个像素完全不透明，若 A 的值为
“0x00”则表示这个像素完全透明，介于它们之间的值表示其 RGB 颜色不同程度的透明度，
即混合后背景像素根据这个值按比例来表示。
注意液晶屏本身是没有透明度概念的，如 24 位液晶屏的像素数据格式是 RGB888，
RGB 颜色各有对应的 8 根数据线，不存在用于表示透明度的数据线，所以实际上 ARGB 只
是针对内部分层数据处理的格式，最终经过混合运算得出直接颜色数据 RGB888 才能交给
液晶屏显示。

图像处理单元
LTDC 框图标号表示的是图像处理单元，它通过“AHB 接口”获取显存中的数据，
然后按分层把数据分别发送到两个“层 FIFO”缓存，每个 FIFO 可缓存 64x32 位的数据，
接着从缓存中获取数据交给“PFC” (像素格式转换器)，它把数据从像素格式转换成字
(ARGB8888)的格式，再经过“混合单元”把两层数据合并起来，最终混合得到的是单层要
显示的数据，通过信号线输出到液晶面板。这部分结构与 DMA2D 的很类似，我们在下一
小节详细讲解。
在输出前混合单元的数据还经过一个“抖动单元”，它的作用是当像素数据格式的色
深大于液晶面板实际色深时，对像素数据颜色进行舍入操作，如向 18 位显示器上显示 24
位数据时，抖动单元把像素数据的低 6 位与阈值比较，若大于阈值，则向数据的第 7 位进
1，否则直接舍掉低 6 位。

配置和状态寄存器
框图中标号表示的是 LTDC 的控制逻辑，它包含了 LTDC 的各种配置和状态寄存器。
如配置与液晶面板通讯时信号线的有效电平、各种时间参数、有效数据宽度、像素格式及
显存址等等， LTDC 外设根据这些配置控制数据输出，使用 AHB 接口从显存地址中搬运数
据到液晶面板。还有一系列用于指示当前显示状态和位置的状态寄存器，通过读取这些寄
存器可以了解 LTDC 的工作状态。
时钟信号
LTDC 外设使用 3 种时钟信号，包括 AHB 时钟、 APB2 时钟及像素时钟 LCD_CLK。
AHB 时钟用于驱动数据从存储器存储到 FIFO， APB2 时钟用于驱动 LTDC 的寄存器。而
LCD_CLK 用于生成与液晶面板通讯的同步时钟，见图 27-12，它的来源是 HSE(高速外部
晶振)，经过“/M”分频因子分频输出到“PLLSAI”分频器，信号由“PLLSAI”中的倍频
因子 N 倍频得到“PLLSAIN”时钟、然后由“/R”因子分频得到“PLLCDCLK”时钟，再
经过“DIV”因子得到“LCD-TFT clock”，“LCD-TFT clock”即通讯中的同步时钟
LCD_CLK，它使用 LCD_CLK 引脚输出。