雙緩沖實(shí)現(xiàn)圖形液晶的快速顯示

摘要：液晶是嵌入式設(shè)備最常用的顯示器件。本文詳細(xì)介紹了用雙緩沖的方式實(shí)現(xiàn)圖形液晶的快速顯示。

1.　引言

在嵌入式設(shè)備中，液晶已經(jīng)成為顯示器件的首選。液晶類型有字符和圖形之分，字符液晶便宜且顯示速度較快。在中文顯示或者復(fù)雜圖表顯示的場合，需要使用圖形液晶。

在液晶接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要正確使用液晶控制器。典型應(yīng)用時(shí)，特別是在嵌入式系統(tǒng)中，常常采用端口尋址的液晶控制器，如SED1335、T6963C等。這種尋址方式的好處是只占用很少的幾個(gè)地址空間，并且控制方便。液晶控制器一方面通過外部總線和微處理器相連;一方面通過內(nèi)部總線與顯示緩沖RAM相連;還有一些驅(qū)動的控制線和數(shù)據(jù)線與液晶相連。微處理器通過液晶控制器，采用地址譯碼方式來執(zhí)行液晶控制、顯示、繪制，以及存貯操作等指令。常用指令有：初始化，顯示方式，移動光標(biāo)，光標(biāo)處的數(shù)據(jù)讀和寫等等。更改顯示RAM中的數(shù)據(jù)，也就更改了液晶屏的相應(yīng)內(nèi)容。

作為現(xiàn)在流行的顯示器件，液晶有其固有的優(yōu)越性，但也有嚴(yán)重不足之處。相對CRT等顯示器件而言，最主要缺陷是視覺效果差，亮度不足，視角偏小，響應(yīng)速度慢(“拖尾”現(xiàn)象)。同時(shí)，根據(jù)前面的敘述，我們可以看到：由于硬件系統(tǒng)的局限性，顯示RAM通過內(nèi)部總線與控制器相連，微處理器對液晶顯示RAM 的尋址采用了間接的端口譯碼方式，而不是速度更快的直接內(nèi)存尋址。譯碼的延時(shí)會進(jìn)一步減緩顯示速度。表現(xiàn)在用戶界面上，很可能出現(xiàn)刷新的延遲，屏幕的閃爍，以及余輝現(xiàn)象，都會引起視覺的不舒適。一方面降低了產(chǎn)品的檔次，另外用戶長時(shí)間操作時(shí)會導(dǎo)致眼睛的疲勞，產(chǎn)生厭倦情緒。

2.　基本介紹

無論是LCD還是CRT，進(jìn)行繪圖，都是在“畫布”上做清除舊位置的圖和重新畫新位置的圖的操作。當(dāng)程序執(zhí)行速度不夠快時(shí)，我們會看到清除的操作與重畫的操作，這就造成了閃爍現(xiàn)象。解決這個(gè)問題的方法之一，就是把清除與重畫的操作放在另一張“畫布”上完成，等到畫完后再復(fù)制到最后要顯示的“畫布”上。這種繪圖方式就是雙緩沖。

實(shí)際上，圖形的雙緩沖顯示方式，對于Windows程序設(shè)計(jì)員來說，一點(diǎn)也不陌生。以MFC繪圖機(jī)制來說，CPaintDC就是要顯示的畫布，如果我們使用另外一個(gè)兼容的DC來做清除與重畫的操作，再把整個(gè)DC的圖像復(fù)制到CPaintDC，就可以避免屏幕閃爍的問題。對于多數(shù)嵌入式設(shè)備來說，由于MCU的處理速度要慢許多，因此在軟件設(shè)計(jì)中，更需借鑒這種方法，以期提高顯示速度，最大限度地降低液晶的顯示缺陷。

3.　實(shí)現(xiàn)方法

雙緩沖方式不僅可以提高液晶顯示速度，還可以改善軟件模塊的封裝性和可移植性。實(shí)現(xiàn)時(shí)，就是在系統(tǒng)存貯器中開辟一塊顯示RAM 的鏡像緩沖區(qū)域，此區(qū)域保存了預(yù)備顯示圖像的“快照”。當(dāng)更改屏幕內(nèi)容時(shí)，先更改鏡像區(qū)域的內(nèi)容;需要顯示時(shí)，才把“快照”數(shù)據(jù)刷新到顯示RAM。這樣對于用戶界面而言，顯示速度只取決于“快照”的送入速度。

下面，我們以兩種常用的液晶控制器(T6963C和SED1335)為例，說明如何使用雙緩沖的方式進(jìn)行液晶的快速顯示。為了簡單起見，我們直接選用內(nèi)藏驅(qū)動和控制器的典型圖形液晶顯示模塊。

1) 基于T963C的液晶顯示模塊SMG24064B

SMG24064B是顯示點(diǎn)陣為240*64、控制器為T6963C的液晶顯示模塊，工作環(huán)境是5V/10mA，生產(chǎn)廠家為長沙太陽人。許多液晶生產(chǎn)廠家都有和這款相兼容的產(chǎn)品，如大連東顯、深圳拓普微、臺灣晶采等。其接口信號說明如下：

表1 SMG24064B信號線說明

SMG24064B應(yīng)用時(shí)，可以采用總線方式或者模擬口線方式。雙緩沖方式只能采用總線方式，通過端口譯碼來實(shí)現(xiàn)。下圖是一種典型的接口電路。圖中的GAL實(shí)現(xiàn)地址譯碼，當(dāng)然也可以采用74138等完成譯碼。譯碼輸出信號連接到T6963C控制器的片選使能端CE，而數(shù)據(jù)命令選擇端C/D可以接地址線A0。

圖1 SMG24064B與8031的總線連接

這樣，就得到了兩個(gè)譯碼端口，一個(gè)端口作為控制口，向T6963C送入命令;一個(gè)端口作為數(shù)據(jù)口，向T6963C送入數(shù)據(jù)。采用地址譯碼方式來執(zhí)行液晶控制、顯示、繪制，以及存貯操作等指令。

顯而易見，240×64液晶的顯示RAM 空間為240/8×64=1920字節(jié)。而T6963C控制器內(nèi)部自帶8KB的RAM緩沖區(qū)，其中顯示緩沖區(qū)首地址寄存器對應(yīng)的后續(xù)1920字節(jié)的內(nèi)容就映射到LCD屏幕的相應(yīng)位置。這樣，我們從嵌入式系統(tǒng)MCU擴(kuò)充的外部RAM中分配1920字節(jié)作為鏡像顯示緩沖(軟件編程也就是從外部RAM中分配1920字節(jié)的數(shù)組)，來實(shí)現(xiàn)雙緩沖顯示。對于應(yīng)用系統(tǒng)而言，如果擴(kuò)展的外部RAM較大(如32KB)時(shí)，分配不到2KB的鏡像顯示緩沖，開銷不算大;但卻可以大大改善顯示的速度。

這樣，LCD的繪圖程序，比如畫點(diǎn)、畫線、填充、字符串顯示等，都是在鏡像緩沖RAM中操作的;只有兩個(gè)程序，LCD的初始化程序InitLCD(初始化液晶，設(shè)置液晶的顯示模式等)和顯示程序DisplayLCD(把鏡像緩沖數(shù)據(jù)刷新到T6963C內(nèi)的顯示RAM緩沖)，與底層硬件相關(guān)。下面是顯示程序DisplayLCD的實(shí)現(xiàn)流程：

1、 設(shè)置液晶顯示的起始0地址(數(shù)據(jù)口寫入數(shù)據(jù)0x00和0x00，命令口寫入數(shù)據(jù)0x24);

2、 設(shè)置液晶連續(xù)寫模式(命令口寫入數(shù)據(jù)0xb0);

3、 把鏡像緩沖中的1920個(gè)數(shù)據(jù)連續(xù)送入數(shù)據(jù)口(數(shù)據(jù)口寫入顯示數(shù)據(jù));

4、 中止液晶連續(xù)寫模式(命令口寫入數(shù)據(jù)0xb2)。

上述命令指令含義請參見液晶模塊或者控制器相關(guān)資料。顯示程序只在要最終顯示的時(shí)候才調(diào)用，它決定了顯示速度，我們可以專門對它進(jìn)行優(yōu)化，或者用匯編代碼完成，實(shí)現(xiàn)最快的顯示速度。

當(dāng)然，如果系統(tǒng)擴(kuò)展的RAM空間足夠時(shí)，我們還可以采用三緩沖的方式，也就是在系統(tǒng)RAM中分配兩塊鏡像區(qū)域。一塊緩沖保存當(dāng)前顯示圖形數(shù)據(jù)，另一塊保存下一個(gè)圖形數(shù)據(jù)，然后交替地把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入顯示RAM，完成顯示。這種方式適用于以下情況：用戶界面的更新多數(shù)只是局部更新，因此通過比較兩塊緩沖數(shù)據(jù)的不同，顯示時(shí)只需要送入當(dāng)前緩沖中不相同的部分?jǐn)?shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高顯示速度。

2) 基于SED1335的液晶顯示模塊EDM320240-2

EDM320240-2是顯示點(diǎn)陣為320*240、控制器為SED1335的液晶顯示模塊，RAM的顯示容量為32KB，生產(chǎn)廠家為大連東顯。許多320*240的液晶，如DMF50081、LM32019P/T等，都可采用SED1335控制器。 實(shí)際上，對于較大的圖形液晶，通常采用SED1330/1335系列控制器。此控制器功能強(qiáng)大，具有豐富指令集，與MPU接口有較強(qiáng)的I/O緩沖器，可以管理64K顯示緩沖區(qū)。具備文本/圖形顯示特性?？梢燥@示文本區(qū)和三個(gè)圖形顯示區(qū)的內(nèi)容(通過軟件初始化實(shí)現(xiàn))，其中三個(gè)圖形顯示區(qū)L1、L2、L3可以單獨(dú)顯示，也可以合成顯示。如下圖所示：

圖2　EDM320240-2的圖形顯示區(qū)

顯而易見，320×240的圖形液晶顯示緩存至少需要320/8×240=9600字節(jié)。而利用三區(qū)顯示特性時(shí)，通過內(nèi)部總線需要擴(kuò)充顯示RAM為9600×3=28800字節(jié)。因此，對于液晶模塊廠家來說，硬件設(shè)計(jì)時(shí)通常擴(kuò)充了32K的顯示RAM，如62256。實(shí)際上，多數(shù)時(shí)候我們只用單區(qū)來顯示就足夠了。

在嵌入式應(yīng)用中，如果需要液晶顯示程序有較好的移植性，并且系統(tǒng)RAM足夠大，足夠分配9600字節(jié)的鏡像緩沖的話，那么，最好就象上面的T6963C應(yīng)用示例一樣處理吧。分配9600字節(jié)的鏡像緩沖后，所有的畫點(diǎn)、畫線、位圖等操作，都是在鏡像緩沖RAM中完成，你只需要在顯示的時(shí)候，把鏡像緩沖RAM中數(shù)據(jù)送到顯示區(qū)。

如果應(yīng)用系統(tǒng)沒有足夠的RAM，也不要緊。我們可以巧妙地應(yīng)用SED1335提供的特性，把顯示區(qū)L1，L2當(dāng)成雙緩沖，同樣實(shí)現(xiàn)雙緩沖的顯示，一樣可以使得屏幕畫面變化時(shí)沒有延時(shí)和閃爍現(xiàn)象。不過，此時(shí)的畫點(diǎn)畫線操作都與硬件相關(guān)，軟件模塊的移植性不夠好。

具體敘述如下：首先關(guān)閉顯示區(qū)L1，L2，L3;在顯示區(qū)L1上完成“快照”(即畫點(diǎn)畫線操作)，然后打開L1，即單獨(dú)顯示L1;畫面變化時(shí)，就把變化后的畫面“快照”到L2。當(dāng)需要刷新顯示時(shí)，關(guān)閉L1，打開L2即可。下次再關(guān)閉L2，打開L1。如此交替反復(fù)。

當(dāng)然，SED1335具備3個(gè)顯示區(qū)，有效利用可以完成更加有趣的應(yīng)用，在此不多談。下圖為定時(shí)刷新顯示的示意圖：

圖3　EDM320240-2的圖形顯示

4.　結(jié)束語

采用這種方法，具有很多好處：

1. 顯示內(nèi)容更改快。表現(xiàn)在用戶界面上，幾乎感覺不到刷新和閃爍。

2. 軟件模塊封裝好。菜單編程模塊和刷新顯示模塊分開。菜單編程模塊與具體硬件無關(guān)，只對鏡像RAM操作。刷新模塊才和硬件相關(guān)。軟件的更改和移植方便。

3. 可以輕松完成許多特技效果，如畫面的滾動，平移推拉，交錯(cuò)，百葉窗等。

4. 由于用戶界面保存于鏡像RAM中，還方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷等功能。

綜上所述，雙緩沖方式不僅可以實(shí)現(xiàn)液晶的快速顯示，盡可能地避免屏幕閃爍，延遲，余輝等現(xiàn)象，還可以實(shí)現(xiàn)許多有趣和特殊的顯示。這種思想也適用于文本型液晶的快速顯示，同樣也適用于CRT等其他有較大顯示容量的顯示器件。運(yùn)用之妙，在乎各人了。