【I/O设备】显示设备 Display

显示设备

• 电信号→视觉信号
• 属于软复制输出设备：输出内容不能长期保存
• 显示内容分为：字符、图形、图像

按显示器件分类：CRT、LCD、OLED等 (PD、LED、ELD、ECD、EPID)

按显示原理分类：

• 主动显示器件：CRT、OLED，外加电信号作用下，器件自身产生光辐射进行显示
• 被动显示器件：LCD，器件本身不发光，需要另设光源，器件用来改变光的亮度(光调制器件)

CRT

显示原理

从VRAM中读取显示数据，送往显示器件，显示器件根据数据信号进行光栅扫描

光栅扫描方式

• 电子束被水平同步信号、垂直同步信号控制，扫描整个屏幕

• 从左上角开始沿水平方向从左向右匀速扫描

• 达到右端后，产生水平同步信号，迅速水平回扫到左端下一行位置(消隐)

• 从上到下，隔行扫描或逐行扫描(形成光栅)

• 直到屏幕右下角，产生垂直同步信号，迅速垂直回扫到左上角(消隐)

• 当扫描完所有的行,形成一帧
  
  

• 消隐：水平回扫、垂直回扫时，屏幕上没有亮光显示(虚线)

• 光栅：一条条水平线(实线)

• 隔行扫描：第一场只扫奇数行、第二场只扫偶数行，扫描一帧需要两场。(已淘汰)

• 逐行扫描：每场扫描所有行。(对行扫描频率要求较高，但控制简单、画面质量好)

主要技术指标

• 点距：屏幕上两个相邻的同色荧光点之间的距离，点距越小越清晰越细腻(单位mm)

• 分辨率：显示区域的宽、高 除以 点距

• 场频(垂直扫描频率)：每秒屏幕重复绘制显示画面的次数，场频越高图像越稳定(单位Hz)

• 行频(水平扫描频率)：电子枪每秒在屏幕水平扫过的水平条数,应大于“垂直分辨率x场频”，可以在一定范围内变化(单位kHz）

• 视频带宽(Band Width)：每秒钟电子枪扫描过的总象素，等于“水平分辨率x垂直分辨率x场频（画面刷新次数）”。在实际应用中，为了避免图像边缘故的信号衰减，保持图像四周清晰，电子枪的扫描能力需要大于分辨率尺寸，水平方向通常要大25%，垂直方向要大8%，实际等于“水平分辨率x垂直分辨率x场频x135%”(单位MHz)

• 刷新率：显示器每秒重画屏幕的次数

• 屏幕尺寸：对角线长度(单位in)

显示存储器VRAM

Video RAM用来存储刷新画面的数据

• VRAM的存取周期要满足刷新率的要求，可以在VRAM中每次存放多帧的数据，通过控制缓存区指针来获取不同帧中内容

字符模式(Alpha Number Mode)

字符窗口

• 一小块显示区域，一般大小为8x8、8x14、9x14等
• 包括字符点阵、字符间隔
• 以9x14为例，字符点阵为7x9、剩下为字符间隔

屏幕被划分若干行和列(如80列x25行)

早期VRAM比较小，VRAM中每个字符按ASCII码(8bit)保存(只能显示字母、数字等字符)，控制字符窗口

字符发生器(字符库)

• 用于将VRAM中的ASCII码，查表转为字符点阵，在字符窗口中显示
• 一维数组(查表)：下标为{ASCII码,行扫描线序号} → 值为行点阵码
• 行扫描线序号：字符点阵的行号，从0开始技术，从上到下
• 行点阵码：每一行点阵，每个点为1bit(1为亮点、0为暗点)，构成行点阵码
  
  

显示控制器

字符窗口为9x14、80列x25列：9列(点帧)→80列(字符)→14行(点帧)→25行(字符)

• 点计数器：输出一个行点阵码，7个字符点阵、2个字符间隔，共9个计数脉冲
• 字计数器：输出80个字、假设水平回扫时间为18个字符，共98个计数脉冲
• 行计数器：扫描9行字符点阵、扫描5行字符间隔(消隐)，共14个计数脉冲
• 排计数器：输出25行字，假设垂直回扫时间为1排(消隐)，共26个脉冲

VRAM逻辑分区

• 字符代码缓冲区：存放ASCII码，占1B/字符，若80列x25行，至少占用2000B
• 显示属性缓冲区：存放字符的显示属性，占1B

图形模式(All Points Addressable Mode)

• 后来VRAM容量变大，在VRAM中，可以保存每个像素点的数据，可以显示图形、图像等位图
• 控制显示内容：对所有像素点均可寻址，1bit~3Byte→每个像素点

按每个像素点占VRAM的大小

• 无灰度级单色显示器(1bit)：0-暗点、1-亮点
• 单色显示器(8bit)：控制明暗亮度程度(灰度级)
• 彩色显示器：由RGB构成,控制每种颜色的灰度级，显示不同颜色(颜色数)
• 真彩色显示器(24bit)：RGB的灰度级都是256级-8bit

显示控制器

分辨率为640像素x480行、16色(2的4次方，4bit)

• 8分频：VRAM中按行地址+列地址每次取出数据为8bit，每8个周期从VRAM中取出1Byte数据
• 列计数器：640像素(640bit)为80Byte、需要80个周期扫完一行、水平回扫折算为18个周期
• 行计数器：480行、需要480个周期扫完一屏、垂直回扫折算为8个周期
• 按行、列计数器可自动遍历VRAM的输出数据信号、同时在行列计数器溢出(行结束、帧结束)时产生水平同步信号、和垂直同步信号

LCD

LCD 结构

类似于百叶窗后面放几个大灯泡

• 背光层Back-light
• 液晶层Liquid crystal
• 颜色过滤层Color filter：红绿蓝三色薄膜
  
  

LCD显示原理

• 偏振片(偏光片)：只允许与其方向相同的光波通过、经过偏振片后光波都成同一方向
• 液晶单元：胶状有机分子，像液体一样流动又有晶体空间结构。使用电场可以将液晶分子超某个方向重新排列，用光照射液晶时，光的偏振角和强度受电场影响
• 背光层发出白光，经过颜色过滤层显示RGB（被动发光）
• RGB亮度控制：液晶被垂直于面板的纵向电场控制液晶分支的旋转。可以改变偏振角和控制通过光的数量,从而控制透光量

LCD缺点：背光层常亮,无法单点开关(导致黑色漏光)

显示驱动电路

显示驱动电路：提供电场(电压)

无源阵列 PM

• 也称被动(无源)矩阵（缺点：一定有串扰）
• 主要技术：STN，超级偏转向列型设计，每个液晶单元被水平边界和垂直边界的两个晶体管的电荷所控制(每一行共用一个晶体管、每一列共用一个晶体管)，当两个晶体管产生的脉冲，将对光波产生偏转，电荷越强，光波偏转越厉害，

有源阵列 AM

• 也称主动(有源)矩阵，使用主动(有源)开关器件(如TFT,TFD等)构成矩阵。(不受串扰)
• 主要技术：TFT，电压型开关，结构类似于N沟道耗尽型MOS，每个像素都有单独的晶体管控制(但源极不接衬底，源漏极等电位)

TFT构造分类：

• a-Si，Amorphous Silicon，非晶硅技术
• IGZO，Indium Gallium Zinc Oxide，铟镓锌氧化物(薄膜电晶体)技术
• LTPS，LowTemperature Poly-silicon，低温多晶硅

LCD光源分类

• CCFL
• LED：SMD LED贴片，比CCFL亮度更高、功耗更低。
• QLED：蓝色LED+“量子点转换层”(锌镉硒硫等组成的半导体材料，产生绿光和红光)、相对于miniLED成本低
• miniLED：传统LED背光进行小型化,画面更明亮,亮度更加均匀、成本高

LCD面板分类

• TN：液晶垂直排列指压为水波纹，响应快但是色彩，对比度跟可视角度都非常差

• VA：液晶垂直排列指压为梅花纹，表现适中。(细分：夏普的CPA、富士通的MVA和S-MVA、三星的PVA和S-PVA、索尼三星合资SLCD)

• IPS：液晶水平排列指压无波纹(硬屏)，色彩、对比度、可视角好，响应慢。(平行于面板的横向电场使液晶分子平面旋转角更大)

• IPS/FFS/PLS：可视角度广但是透光率低，响应速度也不快

• VA/CPA/SLCD/PSA/SPVA：介于上面二者之间

OLED

OLED 结构

类似于每个像素点都是一个小灯泡

• 玻璃基板
• 有机发光层：几十纳米厚的有机材料涂层,由电极注入的电子和空穴在发光层中复合形成处于束缚能级的电子空穴对即激子,激子辐射退激发发出光子,产生可见光.
  
  

OLED显示原理

• 有机半导体材料在电场驱动下，导致发光的现象(主动发光)
• RGB亮度控制：PWM方式调整亮度

OLED优点：更薄(折叠、弯曲)、无法单点开关(黑色更纯、夜间模式功耗更低)

OLED分类

• AMOLED：用TFT进行驱动，驱动电压低寿命长，成本高工艺复杂
• PMOLED：直接用阴极阳极，驱动电压高，不适合大尺寸高分辨率，成本低结构简单

嵌入式的显示接口

接口用途：MCU某种显示接口屏幕

接口标准：由MIPI制定

接口标准分类：DBI、DPI、DSI

MIPI：2003年由ARM,Nokia,ST,TI等公司成立的一个联盟,目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化

DBI

• A类：基于Motorola 6800总线
• B类：基于Intel 8080总线：5条基本的控制线(复位RST、片选CS、写WR、读RD、命令/数据RS)和多条双向数据线（8/9/16/18位）。(简称80并口)
• C类：基于SPI协议

DPI

LCD-TFT控制器 LTDC

工作过程；按像素时钟(LCD_CLK)不断向屏幕发送图像数据(像素点：3个RGB数据信号)

• 从屏幕左上角一点开始,从左向右逐点扫描。每扫描完一行,产生行(水平)同步信号(HSYNC),电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置.
• 当扫描完所有的行,形成一帧,产生场(垂直)同步信号(VSYNC),使扫描回到屏幕左上方,同时进行场消隐,开始下一帧。

水平信号：HSYNC同步、HBP后肩(行首)、Active Width宽、HFP前肩(行尾)。(单位:像素时钟)

垂直信号：VSYNC同步、VBP后肩(帧首)、Active height高、VFP前肩(帧尾)。(单位:行)

Horizontal水平、Vertical垂直、Back后、Front前、Porch肩

DSI

缩写	全称	翻译	备注
CCFL	Cold Cathode Fluorescent Lamp	冷阴极荧光灯管	光源
LED	Light-Emitting Diode	发光二极管	光源
QLED	Quantum Dot LED	量子点发光二极管	光源
AM	Active Matrix	主动矩阵	驱动电路
PM	Passive Matrix	被动矩阵	驱动电路
TFT	Thin Film Transistor	薄膜晶体管	有源开关器件
CRT	Cathode Ray Tube	阴极射线管显示器	显示技术
LCD	Liquid Crystal Display	液晶显示器	显示技术
OLED	Organic LED	有机发光二极管显示器
PD	Plasma Display	等离子显示器	显示技术
ELD		场致发光显示器	显示技术
ECD		电致变色显示器	显示技术
EPID		电泳显示器	显示技术
FPD	Flat Panel Display	平板显示技术	显示技术
TN	Twisted Nematic	扭曲向列技术	液晶面板
IPS	In-Plane Switching	平面转换技术	液晶面板
VA	Vertical Alignment	垂直配向技术	液晶面板
MIPI	Mobile Industry Processor Interface	移动行业处理器接口联盟	组织机构
DBI	Display Bus Interface	显示总线接口	显示接口
DPI	Display Pixel Interface	显示像素接口(RGB接口)	显示接口
DSI	Display Serial Interface	-	显示接口
LTDC	LCD-TFT Display Controller	LCD-TFT显示控制