1）实验平台：正点原子STM32MP157开发板
2）购买链接:https://item.taobao.com/item.htm?&id=629270721801
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-318813-1-1.html
4）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
5）正点原子STM32MP157技术交流群：691905614

第十八章 RGB LCD彩条显示实验

TFT-LCD是一种液晶显示屏，它采用薄膜晶体管（TFT）技术提升图像质量，如提高图像亮度和对比度等。相比于传统的CRT显示器，TFT-LCD有着轻薄、功耗低、无辐射、图像质量好等诸多优点，因此广泛应用于电视机、电脑显示器、手机等各种显示设备中。
本章包括以下几个部分：
1.1 RGB LCD简介
1.2 实验任务
1.3 硬件设计
1.4 程序设计
1.5 下载验证

1.1 RGB LCD简介
TFT-LCD的全称是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，即薄膜晶体管液晶显示屏，它显示的每个像素点都是由集成在液晶后面的薄膜晶体管独立驱动，因此TFT-LCD具有较高的响应速度以及较好的图像质量。正点原子推出的RGB LCD液晶屏较多，7寸RGB LCD屏的实物图如下图所示：

图 7.5.13.1 ATK-7’RGB接口TFT液晶屏模块
液晶显示器是现在最常用到的显示器，手机、电脑、各种人机交互设备等基本都用到了LCD，最常见的就是手机和电脑显示器了。由于笔者不是LCD从业人员，对于LCD的具体原理不了解，百度百科对于 LCD的原理解释如下：
LCD的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置 TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。我们现在要在领航者开发板上使用LCD，所以不需要去研究LCD 的具体实现原理，我们只需要从使用的角度去关注 LCD 的几个重要点：
1、分辨率
提起LCD显示器，我们都会听到720P、1080P、2K或4K这样的字眼，这个就是LCD显示器分辨率。 LCD显示器都是由一个一个的像素点组成，像素点就类似一个灯(在OLED显示器中，像素点就是一个小灯)，这个小灯是RGB灯，也就是由R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)这三种颜色组成的，而RGB就是光的三原色。 1080P的意思就是一个LCD屏幕上的像素数量是1920*1080个，也就是这个屏幕一列1080个像素点，一共 1920列，如图 7.5.13.2所示：

图 7.5.13.2 像素点排布
图 7.5.13.2就是1080P显示器的像素示意图，X轴就是LCD显示器的横轴，Y轴就是显示器的竖轴。图中的小方块就是像素点，一共有19201080=2073600个像素点。左上角的A点是第一个像素点，右下角的C点就是最后一个像素点。2K就是25601440个像素点，4K是38402160个像素点。很明显，在LCD尺寸不变的情况下，分辨率越高越清晰。同样的，分辨率不变的情况下，LCD尺寸越小越清晰。比如我们常用的24寸显示器基本都是1080P的，而我们现在使用的5寸的手机基本也是1080P的，但是手机显示细腻程度就要比24寸的显示器要好很多！由此可见，LCD显示器的分辨率是一个很重要的参数，但是并不是分辨率越高的LCD就越好。衡量一款LCD的好坏，分辨率只是其中的一个参数，还有色彩还原程度、色彩偏离、亮度、可视角度、屏幕刷新率等其他参数。
2、像素格式
上面讲了，一个像素点就相当于一个RGB小灯，通过控制R、G、B这三种颜色的亮度就可以显示出各种各样的色彩。那该如何控制R、G、B这三种颜色的显示亮度呢？一般一个R、G、B这三部分分别使用8bit的数据，那么一个像素点就是8bit3=24bit，也就是说一个像素点3个字节，这种像素格式称为 RGB888。当然常用的像素点格式还有RGB565，只需要两个字节，但在色彩鲜艳度上较差一些。我们领航者开发板上的RGB TFT-LCD接口采用的RGB888的像素格式，共需要24位，每一位对应RGB的颜色分量如下图所示：

图 7.5.13.3 RGB888数据格式
在图 7.5.13.3中，一个像素点占用3个字节，其中bit23_{bit16是RED通道，bit15}bit8是GREEN通道，bit7~bit0是BLUE通道。所以红色对应的值就是24’hFF0000，绿色对应的值就是24’h00FF00，蓝色对应的值为24’h0000FF。通过调节R、G、B的比例可以产生其它的颜色，比如24’hFFFF00就是黄色，24’h000000就是黑色，24’hFFFFFF就是白色。大家可以打开电脑的“画图”工具，在里面使用调色板即可获取到想要的颜色对应的数值，如图 7.5.13.4所示：

图 7.5.13.4 调色板颜色选取
3、LCD屏幕接口
LCD屏幕或者说显示器有很多种接口，比如在显示器上常见的VGA、HDMI、DP等等，领航者开发板支持RGB接口的LCD和HDMI接口的显示器。本章我们介绍的是RGB LCD接口，RGB LCD接口的信号线如下表所示：
表 18.1.1 RGB数据线
信号线描述
R[7:0] 8根红色数据线
G[7:0] 8根绿色数据线
B[7:0] 8根蓝色数据线
DE 数据使能线
VSYNC 垂直同步信号线
HSYNC 水平同步信号线
PCLK 像素时钟信号线
表 18.1.1就是RGB LCD的信号线，R[7:0]、G[7:0]和B[7:0]是24位数据，DE、VSYNC、HSYNC和PCLK是四个控制信号。
正点原子一共有五款RGB LCD屏幕，型号分别为ATK-4342（4.3寸，480272）、ATK-4384（4.3寸，800480）、ATK-7084（7寸，800480）、ATK-7016（7寸，1024600）和ATK-1018（10.1寸，1280*800）。这里以ATK-7016这款屏幕为例讲解，ATK-7016的屏幕接口原理图如所示：

图 7.5.13.5 RGB LCD液晶屏幕接口
图中J1就是对外接口，是一个40PIN的FPC座（0.5mm间距），通过FPC线，可以连接到领航者ZYNQ开发板上面，从而实现和开发板的连接。该接口十分完善，采用RGB888格式，并支持触摸屏和背光控制。右侧的几个电阻，并不是都焊接的，而是可以用户自己选择。默认情况，R1和R6 焊接，设置LCD_LR和LCD_UD，控制LCD的扫描方向，是从左到右，从上到下（横屏看）。而LCD_R7/G7/B7 则用来设置LCD的ID，由于RGBLCD没有读写寄存器，也就没有所谓的ID，这里我们通过在模块上面，控制R7/G7/B7的上/下拉，来自定义LCD模块的ID，帮助MCU判断当前LCD面板的分辨率和相关参数，以提高程序兼容性。这几个位的设置关系如表 18.1.2所示：
表 18.1.2 RGB LCD模块和ID对应关系
M2
LCD_B7 M1
LCD_G7 M0
LCD_R7 LCD ID 说明
0 0 0 4342 ATK-4342 RGB LCD模块，分辨率：480272
0 0 1 7084 ATK-7084 RGB LCD模块，分辨率：800480
0 1 0 7016 ATK-7016 RGB LCD模块，分辨率：1024600
1 0 0 4384 ATK-4384 RGB LCD模块，分辨率：800480
1 0 1 1018 ATK-1018 RGB LCD模块，分辨率：1280800
X X X NC 暂时未用到
ATK-7016模块，就设置M2:M0 = 010即可。这样，我们在程序里面，读取LCD_R7/G7/B7，得到M0:M2 的值，从而判断RGB LCD模块的型号，并执行不同的配置，即可实现不同LCD模块的兼容。
4、LCD时间参数
如果将LCD显示一帧图像的过程想象成绘画，那么在显示的过程中就是用一根“笔”在不同的像素点画上不同的颜色。这根笔按照从左至右、从上到下的顺序扫描每个像素点，并且在像素画上对应的颜色，当画到最后一个像素点的时候一幅图像就绘制好了。假如一个LCD的分辨率为1024600，那么其扫描如图 7.5.13.6所示：

图 7.5.13.6 LCD一帧图像扫描图
结合图 7.5.13.6我们来看一下LCD是怎么扫描显示一帧图像的。一帧图像也是由一行一行组成的。HSYNC是水平同步信号，也叫做行同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一行了，所以此信号都是在图 7.5.13.6的最左边。VSYNC信号是垂直同步信号，也叫做帧同步信号，当产生此信号的话就表示开始显示新的一帧图像了，所以此信号在图 7.5.13.6的左上角。
在图 7.5.13.6可以看到有一圈“黑边”，真正有效的显示区域是中间的白色部分。那这一圈“黑边”是什么东西呢？这就要从显示器的“祖先”CRT显示器开始说起了，CRT显示器就是以前很常见的那种大屁股显示器，在2019年应该很少见了，如果在农村应该还是可以见到的。CRT显示器屁股后面是个电子枪，这个电子枪就是我们上面说的“画笔”，电子枪打出的电子撞击到屏幕上的荧光物质使其发光。只要控制电子枪从左到右扫完一行(也就是扫描一行)，然后从上到下扫描完所有行，这样一帧图像就显示出来了。也就是说，显示一帧图像电子枪是按照‘Z’形在运动，当扫描速度很快的时候看起来就是一幅完成的画面了。
当显示完一行以后会发出HSYNC信号，此时电子枪就会关闭，然后迅速的移动到屏幕的左边，当 HSYNC信号结束以后就可以显示新的一行数据了，电子枪就会重新打开。在HSYNC信号结束到电子枪重新打开之间会插入一段延时，这段延时就是图 7.5.13.6中的HBP。当显示完一行以后就会关闭电子枪等待 HSYNC信号产生，关闭电子枪到HSYNC信号产生之间会插入一段延时，这段延时就是图 7.5.13.6中的HFP 信号。同理，当显示完一帧图像以后电子枪也会关闭，然后等到VSYNC信号产生，期间也会加入一段延时，这段延时就是图 7.5.13.6中的VFP。VSYNC信号产生，电子枪移动到左上角，当VSYNC信号结束以后电子枪重新打开，中间也会加入一段延时，这段延时就是图 7.5.13.6中的VBP。
HBP、HFP、VBP和VFP就是导致图 7.5.13.6中黑边的原因，但是这是CRT显示器存在黑边的原因，现在是LCD显示器，不需要电子枪了，那么为何还会有黑边呢？这是因为RGB LCD屏幕内部是有一个IC 的，发送一行或者一帧数据给IC，IC是需要反应时间的。通过这段反应时间可以让IC识别到一行数据扫描完了，要换行了，或者一帧图像扫描完了，要开始下一帧图像显示了。因此，在LCD屏幕中继续存在HBP、HFP、VPB和VFP这四个参数的主要目的是为了锁定有效的像素数据。
5、RGB LCD屏幕时序
上面介绍了LCD的时间参数，我们接下来看一下行显示对应的时序图，如图 7.5.13.7所示。

图 7.5.13.7 LCD行显示时序
图 7.5.13.7就是RGB LCD的行显示时序，我们来分析一下其中重要的几个参数：
HSYNC：行同步信号，当此信号有效的时候就表示开始显示新的一行数据，查阅所使用的LCD数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效，图 7.5.13.7为低电平有效。
HSPW：行同步信号宽度，也就是HSYNC信号持续时间。HSYNC信号不是一个脉冲，而是需要持续一段时间才是有效的，单位为CLK。
HBP：行显示后沿（或后肩），单位是CLK。
HOZVAL：行有效显示区域，即显示一行数据所需的时间，假如屏幕分辨率为1024*600，那么HOZVAL 就是1024，单位为CLK。
HFP：行显示前沿（或前肩），单位是CLK。
当HSYNC信号发出以后，需要等待HSPW+HBP个CLK时间才会接收到真正有效的像素数据。当显示完一行数据以后需要等待HFP个CLK时间才能发出下一个HSYNC信号，所以显示一行所需要的时间就是：HSPW + HBP + HOZVAL + HFP。
一帧图像就是由很多个行组成的，RGB LCD的帧显示时序如图 7.5.13.8所示：

图 7.5.13.8 LCD帧显示时序
图 7.5.13.8就是RGB LCD的帧显示时序，我们来分析一下其中重要的几个参数：
VSYNC：帧（场）同步信号，当此信号有效的时候就表示开始显示新的一帧数据，查阅所使用的LCD数据手册可以知道此信号是低电平有效还是高电平有效，图 7.5.13.8为低电平有效。
VSPW：帧同步信号宽度，也就是VSYNC信号持续时间，单位为1行的时间。
VBP：帧显示后沿（或后肩），单位为1行的时间。
LINE：帧有效显示区域，即显示一帧数据所需的时间，假如屏幕分辨率为1024600，那么LINE就是600行的时间。
VFP：帧显示前沿（或前肩），单位为1行的时间。
显示一帧所需要的时间就是：VSPW+VBP+LINE+VFP个行时间，最终的计算公式：
T = (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)
因此我们在配置一款RGB LCD屏的时候需要知道这几个参数：HSPW（行同步）、HBP（行显示后沿）、HOZVAL(行有效显示区域)、HFP（行显示前沿）、VSPW（场同步）、VBP（场显示后沿）、LINE(场有效显示区域)和VFP（场显示后沿）。
RGB LCD液晶屏一般有两种数据同步方式，一种是行场同步模式（HV Mode），另一种是数据使能同步模式（DE Mode）。当选择行场同步模式时，LCD接口的时序与VGA接口的时序图非常相似，只是参数不同，如图 16.1.9和图 16.1.8中的行同步信号（HSYNC）和场同步信号（VSYNC）作为数据的同步信号，此时数据使能信号（DE）必须为低电平。
当选择DE同步模式时，LCD的DE信号作为数据的有效信号，，如图 16.1.10和图 16.1.8中的DE信号所示。只有同时扫描到帧有效显示区域和行有效显示区域时，DE信号才有效（高电平）。当选择DE同步模式时，此时行场同步信号VS和HS必须为高电平。
由于RGB LCD液晶屏一般都支持DE模式，不是所有的RGB LCD液晶屏都支持HV模式，因此本章我们采用DE同步的方式驱动LCD液晶屏。
6、像素时钟
像素时钟就是RGB LCD的时钟信号，以ATK7016这款屏幕为例，显示一帧图像所需要的时钟数就是：
N（CLK）= (VSPW+VBP+LINE+VFP) * (HSPW + HBP + HOZVAL + HFP)
= (3 + 20 + 600 + 12) * (20 + 140 + 1024 + 160) = 635 * 1344 = 853440
显示一帧图像需要853440个时钟数，那么显示60帧就是：853440 * 60 = 51206400≈51.2M，所以像素时钟就是51.2MHz。
当然我们在为RGB LCD屏提供驱动时钟的时候，也可以不用严格按照60帧来进行计算。为了方便操作，我们可以给ATK7016模块输出一个50MHz的时钟，其刷新率是接近于60Hz的，同时也非常方便我们来编写代码。
为了方便大家查找LCD屏的时序参数，这里整理了不同分辨率的时序参数，如表 18.1.3所示：
表 18.1.3 不同分辨率的LCD时序参数
显示分辨率时钟（Mhz）行时序（像素数）帧时序（行数）
行同步显示后沿显示区域显示前沿显示周期场同步显示后沿显示区域显示前沿显示周期
480272 9 41 2 480 2 525 10 2 272 2 286
800480 33.3 128 88 800 40 1056 2 33 480 10 525
1024600 50 20 140 1024 160 1344 3 20 600 12 635
1280*800 70 10 80 1280 70 1440 3 10 800 10 823
1.2 实验任务
本节的实验任务是使用正点原子ZYNQ开发板上的RGB TFT-LCD接口，驱动RGB LCD液晶屏（支持目前推出的所有RGB LCD屏），并显示出彩条。
1.3 硬件设计
领航者开发板上RGB TFT-LCD接口部分的原理图如下图所示。

图 7.5.13.1 RGB TFTLCD接口原理图
从上图中可以看到，FPGA管脚输出的颜色数据位宽为24bit，数据格式为RGB888，即数据高8位表示红色，中间8位表示绿色，低8位表示蓝色。由于这24位数据不仅仅作为输出给LCD屏的颜色数据，同时LCD_R7、LCD_G7和LCD_B7也用来获取LCD屏的ID，因此这24位颜色数据对ZYNQ开发板来说，是一个双向的引脚。
另外，RGBLCD模块支持触摸功能，图中以字母T开头的5个信号（T_PEN、T_SCK等）与模块上的触摸芯片相连接。由于本次实验不涉及触摸功能的实现，因此这些信号并未用到。
需要说明的是，LCD液晶屏有一个复位信号（LCD_RST），当LCD_RST为低电平时，可对LCD屏进行复位。
本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示：
表 18.3.1 RGB TFT-LCD彩条实验管脚分配
信号名方向管脚端口说明电平标准
sys_clk input U18 系统时钟，50M LVCMOS33
sys_rst_n input N16 系统复位，低有效 LVCMOS33
lcd_rgb[0] inout W18 RGB LCD蓝色（最低位） LVCMOS33
lcd_rgb[1] inout W19 RGB LCD蓝色 LVCMOS33
lcd_rgb[2] inout R16 RGB LCD蓝色 LVCMOS33
lcd_rgb[3] inout R17 RGB LCD蓝色 LVCMOS33
lcd_rgb[4] inout W20 RGB LCD蓝色 LVCMOS33
lcd_rgb[5] inout V20 RGB LCD蓝色 LVCMOS33
lcd_rgb[6] inout P18 RGB LCD蓝色 LVCMOS33
lcd_rgb[7] inout N17 RGB LCD蓝色（最高位） LVCMOS33
lcd_rgb[8] inout V17 RGB LCD绿色（最低位） LVCMOS33
lcd_rgb[9] inout V18 RGB LCD绿色 LVCMOS33
lcd_rgb[10] inout T17 RGB LCD绿色 LVCMOS33
lcd_rgb[11] inout R18 RGB LCD绿色 LVCMOS33
lcd_rgb[12] inout Y18 RGB LCD绿色 LVCMOS33
lcd_rgb[13] inout Y19 RGB LCD绿色 LVCMOS33
lcd_rgb[14] inout P15 RGB LCD绿色 LVCMOS33
lcd_rgb[15] inout P16 RGB LCD绿色（最高位） LVCMOS33
lcd_rgb[16] inout V16 RGB LCD红色（最低位） LVCMOS33
lcd_rgb[17] inout W16 RGB LCD红色 LVCMOS33
lcd_rgb[18] inout T14 RGB LCD红色 LVCMOS33
lcd_rgb[19] inout T15 RGB LCD红色 LVCMOS33
lcd_rgb[20] inout Y17 RGB LCD红色 LVCMOS33
lcd_rgb[21] inout Y16 RGB LCD红色 LVCMOS33
lcd_rgb[22] inout T16 RGB LCD红色 LVCMOS33
lcd_rgb[23] inout U17 RGB LCD红色（最高位） LVCMOS33
lcd_hs output N18 RGB LCD行同步 LVCMOS33
lcd_vs output T20 RGB LCD场同步 LVCMOS33
lcd_de output U20 RGB LCD数据使能 LVCMOS33
lcd_bl output M20 RGB LCD背光控制 LVCMOS33
lcd_clk output P19 RGB LCD像素时钟 LVCMOS33
lcd_rst output L17 RGB LCD复位信号 LVCMOS33
对应的XDC约束语句如下所示：

set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]set_property -dict {PACKAGE_PIN W18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[1]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[2]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[3]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[4]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[5]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[6]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[7]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[8]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[9]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[10]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[11]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[12]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[13]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[14]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[15]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[16]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[17]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[18]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[19]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[20]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[21]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[22]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[23]}]set_property -dict {PACKAGE_PIN N18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_hs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_vs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_de]
set_property -dict {PACKAGE_PIN M20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_bl]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_rst]

1.4 程序设计
RGB TFT-LCD输入时序包含三个要素：像素时钟、同步信号、以及图像数据，由此我们可以大致规划出系统结构如下图所示。其中，读取ID模块用于获取LCD屏的ID；由于不同分辨率的屏幕需要不同的驱动时钟，因此时钟分频模块根据LCD ID来输出不同频率的像素时钟；LCD显示模块负责产生液晶屏上显示的数据，即彩条数据；LCD驱动模块根据LCD屏的ID，输出不同参数的时序，来驱动LCD屏，并将输入的彩条数据显示到LCD屏上。

图 7.5.13.1 RGB TFT-LCD彩条显示系统框图
由系统框图可知，FPGA部分包括五个模块，顶层模块（lcd_rgb_colorbar）、读取ID模块（rd_id）、时钟分频模块（clk_div）、LCD显示模块（lcd_display）以及LCD驱动模块（lcd_driver）。其中在顶层模块中完成对其余模块的例化。
各模块端口及信号连接如下图所示：

图 7.5.13.2 顶层模块原理图
读取ID模块（rd_id）在上电时将RGB双向数据总线设置为输入，来读取LCD屏的ID；时钟分频模块（clk_div）根据读取的ID来配置LCD的像素时钟；LCD驱动模块（lcd_driver）在像素时钟的驱动下输出数据使能信号用于数据同步，同时还输出像素点的纵横坐标，供LCD显示模块（lcd_display）调用，以绘制彩条图案。
顶层模块lcd_rgb_colorbar的代码如下：

1  module lcd_rgb_colorbar(
2      input                sys_clk,     //系统时钟
3      input                sys_rst_n,   //系统复位
4
5      //RGB LCD接口
6      output               lcd_de,      //LCD 数据使能信号
7      output               lcd_hs,      //LCD 行同步信号
8      output               lcd_vs,      //LCD 场同步信号
9      output               lcd_bl,      //LCD 背光控制信号
10     output               lcd_clk,     //LCD 像素时钟
11     output               lcd_rst,     //LCD 复位
12     inout        [23:0]  lcd_rgb      //LCD RGB888颜色数据
13     );
14
15 //wire define
16 wire  [15:0]  lcd_id    ;    //LCD屏ID
17 wire          lcd_pclk  ;    //LCD像素时钟
18
19 wire  [10:0]  pixel_xpos;    //当前像素点横坐标
20 wire  [10:0]  pixel_ypos;    //当前像素点纵坐标
21 wire  [10:0]  h_disp    ;    //LCD屏水平分辨率
22 wire  [10:0]  v_disp    ;    //LCD屏垂直分辨率
23 wire  [23:0]  pixel_data;    //像素数据
24 wire  [23:0]  lcd_rgb_o ;    //输出的像素数据
25 wire  [23:0]  lcd_rgb_i ;    //输入的像素数据
26
27 //*****************************************************
28 //**                    main code
29 //*****************************************************
30
31 //像素数据方向切换
32 assign lcd_rgb = lcd_de ?  lcd_rgb_o :  {24{1'bz}};
33 assign lcd_rgb_i = lcd_rgb;
34
35 //读LCD ID模块
36 rd_id u_rd_id(
37     .clk          (sys_clk  ),
38     .rst_n        (sys_rst_n),
39     .lcd_rgb      (lcd_rgb_i),
40     .lcd_id       (lcd_id   )
41     );
42
43 //时钟分频模块
44 clk_div u_clk_div(
45     .clk           (sys_clk  ),
46     .rst_n         (sys_rst_n),
47     .lcd_id        (lcd_id   ),
48     .lcd_pclk      (lcd_pclk )
49     );
50
51 //LCD显示模块
52 lcd_display u_lcd_display(
53     .lcd_pclk       (lcd_pclk  ),
54     .rst_n          (sys_rst_n ),
55     .pixel_xpos     (pixel_xpos),
56     .pixel_ypos     (pixel_ypos),
57     .h_disp         (h_disp    ),
58     .v_disp         (v_disp    ),
59     .pixel_data     (pixel_data)
60     );
61
62 //LCD驱动模块
63 lcd_driver u_lcd_driver(
64     .lcd_pclk      (lcd_pclk  ),
65     .rst_n         (sys_rst_n ),
66     .lcd_id        (lcd_id    ),
67     .pixel_data    (pixel_data),
68     .pixel_xpos    (pixel_xpos),
69     .pixel_ypos    (pixel_ypos),
70     .h_disp        (h_disp    ),
71     .v_disp        (v_disp    ),
72
73     .lcd_de        (lcd_de    ),
74     .lcd_hs        (lcd_hs    ),
75     .lcd_vs        (lcd_vs    ),
76     .lcd_bl        (lcd_bl    ),
77     .lcd_clk       (lcd_clk   ),
78     .lcd_rst       (lcd_rst   ),
79     .lcd_rgb       (lcd_rgb_o )
80     );
81
82 endmodule

顶层模块主要完成对其他模块的例化。这里需要重点注意第32行代码，由于lcd_rgb是24位的双向引脚，所以这里对双向引脚的方向做一个切换。当lcd_de信号为高电平时，此时输出的像素数据有效，将lcd_rgb的引脚方向切换成输出，并将LCD驱动模块输出的lcd_rgb_o（像素数据）连接至lcd_rgb引脚；当lcd_de信号为低电平时，此时输出的像素数据无效，将lcd_rgb的引脚方向切换成输入。代码中将高阻状态“Z”赋值给lcd_rgb的引脚，表示此时lcd_rgb的引脚电平由外围电路决定，此时可以读取lcd_rgb的引脚电平，从而获取到LCD屏的ID。
读取ID模块的代码如下：

1   module rd_id(
2       input                   clk    ,    //时钟
3       input                   rst_n  ,    //复位，低电平有效
4       input           [23:0]  lcd_rgb,    //RGB LCD像素数据,用于读取ID
5       output   reg    [15:0]  lcd_id      //LCD屏ID
6       );
7
8   //reg define
9   reg            rd_flag;                 //读ID标志
10
11  //*****************************************************
12  //**                    main code
13  //*****************************************************
14
15  //获取LCD ID   M2:B7  M1:G7  M0:R7
16  always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
17      if(!rst_n) begin
18          rd_flag <= 1'b0;
19          lcd_id <= 16'd0;
20      end
21      else begin
22          if(rd_flag == 1'b0) begin
23              rd_flag <= 1'b1;
24              case({lcd_rgb[7],lcd_rgb[15],lcd_rgb[23]})
25                  3'b000 : lcd_id <= 16'h4342;    //4.3' RGB LCD  RES:480x272
26                  3'b001 : lcd_id <= 16'h7084;    //7'   RGB LCD  RES:800x480
27                  3'b010 : lcd_id <= 16'h7016;    //7'   RGB LCD  RES:1024x600
28                  3'b100 : lcd_id <= 16'h4384;    //4.3' RGB LCD  RES:800x480
29                  3'b101 : lcd_id <= 16'h1018;    //10'  RGB LCD  RES:1280x800
30                  default : lcd_id <= 16'd0;
31              endcase
32          end
33      end
34  end
35
36  endmodule

读取ID模块根据输入的lcd_rgb值来寄存LCD屏的ID。lcd_rgb[7]（B7）、lcd_rgb[15]（G7）和lcd_rgb[23]（R7）分别对应M2、M1和M0。尽管在顶层模块中，双向引脚lcd_rgb会根据lcd_de信号的高低电平来频繁的切换方向，但本模块实际上只在上电后获取了一次ID，通过rd_flag作为标志。当rd_flag等于0时，获取一次ID，并将rd_flag赋值为1；而当rd_flag等于1时，不再获取LCD屏的ID。
除此之外，为了方便将LCD的ID和分辨率对应起来，这里对M2、M1和M0的值做了一个译码，如3’b000译码成16’h4342，表示当前连接的是4.3寸屏，分辨率为480*272。其它ID的译码请参考注释。
分频模块的代码如下：

1   module clk_div(
2       input               clk,          //50Mhz
3       input               rst_n,
4       input       [15:0]  lcd_id,
5       output  reg         lcd_pclk
6       );
7
8   reg          clk_25m;
9   reg          clk_12_5m;
10  reg          div_4_cnt;
11
12  //时钟2分频 输出25MHz时钟
13  always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
14      if(!rst_n)
15          clk_25m <= 1'b0;
16      else
17          clk_25m <= ~clk_25m;
18  end
19
20  //时钟4分频 输出12.5MHz时钟
21  always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
22      if(!rst_n) begin
23          div_4_cnt <= 1'b0;
24          clk_12_5m <= 1'b0;
25      end
26      else begin
27          div_4_cnt <= div_4_cnt + 1'b1;
28          if(div_4_cnt == 1'b1)
29              clk_12_5m <= ~clk_12_5m;
30      end
31  end
32
33  always @(*) begin
34      case(lcd_id)
35          16'h4342 : lcd_pclk = clk_12_5m;
36          16'h7084 : lcd_pclk = clk_25m;
37          16'h7016 : lcd_pclk = clk;
38          16'h4384 : lcd_pclk = clk_25m;
39          16'h1018 : lcd_pclk = clk;
40          default :  lcd_pclk = 1'b0;
41      endcase
42  end
43
44  endmodule

分频模块根据输入的LCD ID对50Mhz时钟进行分频。由于不同分辨率的LCD屏需要的像素时钟频率不一样，因此分频模块根据输入的LCD ID，来输出不同频率的像素时钟lcd_pclk。需要说明的是，我们在本章简介部分向大家列出了一张表，表格里记录了不同分辨率的屏幕所需的像素时钟频率，为了方便编写分频的代码，我们这里没有严格按照表格里所要求的时钟频率进行输出，而是输出接近于表格所要求的时钟频率。例如10.1寸屏，分辨率1280800，如果刷新率为60Hz的话，需要输出70Mhz的像素时钟，这个时钟频率是无法通过编写代码的方式来得到，而是必须使例化时钟模块MMCM/PLL IP核来得到。因此，对于分辨率为1280800的10.1寸屏幕来说，我们输出的是50Mhz的像素时钟，当然大家使用的是10.1寸屏幕，也可以通过例化时钟模块的方式，来输出一个70Mhz的像素时钟。
分频模块通过两个always语句，分别进行2分频和4分频，得到一个25Mhz的时钟和一个12.5Mhz的时钟，如代码中第12行至第31行代码所示。下面我们介绍下如何对输入的时钟进行四分频，也就是50Mhz的时钟四分频后，得到一个12.5Mhz的时钟，其实只需要分频后时钟的周期时原时钟的四倍即可，四分频的波形图如下图所示：

图 7.5.13.3 时钟四分频
上图中的div_4_cnt用于对系统时钟进行计数，四分频计数器只需要一位位宽，即0和1之间跳变。clk_12_5m高电平和低电平分别占用了两个时钟周期，共占用四个时钟周期，sys_clk的时钟频率为50Mhz，周期为20ns，因此clk_12_5m的时钟周期为80ns，时钟频率为12.5Mhz。
在代码的第33行至第42行，通过组合逻辑根据LCD屏的ID选择输出不同频率的像素时钟。
LCD驱动模块的代码如下：

1   module lcd_driver(
2       input                lcd_pclk,    //时钟
3       input                rst_n,       //复位，低电平有效
4       input        [15:0]  lcd_id,      //LCD屏ID
5       input        [23:0]  pixel_data,  //像素数据
6       output       [10:0]  pixel_xpos,  //当前像素点横坐标
7       output       [10:0]  pixel_ypos,  //当前像素点纵坐标
8       output  reg  [10:0]  h_disp,      //LCD屏水平分辨率
9       output  reg  [10:0]  v_disp,      //LCD屏垂直分辨率
10      //RGB LCD接口
11      output               lcd_de,      //LCD 数据使能信号
12      output               lcd_hs,      //LCD 行同步信号
13      output               lcd_vs,      //LCD 场同步信号
14      output               lcd_bl,      //LCD 背光控制信号
15      output               lcd_clk,     //LCD 像素时钟
16      output               lcd_rst,     //LCD复位
17      output       [23:0]  lcd_rgb      //LCD RGB888颜色数据
18      );
19
20  //parameter define
21  // 4.3' 480*272
22  parameter  H_SYNC_4342   =  11'd41;     //行同步
23  parameter  H_BACK_4342   =  11'd2;      //行显示后沿
24  parameter  H_DISP_4342   =  11'd480;    //行有效数据
25  parameter  H_FRONT_4342  =  11'd2;      //行显示前沿
26  parameter  H_TOTAL_4342  =  11'd525;    //行扫描周期
27
28  parameter  V_SYNC_4342   =  11'd10;     //场同步
29  parameter  V_BACK_4342   =  11'd2;      //场显示后沿
30  parameter  V_DISP_4342   =  11'd272;    //场有效数据
31  parameter  V_FRONT_4342  =  11'd2;      //场显示前沿
32  parameter  V_TOTAL_4342  =  11'd286;    //场扫描周期
代码较长，省略部分源代码……
86  //reg define
87  reg  [10:0] h_sync ;
88  reg  [10:0] h_back ;
89  reg  [10:0] h_total;
90  reg  [10:0] v_sync ;
91  reg  [10:0] v_back ;
92  reg  [10:0] v_total;
93  reg  [10:0] h_cnt  ;
94  reg  [10:0] v_cnt  ;
95
96  //wire define
97  wire        lcd_en;
98  wire        data_req;
99
100 //*****************************************************
101 //**                    main code
102 //*****************************************************
103
104 //RGB LCD 采用DE模式时，行场同步信号需要拉高
105 assign  lcd_hs = 1'b1;        //LCD行同步信号
106 assign  lcd_vs = 1'b1;        //LCD场同步信号
107
108 assign  lcd_bl = 1'b1;        //LCD背光控制信号
109 assign  lcd_clk = lcd_pclk;   //LCD像素时钟
110 assign  lcd_rst= 1'b1;        //LCD复位
111 assign  lcd_de = lcd_en;      //LCD数据有效信号
112
113 //使能RGB888数据输出
114 assign  lcd_en = ((h_cnt >= h_sync + h_back) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp)
115                   && (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
116                   ? 1'b1 : 1'b0;
117
118 //请求像素点颜色数据输入
119 assign data_req = ((h_cnt >= h_sync + h_back - 1'b1) && (h_cnt < h_sync + h_back + h_disp - 1'b1)
120                   && (v_cnt >= v_sync + v_back) && (v_cnt < v_sync + v_back + v_disp))
121                   ? 1'b1 : 1'b0;
122
123 //像素点坐标
124 assign pixel_xpos = data_req ? (h_cnt - (h_sync + h_back - 1'b1)) : 11'd0;
125 assign pixel_ypos = data_req ? (v_cnt - (v_sync + v_back - 1'b1)) : 11'd0;
126
127 //RGB888数据输出
128 assign lcd_rgb = lcd_en ? pixel_data : 24'd0;
129
130 //行场时序参数
131 always @(*) begin
132     case(lcd_id)
133         16'h4342 : begin
134             h_sync  = H_SYNC_4342;
135             h_back  = H_BACK_4342;
136             h_disp  = H_DISP_4342;
137             h_total = H_TOTAL_4342;
138             v_sync  = V_SYNC_4342;
139             v_back  = V_BACK_4342;
140             v_disp  = V_DISP_4342;
141             v_total = V_TOTAL_4342;
142         end

代码较长，省略部分源代码……

196 //行计数器对像素时钟计数
197 always@ (posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
198     if(!rst_n)
199         h_cnt <= 11'd0;
200     else begin
201         if(h_cnt == h_total - 1'b1)
202             h_cnt <= 11'd0;
203         else
204             h_cnt <= h_cnt + 1'b1;
205     end
206 end
207
208 //场计数器对行计数
209 always@ (posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
210     if(!rst_n)
211         v_cnt <= 11'd0;
212     else begin
213         if(h_cnt == h_total - 1'b1) begin
214             if(v_cnt == v_total - 1'b1)
215                 v_cnt <= 11'd0;
216             else
217                 v_cnt <= v_cnt + 1'b1;
218         end
219     end
220 end
221
222 endmodule

由本章简介部分可知，在DE模式下，液晶显示屏的同步信号DE对应的是帧和行同时有效的区域段。程序第21行至第84行代码，根据不同分辨率的屏幕做了不同参数的定义，参数的值参考了本章的表 18.1.3。程序第130至194行则根据LCD屏的ID选择不同的时序参数。
程序第105至111行是LCD驱动模块输出的液晶屏控制信号。其中lcd_bl为液晶屏背光控制端口，可以利用该端口输出一个频率在200Hz~1kHz范围之内的PWM（脉冲宽度调制）信号，通过调整PWM信号的占空比来调节液晶屏的显示亮度。这里我们对lcd_bl作简单处理，将其直接赋值为1，此时液晶屏亮度最高。分频模块输出的lcd_pclk直接赋值给LCD屏的lcd_clk（像素时钟）引脚，为RGB LCD屏提供驱动时钟。另外由于我们采用DE同步模式驱动RGB LCD屏，输出给LCD的数据使能信号lcd_de在图像数据有效时拉高，因此可以将模块内部的lcd_en信号直接赋值给lcd_de。另外在DE模式下，需要将输出给LCD的行场同步信号lcd_hs、lcd_vs拉高。
程序第196至206行通过行计数器h_cnt对像素时钟计数，计满一个行扫描周期后清零并重新开始计数。程序第208至220行通过场计数器v_cnt对行进行计数，即扫描完一行后v_cnt加1，计满一个场扫描周期后清零并重新开始计数。
将行场计数器的值与LCD时序中的参数作比较，我们就可以判断DE信号何时有效，以及何时输出RGB888格式的图像数据（第113~116行和第128行）。程序第118至125行输出当前像素点的横纵坐标值，由于坐标输出后下一个时钟周期才能接收到像素点的颜色数据，因此数据请求信号data_req比数据输出使能信号lcd_en提前一个时钟周期。
LCD显示模块的代码如下：

1   module lcd_display(
2       input                lcd_pclk,    //时钟
3       input                rst_n,       //复位，低电平有效
4       input        [10:0]  pixel_xpos,  //当前像素点横坐标
5       input        [10:0]  pixel_ypos,  //当前像素点纵坐标
6       input        [10:0]  h_disp,      //LCD屏水平分辨率
7       input        [10:0]  v_disp,      //LCD屏垂直分辨率
8       output  reg  [23:0]  pixel_data   //像素数据
9       );
10
11  //parameter define
12  parameter WHITE = 24'hFFFFFF;  //白色
13  parameter BLACK = 24'h000000;  //黑色
14  parameter RED   = 24'hFF0000;  //红色
15  parameter GREEN = 24'h00FF00;  //绿色
16  parameter BLUE  = 24'h0000FF;  //蓝色
17
18  //根据当前像素点坐标指定当前像素点颜色数据，在屏幕上显示彩条
19  always @(posedge lcd_pclk or negedge rst_n) begin
20      if(!rst_n)
21          pixel_data <= BLACK;
22      else begin
23          if((pixel_xpos >= 11'd0) && (pixel_xpos < h_disp/5*1))
24              pixel_data <= WHITE;
25          else if((pixel_xpos >= h_disp/5*1) && (pixel_xpos < h_disp/5*2))
26              pixel_data <= BLACK;
27          else if((pixel_xpos >= h_disp/5*2) && (pixel_xpos < h_disp/5*3))
28              pixel_data <= RED;
29          else if((pixel_xpos >= h_disp/5*3) && (pixel_xpos < h_disp/5*4))
30              pixel_data <= GREEN;
31          else
32              pixel_data <= BLUE;
33      end
34  end
35
36  endmodule

LCD显示模块将屏幕显示区域按照横坐标划分为五列等宽的区域，通过判断像素点的横坐标所在的区域，给像素点赋以不同的颜色值，从而实现彩条显示。
下图为RGB TFT-LCD彩条程序显示一行图像时仿真抓取的波形图，图中包含了一个完整的行扫描周期，其中的有效图像区域被划分为五个不同的区域，不同区域的像素点颜色各不相同。

图 7.5.13.4 仿真波形图
1.5 下载验证
首先将FPC排线一端与RGB LCD模块上的J1接口连接，另一端与领航者开发板上的RGB TFTLCD接口连接。连接时，先掀开FPC连接器上的黑色翻盖，将FPC排线蓝色面朝上插入连接器，最后将黑色翻盖压下以固定FPC排线，如图 7.5.13.1和图 7.5.13.2所示。

图 7.5.13.1 正点原子RGBLCD模块FPC连接器

图 7.5.13.2 领航者开发板连接RGB LCD液晶屏
最后将下载器一端连电脑，另一端与开发板上的JTAG端口连接，连接电源线并打开电源开关。
接下来我们下载程序，验证RGB TFT-LCD彩条显示功能。下载完成后观察RGB LCD模块显示的图案如下图所示，说明RGB TFT-LCD彩条显示程序下载验证成功。

图 7.5.13.3 RGB TFT-LCD彩条显示

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1)实验平台:正点原子STM32MP157开发板 2)购买链接:https://item.taobao.com/item.htm?&id=629270721801 3)全套实验源码+手册+视频 ...
【正点原子MP157连载】第二十四章设备树下的LED驱动实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
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【正点原子MP157连载】第二十二章新字符设备驱动实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
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【正点原子MP157连载】第二十章字符设备驱动开发-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
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【正点原子MP157连载】第二十三章 Linux设备树-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
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【正点原子MP157连载】第四十三章外置RTC芯片PCF8563实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
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【正点原子MP157连载】第四章开发环境搭建-摘自【正点原子】【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
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【正点原子MP157连载】第二十八章 Linux并发与竞争实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
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【正点原子MP157连载】第四十一章 RGB转HDMI实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
第四十一章 RGB转HDMI实验目前大多数的显示器都提供了HDMI接口,HDMI的应用范围也越来越广,但是STM32MP157这颗芯片原生并不支持HDMI显示.我们可以通过RGB转HDMI芯片将RG ...

【正点原子MP157连载】第十八章 RGB LCD彩条显示实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7

第十八章 RGB LCD彩条显示实验

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