双缓冲实现图形液晶的快速显示

1.　引言

在嵌入式设备中，液晶已经成为显示器件的首选。液晶类型有字符和图形之分，字符液晶便宜且显示速度较快。在中文显示或者复杂图表显示的场合，需要使用图形液晶。

在液晶接口电路设计时，需要正确使用液晶控制器。典型应用时，特别是在嵌入式系统中，常常采用端口寻址的液晶控制器，如SED1335、T6963C等。这种寻址方式的好处是只占用很少的几个地址空间，并且控制方便。液晶控制器一方面通过外部总线和微处理器相连;一方面通过内部总线与显示缓冲RAM相连;还有一些驱动的控制线和数据线与液晶相连。微处理器通过液晶控制器，采用地址译码方式来执行液晶控制、显示、绘制，以及存贮操作等指令。常用指令有：初始化，显示方式，移动光标，光标处的数据读和写等等。更改显示RAM中的数据，也就更改了液晶屏的相应内容。

作为现在流行的显示器件，液晶有其固有的优越性，但也有严重不足之处。相对CRT等显示器件而言，最主要缺陷是视觉效果差，亮度不足，视角偏小，响应速度慢(“拖尾”现象)。同时，根据前面的叙述，我们可以看到：由于硬件系统的局限性，显示RAM通过内部总线与控制器相连，微处理器对液晶显示RAM 的寻址采用了间接的端口译码方式，而不是速度更快的直接内存寻址。译码的延时会进一步减缓显示速度。表现在用户界面上，很可能出现刷新的延迟，屏幕的闪烁，以及余辉现象，都会引起视觉的不舒适。一方面降低了产品的档次，另外用户长时间操作时会导致眼睛的疲劳，产生厌倦情绪。

2.　基本介绍

无论是LCD还是CRT，进行绘图，都是在“画布”上做清除旧位置的图和重新画新位置的图的操作。当程序执行速度不够快时，我们会看到清除的操作与重画的操作，这就造成了闪烁现象。解决这个问题的方法之一，就是把清除与重画的操作放在另一张“画布”上完成，等到画完后再复制到最后要显示的“画布”上。这种绘图方式就是双缓冲。

实际上，图形的双缓冲显示方式，对于Windows程序设计员来说，一点也不陌生。以MFC绘图机制来说，CPaintDC就是要显示的画布，如果我们使用另外一个兼容的DC来做清除与重画的操作，再把整个DC的图像复制到CPaintDC，就可以避免屏幕闪烁的问题。对于多数嵌入式设备来说，由于MCU的处理速度要慢许多，因此在软件设计中，更需借鉴这种方法，以期提高显示速度，最大限度地降低液晶的显示缺陷。

3.　实现方法

双缓冲方式不仅可以提高液晶显示速度，还可以改善软件模块的封装性和可移植性。实现时，就是在系统存贮器中开辟一块显示RAM 的镜像缓冲区域，此区域保存了预备显示图像的“快照”。当更改屏幕内容时，先更改镜像区域的内容;需要显示时，才把“快照”数据刷新到显示RAM。这样对于用户界面而言，显示速度只取决于“快照”的送入速度。

下面，我们以两种常用的液晶控制器(T6963C和SED1335)为例，说明如何使用双缓冲的方式进行液晶的快速显示。为了简单起见，我们直接选用内藏驱动和控制器的典型图形液晶显示模块。

1) 基于T963C的液晶显示模块SMG24064B

SMG24064B是显示点阵为240*64、控制器为T6963C的液晶显示模块，工作环境是5V/10mA，生产厂家为长沙太阳人。许多液晶生产厂家都有和这款相兼容的产品，如大连东显、深圳拓普微、台湾晶采等。其接口信号说明如下：

表1 SMG24064B信号线说明

SMG24064B应用时，可以采用总线方式或者模拟口线方式。双缓冲方式只能采用总线方式，通过端口译码来实现。下图是一种典型的接口电路。图中的GAL实现地址译码，当然也可以采用74138等完成译码。译码输出信号连接到T6963C控制器的片选使能端CE，而数据命令选择端C/D可以接地址线A0。

图1 SMG24064B与8031的总线连接

这样，就得到了两个译码端口，一个端口作为控制口，向T6963C送入命令;一个端口作为数据口，向T6963C送入数据。采用地址译码方式来执行液晶控制、显示、绘制，以及存贮操作等指令。

显而易见，240×64液晶的显示RAM 空间为240/8×64=1920字节。而T6963C控制器内部自带8KB的RAM缓冲区，其中显示缓冲区首地址寄存器对应的后续1920字节的内容就映射到LCD屏幕的相应位置。这样，我们从嵌入式系统MCU扩充的外部RAM中分配1920字节作为镜像显示缓冲(软件编程也就是从外部RAM中分配1920字节的数组)，来实现双缓冲显示。对于应用系统而言，如果扩展的外部RAM较大(如32KB)时，分配不到2KB的镜像显示缓冲，开销不算大;但却可以大大改善显示的速度。

这样，LCD的绘图程序，比如画点、画线、填充、字符串显示等，都是在镜像缓冲RAM中操作的;只有两个程序，LCD的初始化程序InitLCD(初始化液晶，设置液晶的显示模式等)和显示程序DisplayLCD(把镜像缓冲数据刷新到T6963C内的显示RAM缓冲)，与底层硬件相关。下面是显示程序DisplayLCD的实现流程：

1、 设置液晶显示的起始0地址(数据口写入数据0x00和0x00，命令口写入数据0x24);

2、 设置液晶连续写模式(命令口写入数据0xb0);

3、 把镜像缓冲中的1920个数据连续送入数据口(数据口写入显示数据);

4、 中止液晶连续写模式(命令口写入数据0xb2)。

上述命令指令含义请参见液晶模块或者控制器相关资料。显示程序只在要最终显示的时候才调用，它决定了显示速度，我们可以专门对它进行优化，或者用汇编代码完成，实现最快的显示速度。

当然，如果系统扩展的RAM空间足够时，我们还可以采用三缓冲的方式，也就是在系统RAM中分配两块镜像区域。一块缓冲保存当前显示图形数据，另一块保存下一个图形数据，然后交替地把缓冲区的数据送入显示RAM，完成显示。这种方式适用于以下情况：用户界面的更新多数只是局部更新，因此通过比较两块缓冲数据的不同，显示时只需要送入当前缓冲中不相同的部分数据，可以进一步提高显示速度。

2) 基于SED1335的液晶显示模块EDM320240-2

EDM320240-2是显示点阵为320*240、控制器为SED1335的液晶显示模块，RAM的显示容量为32KB，生产厂家为大连东显。许多320*240的液晶，如DMF50081、LM32019P/T等，都可采用SED1335控制器。 实际上，对于较大的图形液晶，通常采用SED1330/1335系列控制器。此控制器功能强大，具有丰富指令集，与MPU接口有较强的I/O缓冲器，可以管理64K显示缓冲区。具备文本/图形显示特性。可以显示文本区和三个图形显示区的内容(通过软件初始化实现)，其中三个图形显示区L1、L2、L3可以单独显示，也可以合成显示。如下图所示：

图2　EDM320240-2的图形显示区

显而易见，320×240的图形液晶显示缓存至少需要320/8×240=9600字节。而利用三区显示特性时，通过内部总线需要扩充显示RAM为9600×3=28800字节。因此，对于液晶模块厂家来说，硬件设计时通常扩充了32K的显示RAM，如62256。实际上，多数时候我们只用单区来显示就足够了。

在嵌入式应用中，如果需要液晶显示程序有较好的移植性，并且系统RAM足够大，足够分配9600字节的镜像缓冲的话，那么，最好就象上面的T6963C应用示例一样处理吧。分配9600字节的镜像缓冲后，所有的画点、画线、位图等操作，都是在镜像缓冲RAM中完成，你只需要在显示的时候，把镜像缓冲RAM中数据送到显示区。

如果应用系统没有足够的RAM，也不要紧。我们可以巧妙地应用SED1335提供的特性，把显示区L1，L2当成双缓冲，同样实现双缓冲的显示，一样可以使得屏幕画面变化时没有延时和闪烁现象。不过，此时的画点画线操作都与硬件相关，软件模块的移植性不够好。

具体叙述如下：首先关闭显示区L1，L2，L3;在显示区L1上完成“快照”(即画点画线操作)，然后打开L1，即单独显示L1;画面变化时，就把变化后的画面“快照”到L2。当需要刷新显示时，关闭L1，打开L2即可。下次再关闭L2，打开L1。如此交替反复。

当然，SED1335具备3个显示区，有效利用可以完成更加有趣的应用，在此不多谈。下图为定时刷新显示的示意图：

图3　EDM320240-2的图形显示

4.　结束语

采用这种方法，具有很多好处：

1. 显示内容更改快。表现在用户界面上，几乎感觉不到刷新和闪烁。

2. 软件模块封装好。菜单编程模块和刷新显示模块分开。菜单编程模块与具体硬件无关，只对镜像RAM操作。刷新模块才和硬件相关。软件的更改和移植方便。

3. 可以轻松完成许多特技效果，如画面的滚动，平移推拉，交错，百叶窗等。

4. 由于用户界面保存于镜像RAM中，还方便实现远程诊断等功能。

综上所述，双缓冲方式不仅可以实现液晶的快速显示，尽可能地避免屏幕闪烁，延迟，余辉等现象，还可以实现许多有趣和特殊的显示。这种思想也适用于文本型液晶的快速显示，同样也适用于CRT等其他有较大显示容量的显示器件。运用之妙，在乎各人了。