1. 前言

CRT（Cathode Rays Tube，陰極射線管）是最原始的電子顯示技術(shù)，在上世紀(jì)被廣泛運(yùn)用于模擬電視（Analog television）系統(tǒng)中。本文將以模擬電視系統(tǒng)為背景，介紹CRT顯示技術(shù)的原理、特性以及一些關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。

眾所周知，CRT顯示已經(jīng)逐步被數(shù)字顯示取代，已有退出歷史舞臺(tái)之勢(shì)，本文之所以介紹它，原因有三：

1）模擬電視是我們這一代人童年的記憶，美好又神秘。現(xiàn)在回頭去看，發(fā)覺其中的技術(shù)是那么的簡(jiǎn)單、有趣，值得一說。

2）幫助理解顯示時(shí)序（video mode，or display timings）。對(duì)寫過顯示驅(qū)動(dòng)的人來說，顯示屏的那長(zhǎng)長(zhǎng)一串的時(shí)序相關(guān)的參數(shù)（xres, yres, hsync len, vsync len, left margin, etc.），足以讓自己崩潰。追根溯源，它們產(chǎn)生于CRT技術(shù)，現(xiàn)在之所以還存在，很大程度上是CRT的延續(xù)，沒有太多實(shí)質(zhì)的意義。

3）現(xiàn)在很多前沿的顯示技術(shù)，如PDP、FED等，都和CRT的工作機(jī)制類似（具體可以參考“顯示技術(shù)介紹(2)_電子顯示的前世今生”中的介紹）。理解CRT是理解這些新技術(shù)的基礎(chǔ)。

2. CRT簡(jiǎn)介

CRT顯示技術(shù)的本質(zhì)是：

1）電子槍發(fā)射電子束，并在加速電場(chǎng)的作用下加速。

2）電子束轟擊熒光物質(zhì)發(fā)光。發(fā)光的亮度取決于電子束的速度，即加速電場(chǎng)的強(qiáng)度。

3）加速電場(chǎng)的強(qiáng)度由輸入的視頻信號(hào)控制，因此可以還原視頻。

4）電子束可以產(chǎn)生直徑略小于1mm的光點(diǎn)，在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制下，可以分時(shí)點(diǎn)亮屏幕上所有的區(qū)域，并利用人眼視覺暫留原理，產(chǎn)生一副完成的畫面（人眼看來）。

因此，CRT包含了電子束產(chǎn)生（電子槍）、加速系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、涂有熒光物質(zhì)的顯示屏等基本組件，它們組合在一起，再加一個(gè)管殼，就是常說的陰極射線管（CRT）。

3. 模擬電視系統(tǒng)簡(jiǎn)介

模擬電視系統(tǒng)是一個(gè)包含視頻信號(hào)采集輸出、編碼、傳輸、解碼、還原顯示的系統(tǒng)，其框圖如下：

圖片1 模擬電視系統(tǒng)

模擬電視系統(tǒng)中的顯示終端（電視）基本上采用CRT顯示，因此也稱作CRT電視。一般情況下，CRT電視作為一個(gè)整體，包含了RF de-modulation、Analog decoding、CRT display三個(gè)部分。

4. 光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換

CRT是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的一種技術(shù)，但電信號(hào)是怎么來的呢？巧的很，也可以使用類似的技術(shù)，如下：

圖片2 光電&電光轉(zhuǎn)換

上圖描述了基于CRT的模擬電視系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)：

電子束轟擊光電靶形成電回路，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，完成光電轉(zhuǎn)換；

加速后的電子束轟擊熒光物質(zhì)發(fā)光，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，完成電光轉(zhuǎn)換。

光電轉(zhuǎn)換的目的是把圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便于傳輸、保存，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)就是電子顯示的源數(shù)據(jù)。上圖左邊部分介紹了基于陰極射線的光電轉(zhuǎn)換過程：

1）電子槍的陰極產(chǎn)生電子束，并打在一個(gè)導(dǎo)電的光電靶上。

2）光電靶通過一個(gè)電阻（RL）和電子槍的陽(yáng)極連接，打在光電靶上的電子束流經(jīng)電阻回到電子槍的陽(yáng)極，從而形成一個(gè)電回路。

3）光電靶本身也有電阻，且隨光線強(qiáng)度的改變而改變（可以看做光敏電阻）。因此在光電靶和RL之間會(huì)產(chǎn)生隨光線變化而變化的電壓輸出，就是視頻信號(hào)輸出。

光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)過存儲(chǔ)、傳輸、轉(zhuǎn)換后，會(huì)以輸入信號(hào)的形式，控制CRT中加速電場(chǎng)的強(qiáng)度，進(jìn)而控制熒光屏上熒光物質(zhì)的發(fā)光強(qiáng)度，完成電光轉(zhuǎn)換（電子顯示）。

理解了上面光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換的過程之后，我們會(huì)產(chǎn)生如下疑問：

問題一：一個(gè)光電靶只能反映一個(gè)點(diǎn)的光線變化，但這顯然不夠，一個(gè)足夠大的平面上所有點(diǎn)的光線變化才是有意義的，要怎么做？

問題二：為什么一定需要電子束來形成電回路，一個(gè)簡(jiǎn)單的導(dǎo)線不也可以達(dá)到目的嗎？

要回答上面兩個(gè)問題，我們要進(jìn)一步理解電子掃描的原理。

5. 電子掃描

首先回答問題二，電子束當(dāng)然不是必須的，現(xiàn)在普遍使用的數(shù)碼攝像、數(shù)字顯示等技術(shù)，都不需要電子束的參與，當(dāng)然，它們不在本文的介紹范圍內(nèi)，就不過多涉及了。因此，我們先分析基于電子束的場(chǎng)景。

對(duì)于問題一，怎么得到一個(gè)平面上多個(gè)點(diǎn)的光線變化呢？機(jī)智的工程師們想到了掃描（Scanning）。所謂的掃描，就是同一時(shí)刻只處理一個(gè)點(diǎn)，如果能夠在短時(shí)間內(nèi)（足以欺騙人的眼睛的時(shí)間，如40ms）處理完所有的點(diǎn)，就萬(wàn)事大吉了，如下圖所示：

圖片3 Raster scanning

上面圖片所描述的電子掃描（也稱作光柵掃描，Raster scanning[2]），在模擬電視系統(tǒng)中，既用于圖像的采集，也用于圖像的顯示。可以這樣理解：

我們可以使用多個(gè)光電靶（假設(shè)是MxN個(gè)）組成一個(gè)平面，然后在電子束經(jīng)過的路徑上的水平和垂直方向分別加入合適的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的強(qiáng)度由一個(gè)由鋸齒波信號(hào)控制的線圈（偏轉(zhuǎn)線圈）決定，由于磁場(chǎng)會(huì)使電子束偏轉(zhuǎn)，因此就可以控制電子束以從左到右、從上到下的方式，分別打到每一個(gè)光電靶上。這個(gè)過程就叫做掃描。

掃描的結(jié)果，是將MxN個(gè)光電靶所代表的的光信號(hào)，分別轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并依次輸出。這樣的一個(gè)電信號(hào)序列，稱作一個(gè)圖像幀（Frame），接收端（CRT顯示器），按照同樣的規(guī)則，就可以將這樣的圖像幀還原顯示。

關(guān)于電子掃描，有很多重要的概念，會(huì)在顯示有關(guān)的驅(qū)動(dòng)編寫中用到，下面結(jié)合上面圖片，一一解釋。

1）掃描線（Scan lines）和分辨率（Resolution）

對(duì)電子掃描而言（這里以圖像采集為例），一行中所有光電靶輸出的信號(hào)實(shí)際上是連續(xù)信號(hào)，這就意味著：

一行所包含的光電靶個(gè)數(shù)，對(duì)掃描（或者顯示）來說，是不重要的，它只影響光信號(hào)采集的精度，也即圖像的精細(xì)度。甚至，顯示端根本不關(guān)心采集端到底用了多少個(gè)光電靶采集信號(hào)（由于是模擬信號(hào)，它也無從得知）。這個(gè)特征決定在電子掃描的水平方向上，并沒有分辨率的概念，整個(gè)水平方向上的一行，稱作一個(gè)掃描線（Scan line）。

對(duì)模擬的CRT顯示來說，只需要根據(jù)顯示器的特性（水平方向有多長(zhǎng)），將一行的模擬信號(hào)map過去即可。

當(dāng)每一行掃描結(jié)束的時(shí)候，電子束需要在水平偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和垂直偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)作用下，回到下一行的起點(diǎn)（這個(gè)過程稱作回掃，下面會(huì)介紹），這中間不允許采集信號(hào)，因而每一個(gè)掃描線之間，是不連續(xù)的。也就是說，電子掃描在垂直方向上有分辨率的概念，即多少個(gè)掃描線（Scan lines）。

綜上所述，在電子掃描中，分辨率可以用Scan lines表示，例如576 lines。

2）回掃（Horizontal/Vertical retrace）

電子束從左向右掃描完一行后，需要在水平偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下快速移回到最左邊，并在垂直偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，向下偏轉(zhuǎn)一個(gè)scan line，以便掃描下一行。同理，電子束從上向下掃描完一幀后，也需要在垂直偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下快速移回到最左邊。因此，水平和垂直兩個(gè)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)際上是一個(gè)周期性的鋸齒波，如下：

圖片4 Scanning-pattern

斜率為正的上升期，稱作正掃描，電子束將會(huì)從左向右（或者從上向下）偏轉(zhuǎn)。斜率為負(fù)的下降期，稱作回掃（retrace），電子束將會(huì)從右向左（或者從下向上）偏轉(zhuǎn)。

由于回掃的過程中不能采集（或者輸出）信號(hào)，因此需要關(guān)閉電子束，稱作blank（Horizontal/Vertical balnk）。回掃結(jié)束后（回到了最左邊或者最右邊），需要重新打開電子束，稱作unblank。

注1：了解顯示驅(qū)動(dòng)（如linux framebuffer）的同學(xué)，應(yīng)該對(duì)blank/unblank不陌生，它們的來源正是此處。

3）前肩（front porch）和后肩（back porch）

由上面的描述可知，回掃開始的時(shí)候需要blank操作，即關(guān)閉電子束的發(fā)射。在模擬電子的世界里，關(guān)閉電子束的發(fā)射，其實(shí)就是將激發(fā)電子束發(fā)射的電壓從高電平降到一個(gè)較低的電平（接近零），但下降的過程是需要時(shí)間的（具體原因有多種，這里就不詳細(xì)分析了），因此：

在電平降到一個(gè)安全的值之前（電子束不再發(fā)射），不能開始回掃。

也就是說，有效的視頻信號(hào)必須要在回掃開始前結(jié)束（即上面圖片4中“t2”處），從有效視頻信號(hào)結(jié)束到回掃開始的那一段時(shí)間，稱作前肩（front porch），這一段時(shí)間也是blank操作所需的時(shí)間。

另外，回掃也是需要時(shí)間的（不用糾結(jié)原因，都是老歷史了），這一段時(shí)間可以用作同步信號(hào)。

同樣的道理，回掃完成后，unblank操作時(shí)，電平從接近零值上升到正常值（可以發(fā)射電子束，圖片4中的“t1”處）也需要一定的時(shí)間，稱作后肩（back porch）。在back porch的這一段時(shí)間內(nèi)，視頻信號(hào)也是無效的。

綜上所述：視頻信號(hào)的有效范圍，是圖片4中t1到t2的范圍，一般稱作xres/yres；視頻信號(hào)的無效范圍，是圖片4中t2到t1的范圍，包括front porch、sync len和back porch（水平或者垂直方向上），一般稱作blanking interval（Horizontal/ Vertical blanking interval[3],[4]）。

4）同步信號(hào)（sync pulse）

由“圖片1 模擬電視系統(tǒng)”的描述可知，視頻信號(hào)在發(fā)送之前，需要經(jīng)過Analog encoding，而編碼的過程是不包括前后肩（front/back porch）信息的，因?yàn)榍昂蠹绲闹岛途唧w系統(tǒng)的電路有關(guān)，因而不應(yīng)包含在傳輸系統(tǒng)中。

但是，從時(shí)間軸上看，視頻信號(hào)是不連續(xù)的，每一行的有效信號(hào)之后，會(huì)有一段horizontal blanking interval，每一幀的有效信號(hào)之后，會(huì)有一段vertical blanking interval。編碼器利用這些空隙時(shí)間，傳遞了一種特殊信號(hào)---同步信號(hào)（HSYNC和VSYNC，在模擬系統(tǒng)中，該信號(hào)以一個(gè)高于正常視頻電平的高電平脈沖），用于告知接收端每一行以及每一幀視頻信號(hào)的開始和結(jié)束。

6. 顯示時(shí)序（display timings）和視頻模式（videomode）

經(jīng)過上面章節(jié)的介紹，我們對(duì)CRT顯示技術(shù)有了一個(gè)基本的了解，并引出了前后肩、同步信號(hào)等概念，此時(shí)，我們可以回到linux kernel中，看幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義：

  1: /* include/video/display_timing.h */

  2: 

  3: struct display_timing {

  4:         struct timing_entry pixelclock;

  5: 

  6:         struct timing_entry hactive;            /* hor. active video *

  7:         struct timing_entry hfront_porch;       /* hor. front porch */

  8:         struct timing_entry hback_porch;        /* hor. back porch */

  9:         struct timing_entry hsync_len;          /* hor. sync len */

 10: 

 11:         struct timing_entry vactive;            /* ver. active video *

 12:         struct timing_entry vfront_porch;       /* ver. front porch */

 13:         struct timing_entry vback_porch;        /* ver. back porch */

 14:         struct timing_entry vsync_len;          /* ver. sync len */

 15: 

 16:         enum display_flags flags;               /* display flags */

 17: };

hactive, hfront_porch, hback_porch, hsync_len/vactive, vfront_porch, vback_porch, vsync_len，是不是已經(jīng)不陌生了？

再看一下struct videmode和struct fb_videomode，以及l(fā)inux下的fbset命令（就不貼代碼了，具體可參考include/video/videomode.h、include/linux/fb.h以及Documentation/fb/framebuffer.txt），也都類似，不再難以理解了。

7. 總結(jié)

最后，本文對(duì)CRT以及模擬電視系統(tǒng)的介紹，只是九牛一毛，很多較為細(xì)節(jié)的內(nèi)容，如幀率、隔行掃描（Interlaced scan）、編碼、顯示制式（PAL/NTSC）等等，都沒有涉及。有礙于篇幅和個(gè)人精力，就不一一介紹了，如有興趣，可參考本文后面的一些鏈接。

8. 參考文獻(xiàn)

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray_tube

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Raster_scan

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Horizontal_blanking_interval

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_blanking_interval

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Analog_television#Structure_of_a_video_signal

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Overscan