Стив Джобс потрудился на славу. Судите сами: 7-сегментного дисплея уже недостаточно для самых простых приложений. Сегодня нужны дисплеи, с более впечатляющими графическими возможностями для использования в кофемашинах, СВЧ-печах, на автоматизированном производстве и в домашних водонагревателях.
Гибкие OLED дисплеи Samsung
Как задействовать дисплей в приложении?
Поскольку на рынке предлагается немало типов дисплеев, что иногда приводит к замешательству, мы рассмотрим несколько наиболее известных видов.
В настоящее время широкое распространение получила технология, определяющая изготовление жидкокристаллических дисплеев, или ЖК-дисплеев (Liquid Crystal Display, LCD).
Цветной дисплей создается на основе трех разных ЖК-ячеек в каждом пикселе, в который устанавливается также фильтр красного, зеленого или синего цвета. Пиксели расположены в колонках и рядах. Прикладывая к колонке напряжение и заземляя определенный ряд, можно включать или выключать заданный пиксель. Однако при использовании экранов большого размера, когда несколько пикселов в одной колонке и в следующем ряду переключаются одновременно, возникает большая задержка, в течение которой заряд распространяется по матрице. Кроме того, недостатком такой технологии является плохой контраст при распределении заряда по матрице. Эта проблема частично устраняется с помощью модуля ЖК-дисплея со структурой STN (Super Twisted Nematic), в которой молекулы закручены на угол больше 90°. Однако у такой пассивной матрицы из заряженных колонок и заземленных рядов имеются уже упомянутые ограничения.
Активная матрица обеспечивает намного лучший контраст и меньшее время отклика. В активной ЖКД-системе у каждой отдельной ячейки имеется специальный транзистор, который управляет переключением этой ячейки или пиксела. Название этой технологии TFT-ЖКД означает, что ЖК-экран управляется тонкопленочными транзисторами (Thin Film Transistors). К настоящему времени она получила наибольшее распространение среди приложений с графическими дисплеями.
OLED-технология, пусть и не получившая до сих пор широкого применения в дисплеях, тем не менее является очень перспективной. По сути, в OLED-матрице на один пиксел приходится один органический светодиод. У этих источников света меньше энергопотребление и вес. В отличие от матриц ЖК-дисплеев, OLED-матрицы устанавливаются на гибкие поверхности, но дорогостоящее изготовление и сравнительно небольшой срок службы дисплейных компонентов с синим свечением не позволяет наладить серийное производство этих устройств.
К иным менее известным технологиям относятся:
- EPD – т.н. «электронная бумага», которая применяется в устройствах для чтения книг и в некоторых часах. Эта технологии пока непригодна для использования во встраиваемых системах непотребительских сегментов рынка;
- жидкие кристаллы на кремнии (Liquid Crystal on Silicon, LCOS) – технология формирования изображения, используемая в проекторах. Эта технология пока не применяется в промышленных системах.
- PDP, или «плазма», – технология, которая применяется в больших экранах. В настоящее время вместо плазменных экранов используются экраны на основе ЖК-дисплеев или светодиодов.
Управление дисплеем
В случае с экранами небольшого размера, когда часто используется система пассивного управления, получает распространение новая технология монтажа ИС драйвера на стеклянную подложку (Chip on Glass, COG). Эта технология позволяет существенно уменьшить производственные издержки не только при изготовлении небольших экранов, но и цветных экранов большего размера, например используемых в смартфонах или других мобильных устройствах. По большей части, для управления этими экранами применяются дополнительные блоки – контроллеры сенсорного интерфейса.
Существуют т.н. дисплейные модули и стандартные дисплеи. Модули оснащены SPI-интерфейсом и памятью для хранения данных изображения, которое отображается на экране. Мы не станем подробно останавливаться на всех преимуществах и недостатках модулей – достаточно заметить, что они немного дороже стандартных дисплеев, но представляют собой намного более простое решение для начинающих разработчиков.
Стандартные дисплеи имеют два интерфейса – RGB или LVDS (Low Voltage Differential Signal). Сложилось так, что дисплеи с разрешением выше WVGA оснащаются LVDS-интерфейсом, а дисплеи с меньшим разрешением – RGB-интерфейсом. В этом отношении не существует жесткого правила, но экраны большего размера чаще оснащаются LVDS-интерфейсом.
По сути, RGB является параллельным интерфейсом, где каждый цвет (красный, зеленый и синий) представляются с помощью параллельной шины. 24-разрядный цветной дисплей использует по восемь бит для представления красной, зеленой и синей составляющих. Это наиболее простой из интерфейсов, который одновременно передает данные об элементе изображения на шину в той последовательности, как они хранятся в ОЗУ использованием ОЗУ. Для обозначения стандартов RGB применяется несколько разных форматов, к которым относятся RGB565 (пять бит на канал для R и B; шесть бит – для G) или RGB666 (шесть бит на каждый канал). Поскольку в RGB666 для каждого цвета зарезервированы шесть бит, этот формат подразумевает глубину цвета 18 бит/пикс. для каждого канала. Помимо этих сигналов данных используются тактовые сигналы для синхронизации панели.
Частота синхронизации (или частота следования пикселов) определяет скорость работы интерфейса и, следовательно, скорость передачи данных. Сигнал синхронизации по строкам (HSYNC), или частота строчной синхронизации, определяет момент перехода к следующей строке. Сигнал Vsync вертикальной синхронизации указывает момент, к которому все ряды записаны, после чего появляется возможность вывести следующее изображение или кадр.
Разумеется, чем больше размерность дисплея, тем выше частота следования пикселов, чтобы обеспечить требуемую скорость обновления экрана (частоты кадров). В экранах большой размерности применяется LVDS-интерфейс вместо стандартного параллельного RGB. LVDS-технология применяется во многих приложениях, где необходимо обеспечить целостность сигнала, особенно на высоких частотах. Для передачи LVDS-сигнала используется двухпроводной интерфейс (на канал) и стандартное напряжение 1,2 В. Для создания сигнала с высоким логическим уровнем напряжение на линии увеличивается на 100 мВ, а напряжение на второй линии уменьшается на эту же величину. Такая технология обеспечивает высоконадежную передачу низковольтных ВЧ-сигналов. Дисплеи, как правило, работают с четырьмя LVDS-каналами сигналов красного, зеленого, синего цвета и синхронизации. Далее осуществляется последовательная или параллельная передача данных.
Управление контентом
Следует заметить, что графические данные хранятся в памяти в виде растрового изображения. Его объем значительно превышает формат JPEG тех видеофайлов, которые хранятся в памяти домашних ПК. Давайте посмотрим, как хранятся эти изображения в ОЗУ и какой объем памяти для этого требуется.
Основное изображение хранится в растровом виде, в котором каждый пиксел представлен уникальными данными. В этом формате сжатие данных не используется, как в других случаях. Глубина представления цвета составляет 16 или 24 бит/пикс. Во втором случае каждый пиксел представлен тремя байтами. Таким образом, для хранения этих данных требуется большой объем памяти. Например, для VGA-экрана с разрешением 640×480, или с 307200 пикселов необходимо около 900 Кбайт данных из расчета на одно изображение.
Предположим, что типовой графический интерфейс пользователя содержит несколько слоев изображений, которые отображаются поверх друг друга. На одном слое находится фоновое изображение компании, на втором – рамка с данными, например о температуре и времени. На третьем слое находится график, отображающий в реальном времени измеряемые данные. Причина, по которой эти изображения хранятся на разных слоях и, следовательно, в разных областях ОЗУ, заключается в возможности менять небольшой фрагмент, а не все изображение. При изменении всего графического интерфейса каждый раз при обновлении данных на графике центральному процессору потребовалась бы очень большая вычислительная мощность.
Эти слои объединяются аппаратно или программно с использованием ряда механизмов. С этой целью применяются два основных метода – альфа-смешение и цветная электронная рирпроекция. Альфа-смешение определяет альфа-канал – 8-разрядную величину, добавляемую к 24-разрядному сигналу для каждого пиксела. Альфа-значение задает прозрачность каждого пиксела для слоев поверх фоновых слоев.
Цветная рирпроекция – спецэффект, с которым мы хорошо знакомы по кинофильмам. При использовании данного метода требуется немного меньше памяти, чем в случае с альфа-смешением. Рирпроекция позволяет совмещать актеров и другие объекты с произвольным предварительно отснятым фоном. При этом в одном кадре комбинируются изображения, сочетание которых в реальной жизни затруднительно. В кино чаще всего используется зеленый или синий цвета, которые, как известно, не оказывают влияния на цвет кожи человека. Данный эффект также позволяет создавать объекты с разными формами. С этой целью используется, например, квадрат, который закрашивается произвольным образом. Далее вместо закрашенных областей используется фоновое изображение.
В предыдущем примере глубина цвета VGA-экрана составила 24 разряда, а объем изображения – 900 Кбайт. Предположим, что это изображение является лишь фоновым и поверх него следует наложить два других – график и рамку с данными. Поскольку эти два изображения не занимают весь экран, можно воспользоваться изображениями меньшего размера, например QVGA, объемом по 225 Кбайт. При этом общий объем ОЗУ составит около 1,3 Мбайт.
Таким образом, для отображения на экране текущих данных необходимо 1,3 Мбайт. Однако еще больше памяти требуется для смены одного изображения другим, чтобы не возникла, например, такая ситуация, когда на экране отображается половина одного и половина другого изображения.
Эту задачу можно решить путем двойной буферизации – удвоения ОЗУ, позволяющее установить следующее изображение во второй (задний) буфер. Как только оно будет готово для отображения, произойдет переключение из одной области ОЗУ в другую. В результате объем ОЗУ удваивается, достигая 2,6 Мбайт для отображения данных на VGA-экране при глубине цвета 24 бит/пикс. Для сокращения объема используемой памяти можно уменьшить размер изображения на экране. Уменьшая ширину экрана на один пиксел, можно сэкономить 480 пикселов по его высоте, и наоборот. Для отображения фонового рисунка при глубине цвета 24 бит/пикс. XGA-экрану размерами 720×1024 пикс. требуется ОЗУ объемом 2,1 Мбайт, а не 900 Кбайт в случае с экраном VGA. При этом изменяется и количество битов, используемых для отображения цвета каждого пиксела.
В настоящее время 24 бит/пикс. – наиболее распространенное представление цвета, которое обеспечивает максимально гибкое решение задачи по отображению графики. Например, при использовании 8-разрядной глубины цвета возникают некоторые проблемы, т.к. данное разрешение позволяет отобразить всего 255 цветов. При этом возникают сложности даже с отображением текста, поскольку современные шрифты состоят из массивов точек черного и серого цвета, благодаря чему глаза легко распознают буквы и символы. Разумеется, для отображения некоторых данных годятся и небольшие экраны с 8-разрядным цветовым представлением, но такая продукция, скорее всего, не станет пользоваться большим спросом.
Для управления экраном существует немало возможностей применения процессоров или контроллеров. На практике для управления небольшими экранами с малой глубиной цвета используются недорогие микроконтроллеры. Разрешение таких экранов достигает QVGA (320×240); при этом для отображения фонового рисунка требуется всего 150 Кбайт ОЗУ (при глубине цвета 16 бит/пикс.). Однако очень часто производительности МК недостаточно для создания полноценного пользовательского интерфейса. Таким образом, для экранов с разрешением выше QVGA необходимы более современные микроконтроллеры со встроенной памятью.
Выводы
К настоящему времени во встраиваемых системам все чаще используются экраны. Кроме того, в сегментах мобильных устройств и потребительской электроники постоянно происходят изменения, в результате которых дисплейные технологии развиваются в новых и очень перспективных направлениях. Учитывая большое разнообразие этих технологий, начинающим разработчикам, которым трудно сделать правильный выбор экрана для нового приложения, рекомендуется, в первую очередь, исходить из размеров экрана (в пикселах). Если он достаточно велик, понадобится ОЗУ большого объема, а также быстродействующий контроллер (или процессор), поддерживающий эту память и интерфейс.
По материалам Renesas