《DRM 专栏》| LCD显示异常分析——花屏和撕裂

花屏

概述

相信很多朋友会遇到LCD开机瞬间会闪现雪花屏的问题，而这类问题都有个共同点，那就是都发生在带GRAM的屏上，同样的问题，在休眠唤醒时也会出现。

让大家能够更容易、更直观的理解这类花屏问题的原因，我特地写了这篇文章。

软件：Android 硬件：带GRAM的LCD（如SPI屏，DSI CMD屏）

现象

分析

从上面的动态图可以看出，出现瞬间花屏的问题，主要有两个原因：

1. 背光开启的时间过早
2. 对GRAM的写速度(W) < 对GRAM的读速度(R)

其实，只要任意解决其中一个问题，都不会出现开机闪现花屏的现象。开发人员第一次碰到这类问题时，往往第一反应会认为花屏就是在第一帧产生的，但实际从上面的图中我们可以看到，人眼看到的花屏其实已经是在第二帧了。

对于第一点，其实一开始我也很疑惑，如果说开机闪现花屏是因为uboot中背光开的太早导致，这个结论我能接受。但在进入Android系统后，休眠唤醒时还会有花屏问题，这就有点说不通啊？因为Android的PowerManager框架本身能够确保在休眠的时候先关背光，后关显示；在唤醒的时候先开显示，后开背光，而且我显示驱动里面也做了刷背景色的动作，只要GRAM中的数据没有被填充完，显示驱动的流程就不会接着往下走，进而也不可能开启背光。所以一旦背光点亮，说明GRAM已经被初始化了，可为什么还能看见GRAM中的垃圾数据呢？

这就引出了第二点：因为对 GRAM 写的速度小于读的速度，哪怕W只比R小那么一丁点儿，只要它们同时从第一颗像素开始扫描，屏上显示的第一帧永远都是垃圾数据。

解决方法

前面已经提到过了，只要任意解决其中一个问题，闪花屏的问题就能解决。

1. 推迟背光开启的时间

这里的推迟动作其实是相对的，即你可以：

• 在初始化完GRAM后，等待1个TE信号，再开启背光
• 或者在给屏幕发送Sleep Out (0x11)、Display On (0x29)指令前，先通过Write Memory Start (0x2C)指令将GRAM初始化好

1. 提高GRAM的写速度

即提高主控端总线上的送图速度，比如提高SPI总线的时钟频率（SPI屏），提高RS/WR的切换速率或扩充DATA总线（MCU屏），提高PHY Clock Frequency （MIPI DSI屏）。

常白屏引起的撕裂假象

上面的问题如果发生在常白屏（即默认上电就是白屏）上，那么往往会给人产生撕裂(tear effect)的假象，见下图：

其实原理和上面是类似的，只是由于人的视觉残留效应，造成背光从灭到亮那一瞬间看到的第一帧印象极为深刻。尤其对于帧率较低（如30fps）的显示屏，视觉残留效果尤为明显，因此会对该类问题错误的判断为撕裂问题而进行处理。

其实真正的撕裂问题和这里讨论的现象，原理上是完全不同的，下面我们详细分析LCD撕裂的问题及解决方法。

撕裂

现象

首先贴一张动态图，让大家能直观的感受撕裂形成的过程：

分析

从上面的动态图我们可以看到，在第二帧出现了新旧画面各显示一部分的现象，该现象即为撕裂，英文又叫tear effect。tear effect的根本原因是对GRAM的读、写速度不一致，导致在一帧之内，GRAM的读指针®与写指针(W)发生了重叠导致。

这个现象其实包含2个信息：

1. W和R指针重叠了
2. 指针重叠后的画面在屏上静止不动保持了整整1帧的时间（60fps的话就是16.7ms），这个时间是足以被人眼察觉到的

有经验的开发人员都知道，出现这类问题往往都是因为有个2倍关系没有调整好。何为“2倍关系”？即必须保证W:R > 1:2（这里的W、R都指的是速率），否则势必会出现撕裂的现象（如上面的W:R=1:3）。

理想情况

为什么是2倍？请看下图（W:R=1:2）：

因为W < R，所以R指针跑在前面，因此读出来的数据都是旧数据，屏幕第1帧显示的还是上一帧的图像，直到第2帧才将GRAM中的图像完整的显示出来。如果R再稍微快那么一点，那么在第2帧R指针就又会赶上W指针，这样就会再次出现tear effect现象。所以W:R=1:2是撕裂发生的临界值。

同理，那如果对于W > R的情况，是否也存在这个2倍关系？

回答这个问题前，我们先来看看下面这两幅图：

图1 （W:R=3:1）

‍

图2 （W:R=2:1）

从上面的图中我们可以看到，对于W > R这中情况，确实也存在2倍关系。但是这种由于W > R而造成的撕裂现象一般是不可能发生的，因为大部分显示驱动都是等到TE信号到来时才开始刷图的，所以只要R指针还没有扫描完当前帧的画面，W指针是不可能立即去GRAM中刷画面“B”的，一定会等到画面“A”彻底显示完毕后才开始绘制，所以上面的图1、图2两种情况都不会发生。

因此为了防止撕裂的发生，只需要保证 W > 1/2R (这里指速率)即可。

实际情况

前面分析的现象都是基于一个前提条件的，那就是：

指针W和R都是基于同一个时间点、同一个GRAM起始位置开始扫描的

只要上面的2点有一个不满足，那么2倍关系就不成立了。

因为对于这类带GRAM的LCD ，驱动软件或LCD Controller硬件都会做成等待TE信号到来时才会开始刷图，所以对于第1点这里不做详细描述，只针对第2点进行讲解。在LCD的实际显示过程中，其实是有消隐区的(即Porch区域)，而且一般屏厂会将TE信号默认放在内部DriverIC的VSYNC阶段送出，这就导致了指针W无法满足和R从同一GRAM起始位置开始扫描，具体过程如下图：

从上图我们可以看到，虽然W:R=2:3，满足 W > 1/2R 的条件，但是由于它们不是从GRAM的同一起始位置开始扫描，所以仍然会出现W和R指针碰头的情况，最终导致撕裂的现象。

那么对于上述这种情况，有什么方法可以解决吗？是时候召唤出TE Output Line了！

TE Output Line

LCD Driver IC厂商还是很贴心的，为了解决上述问题，工程师们专门预留了一个TE Output Line寄存器，该寄存器的作用就是用来调节TE信号（又叫FMARK信号）的输出位置。默认情况下，该寄存器的值为0，即DriverIC内部刷新时的VSYNC期间。那么对于上述情况，我们只需要将TE Output Line的值设置为VSYNC+VBP的值即可。

小提示：

• 对于主控端，Vporch往往由VSYNC+VBP+VFP构成；
• 对于LCD Driver IC厂商，他们定义的VBP其实往往是包含VSYNC的；

如下图：

结论

撕裂的本质：

1. 在1帧时间内，W和R重叠了
2. 撕裂的画面停留了1帧的时间，被人眼所觉察

解决方法：

• W > 1/2R (这里指速率)
• 开启TE同步信号
• 调整TE Output Line

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