基于RGB接口模拟8080总线接口实现研究
时间：2023-01-16 12:55:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
丁 锐，虞尚智，周 奇，郑木彬
（1中山火炬职业技术学院 广东 中山 528400）
（2珠海海奇半导体有限公司 广东 珠海 519000）
在图像显示领域常用的数据接口有高清晰度多媒体接口（HDMI）、三原色视频输入接口（RGB接口)及Intel 8080总线接口。Intel 8080总线全称为8080并口总线协议，8080总线接口凭借接口简单、控制方便、无需同步时钟和同步信号等优势在中小尺寸LCD/OLED显示领域得到了大量的使用。Intel 8080总线接口的显示设备需由带有Intel 8080接口的MCU主控芯片驱动。夏云超[1]设计并实现了基于FPGA的8080总线通信协议接口。黄克亚[2]设计了基于FSMC总线实现8080总线时序。郭利霞[3]设计了基于AMBA总线的8080接口控制IP。
使用8080总线接口的屏幕一般自带驱动芯片，驱动芯片自带显存，上位机只需要把显示数据发送给驱动芯片，驱动芯片首先把数据保存到显存中，再把显存中的数据显示到屏幕上。使用8080总线接口的屏幕的优点是控制简单方便，无需时钟和同步信号，无需上位机提供显存，可省掉存储器，适用于小尺寸屏幕的应用。例如240×320尺寸，采用RGB565模式（16 bit/像素），加上部分空白区域，20帧的刷新率所需时钟速度大概在3 MHz。对于自带硬件8080总线接口的上位机来说实现起来并不困难，比如STM32[4]，但是对于没有硬件8080总线接口的上位机，如果通过GPIO模拟的方式实现，速度只能达到2 MHz，且会消耗大量的CPU资源，效率较低。
通过研究发现，RGB接口和8080总线接口的时序具有一定的相似性，本文设计了一种基于RGB接口硬件模块来模拟Intel 8080总线接口的方法及电路，以解决现有技术中不带8080接口的主控芯片用于驱动8080总线接口的显示设备需通过GPIO口模拟，速度慢、效率低的问题。
图1描述了8080总线接口的时序图，具体信号描述如下。
D：数据总线；
RESX：复位信号，低电平有效；
CSX：片选信号，低电平有效；
DCX：命令使能，低电平有效；
WRX：写使能，上升沿触发有效；
RDX：读使能，上升沿触发有效。
RGB接口是红绿蓝三原色视频输入接口，是一种常见的LCD视频输入接口。李钢[5]基于STM32处理器的FSM接口挂载RGB接口数字屏并结合DMA传输的方式设计出了一种驱动RGB数字屏的方法。
图2描述了RGB接口的时序，具体信号描述如下。VSYNC：帧同步信号，代表一帧画面的起始同步信号，高电平有效；
HSYNC：行同步信号，代表一帧画面中每一行的起始同步信号，高电平有效；
VDEN：简称DE（data enable），数据使能信号，高电平有效；
VCLK：时钟信号；
VD：数据总线。
本文的技术方案分为3个部分，针对命令部分采用GPIO模拟的方式，针对并行数据和写使能分别采用RGB的数据和时钟信号代替，片选信号则由简单外围电路配合使用。
本文设计了以下几种方案可供选择。
3.1 方案一
方案一针对主控模块的RGB数据使能信号DE可以配置为低电平有效，那么DE信号可以直接与LCD的CSX信号连接，电路连接如图3所示：
本文设计采用主控模块自带的RGB接口中的数据使能端输出的数据使能信号模拟8080接口时序中数据模式下的片选信号；
RGB接口中的时钟信号端输出的时钟信号模拟8080接口时序中的数据模式下的写使能信号；
RGB数据总线接口DATA1[15:0]与显示设备的8080接口的数据总线端DATA0[15:0]直连，发送并行数据信号；
同时，分别采用3个IO口模拟8080接口时序中命令模式下的片选信号、命令模式下的写使能信号及命令指示信号。主控模块采用自带的RGB接口及IO口模拟8080接口时序，无需全部采用IO模拟，节省了CPU资源，提高了数据传输速度及效率。
主控模块1的GPIO3用于DCX连接，并向显示设备2发送命令指示信号；
其中，命令指示信号用于指示显示设备2工作在命令模式或数据模式下；
主控模块1的GPIO1用于CSX连接，并向显示设备2发送命令模式下的片选信号；
主控模块1的GPIO2用于写使能端WRX连接，并发送命令模式下的写使能信号；
主控模块1的模拟片选接口CSX0用于CSX连接，并发送数据模式下的片选信号；
其中，数据模式下的片选信号与主控模块1的RGB接口中的数据使能端输出的信号反相；
主控模块1的RGB接口中的时钟信号端CLK1用于的写使能端WRX连接，并发送数据模式下的写使能信号；
主控模块1的数据总线接口DATA1[15:0]用于数据总线端DATA0[15:0]连接，并发送并行数据信号。
3.2 方案二
电路连接如图4所示。方案二可以理解为方案一的变种，在主控芯片的数据使能信号DE外部加一个反相器后再连接显示设备的CSX信号。
3.3 方案三
电路连接如图5所示。方案三是方案二基础上的变种，不同之处在于方案三的RGB接口的时钟和数据使能信号可以复用为通用IO口。主控芯片内置2个切换电路，分别用于切换命令模式下的GPIO4与数据模式的DE2，以及命令模式的GPIO5与数据模式的CLK2信号。
3.4 方案四
方案四采用外围辅助单元实现数据使能信号DE的反向以及信号切换功能，电路连接如图6所示。
主控芯片13的GPIO7与辅助单元14的输入端CSX_GPIO连接，主控芯片13的GPIO8与辅助单元14的输入端WRX_GPIO连接，主控芯片13的RGB接口中的数据使能端DE3与辅助单元14的输入端CSX_DE连接，主控芯片13的RGB接口中的时钟信号端CLK3与辅助单元14的输入端WRX_DE连接，主控芯片13的GPIO9与主控模块1的GPIO3连接，主控芯片13的数据总线接口DATA3[15:0]与主控模块1的数据总线接口DATA1[15:0]连接。
辅助单元14的输出端CSX_OUT用于片选端CSX连接，并发送命令模式下的片选信号及数据模式下的片选信号；
辅助单元14的输出端WRX_OUT用于写使能端WRX连接，并发送命令模式下的写使能信号及数据模式下的写使能信号，见图7。
辅助单元14包括：单刀双掷模拟开关U1、单刀双掷模拟开关U2、NPN型三极管Q1、电阻R1及电阻R2。
本文设计方案通过三极管Q1对数据使能信号取反，同时结合两个单刀双掷模拟开关将命令模式下的片选信号与数据模式下的片选信号结合到一个端输出，同时将命令模式下的写使能信号和数据模式下的写使能信号结合到一个端输出。主控模块1仅保留四个输出端子，与外部的显示设备2直连，便于生产及应用。
当U1的使能端为低电平时，U1的A1输入端与输出端之间选通；
当U1的使能端为高电平时，U1的A2输入端与输出端之间选通。RGB接口中的帧同步信号端VSYNC_OUT与GPIO10连接，用于向主控模块1发送中断信号。
图8为方案四对应的时序图。CLK:RGB接口的时钟信号；
VSYNC:RGB接口的帧同步信号；
DE: RGB接口的数据使能信号，低电平有效；
DCX:主控利用通用IO口驱动的DCX信号；
CSX_GPIO:主控切换电路输入端用于控制CSX的通用IO口信号；
CSX_DE:主控切换电路输入端用于控制数据模式下的CSX信号(RGB接口的DE信号）；
CSX:显示设备断的CSX信号；
WRX_GPIO:主控切换电路输入端用于控制WRX的通用IO口信号；
WRX_DE:主控切换电路输入端用于数据模式下的WRX信号（RGB时钟信号）；
WRX: 显示设备断的WRX信号；
DATAX:显示设备断的数据信号；
针对方案四的时序图，下面本文描述一下基于该方案的模拟8080总线接口的软件流程。首先本文定义两个工作模式：通用IO控制模式和RGB接口控制模式。
通用IO控制模式指通过GPIO模拟CSX/DCX/WRX以及16位并行数据总线，DB[15:0]用于模拟8080总线接口命令数据；
RGB接口控制模式指利用主控芯片硬件RGB电路的DE模式输出DE/CLK/DB[15:0]信号，用于8080总线数据输出。
具体软件流程如下：
（1）主控芯片切换至通用IO控制模式，驱动GPIO9模拟命令指示信号（高电平），驱动主控芯片的数据总线接口DATA3[15:0]模拟CASET/ RASET的命令，用于设置屏幕显示的起始位置和显示区域（一般设置成整屏区域范围）。
（2）等待帧同步信号的上升沿，当检测到帧同步信号的上升沿中断时，主控芯片切换至通用IO控制模式，拉低命令指示信号（GPIO9），进入命令模式；
驱动主控芯片的GPIO7模拟命令模式下的片选信号、GPIO8模拟命令模式下的写使能信号、数据总线接口DATA3[15:0]模拟RAMWR的命令。
（3）完成写命令后，主控芯片配置内部RGB硬件电路，将内部RGB硬件电路需要输出的RGB数据准备好，拉高命令指示信号（GPIO9），进入数据模式。
（4）主控芯片切换至RGB接口控制模式，启动硬件驱动RGB接口中的数据使能端DE3输出数据使能信号、时钟信号端CLK3输出时钟信号及数据总线接口DATA3[15:0]输出并行数据信号，主控芯片13持续一帧输出RGB数据。
（5）一帧数据传输完成后，重复执行步骤2。
本文设计了基于硬件RGB接口模拟Intel 8080总线接口多种场景下的硬件连接方案，以及相应基于硬件连接方案的时序图和完整软件流程。本文设计的方案已经在HCSEMI B200芯片上得到验证。HCSEMI B200是具备硬件RGB接口的多媒体主控芯片，原本用GPIO模拟对接8080接口240×320大小的LCD只能达到10帧的刷新率，播放视频时明显卡顿。在采用本方案后可以达到40帧的刷新率，完全可以满足LCD的流畅播放视频的显示性能要求。
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