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LCD屏幕

热度：100 ℃ 日期：2024-11-19 09:52:18

在嵌入式开发行业，屏幕的开发是必不可少的，最常见的屏幕就是TFT_LCD屏幕,也就是常说的液晶显示屏,当然还有IPS屏和OLED屏，这些都是生活中常见的一些屏幕类型。咱们就以最常见的LCD屏幕来讲一下STM32驱动LCD屏幕的原理。这里采用2.8寸的电容触摸屏为例。

LCD屏幕的成像原理

LCD屏幕一般由背光灯、偏光片、液晶层、滤光片等基本部分组成，所以这也决定了LCD屏幕无法做的其他材质的屏幕一样薄。屏幕的每个像素点都由对应的液晶控制背光是否导通，从而显示各种各样的图案。

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屏幕的结构

一个完整的LCD屏幕除了上述的基础物理显示部分之外，还包含有相应的驱动芯片来负责控制屏幕进行内容的显示，显示的内容存储在对应的显存中，不同的驱动芯片显存不一样，显存越大芯片就越贵。这里我们采用的是ILI9341这款驱动芯片，支持240*320分辨率的屏幕。

从硬件接口，通信方式去学习LCD屏幕

颜色深度：26万色2^18

RGB565:红色数据5位，绿色5位，蓝色5位红色： 1111 1000 0000 0000

屏幕的驱动接口

接口分类

常见接口有MCU接口，RGB接口和VSYNC接口三种模式。

MCU接口模式：

使用屏幕自带驱动芯片内部自带的内存，MCU先将数据写入到驱动IC自带GRAM，然后再显示到屏幕上。

优点：驱动简单，不需要时钟和同步信号

缺点：由于自带显存，成本高，耗费GRAM，很难做到较大屏幕上

RGB接口模式：

大屏采用较多的接口，屏幕不带显存，需要MCU准备充足的显存空间（因为RGB565，480*272分辨率的屏幕就需要显存230*240*2=168KB，一般的MCU都没有这么大的RAM，所以要加外置的SRAM或SDRAM），对于RGB接口的屏幕，主机输出的直接是每个象素的RGB数据，不需要进行变换(GAMMA校正等除外)，对于这种接口，需要在主机部分有个LCD控制器，以产生RGB数据和点、行、帧同步信号。

优点：RGB屏数据不写入显存，直接写屏，读写速度更快

缺点：耗费单片机内存，一般单片机主频较低，不能驱动更大的屏幕，适用于高性能单片机

VSYNC接口模式：

该模式其实就是在MCU模式上加了一个VSYNC信号，应用于运动画面更新，这样就与上述两个接口有很大的区别。该模式支持直接进行动画显示的功能，它提供了一个对MCU接口最小的改动，实现动画显示的解决方案。

在这种模式下，内部的显示操作与外部VSYNC信号同步。可以实现比内部操作更高的速率的动画显示。但由于其操作方式的不同，该模式对速率有一个限制，那就是对内部SRAM的写速率一定要大于显示读内部SRAM的速率。

MCU接口模式下的8080并行接口

对于STM32F1系列的单片机来说，自身主频为72Mhz，性能相对来说较低，所以在驱动屏幕的时候一般选择MCU接口模式，并且为了提高屏幕的刷新速度，常采用8080并行接口的方式驱动。在这里我们就着重来讲一下MCU模式下的8080接口。

屏幕的接口选择由驱动芯片决定：

对于ILI9341驱动芯片来说，接口的选择由IM[3:0]这4个引脚决定，一般在硬件工程师设计电路板时就已经规定好，其具体的接口模式和引脚关系如下：

本次使用的为8080-I接口，8080-Ⅰ和8080-Ⅱ两种接口在屏幕的引脚的选用上有所不同，通讯时序上基本一致。接下来我们就来看一下8080对应的通讯时序。

对于8080时序，在这里我们需要注意的有以下几个时间，这几个时间是保证我们的MCU和屏幕能够顺利通信的核心，太短可能无法通信，太长会导致屏幕刷新变慢。

地址建立时间Tast：RS（数据命令选择线）变化开始，WR/RD变化之间的时间
数据建立时间Tdst：WR/RD（写使能/读使能）变为低电平之后，到WR/RD变为高电平之间的时间（用户/LCD屏来修改总线的状态）
数据保持时间Tdht：当WR/RD由低变高时，LCD屏读取总线的状态（数据），这段时间称为数据保持时间。

STM32驱动LCD屏幕

对于STM32F1系列来说，芯片一般没有8080接口，如果使用IO口来模拟8080时序，由于引脚较多，会导致模拟起来比较复杂。所以我们一般使用FSMC（灵活静态存储器控制器）来模拟8080时序。

FSMC灵活存储器控制器

FSMC在控制存储器时分为两类一个是NOR存储器控制器另一个是NAND/PC卡存储器控制器，两块功能公用一个地址信号和数据引号以及读写使能信号。控制信号互相独立，所以FSMC在控制多个外部存储器时在同一时间只能和一个设备通信。

NOR存储和NAND存储器两者之间的操作方式不同NOR存储器，NAND存储器和NOR存储器在读取内容时都可以随机读取任意字节，但那是在写入时NOR存储器可以随机写入一个字节，NAND存储器的写以page 为单位。

FSMC管理的空间

FSMC一共管理了1G地址空间，这1G地址空间由分为了4个块区，BANK1用看来管理NOR/PSRAM类型的存储器。在BANK1内部又细分为了四个扇区，每个扇区64M的空间。这里要注意的是FSMC中每一个地址，对应的是存储器中的一个字节。Bank1的256M字节空间由28（2^28/1024/1024）根地址线（ADDR[27:0]）寻址。这里ADDR 是内部AHB地址总线，其中ADDR[25:0]对应外部存储器地址FSMC_A[25:0]，而HADDR[26:27]对4个区进行寻址。

FSMC在操作时存储器是支持不同位宽的数据，也就是说，写入数据可以是8位、16位、32位。也就是默认情况下存储器地址数据为8位，可以正常读取，但是如果存储器地址数据为16位，32位，就是两个字节一个地址，四个字节一个地址，那么控制16位，32位宽度的存储设备，且不支持单字节访问就比较麻烦了。比如16位宽度的NOR Flash，写入仅支持16位或者32位（通过写入两次16位），写入8位数据是不支持的。这样的话，我们本来对应64M的字节地址，就变成了32M的双字节地址，也就是最后一位无效了，因为地址一次要加2。

为了方便操作，FSMC在硬件设计上就提供了一种解决办法，将内部数据总线ADDR[25:0]措位后接到FMC_A地址引脚上，“丢弃”地址的bit-0，从bit-1开始对地址计数（相当于只计算偶数地址，总共有32M个地址）FSMC在实际输出地址时，将地址的值右移一位（相当于除以2，变成了偶数地址），输出到实际的地址线上。

FSMC的工作模式: 外设支持输出多种不同的时序以便于控制不同的存储器, 综合了 SRAM／ROM、PSRAM 和 NOR Flash 产品的信号特点，定义了 ABCD 四种不同的异步时序模型。选用不同的时序模型时，需要设置不同的时序参数

模式A支持独立的读写时序控制，这个对我们驱动TFTLCD来说非常有用，因为 TFTLCD在读的时候，一般比较慢，而在写的时候可以比较快，如果读写用一样的时序，那么只能以读的时序为基准，从而导致写的速度变慢，或者在读数据的时候，重新配置 FSMC的延时，在读操作完成的时候，再配置回写的时序，这样虽然也不会降低写的速度，但是频繁配置，比较麻烦。而如果有独立的读写时序控制，那么我们只要初始化的时候配置好，之后就不用再配置，既可以满足速度要求，又不需要频繁改配置。

FSMC驱动SRAM的过程

在驱动外部SRAM时我们需要将地址线、数据线、控制线按照要求连接到对应的存储芯片上，在使用外部存储时，通过地址线来确定要写入数据的位置，通过数据来讲数据写入对应的地址。

涉及到的引脚有ADDR[18:0]18个引脚，数据线DATA[15:0],16个引脚，以及控制信号，写信号（WE）、读信号（OE）、片选信号（CS）。

为什么可以用FSMC来驱动LCD屏幕

对于FSMC来操作LCD屏幕首先我们可以从硬件连接上来看，对于屏幕的引脚，我们可以在FSMC控制器里找到对应的引脚与之一一对应。TFTLCD就是用的FSMC_NE4做片选，其实就是将TFTLCD当成SRAM来控制。在控制SRAM时，一般有：地址线（如A0~A18）、数据线（如D0~D15）、写信号（WE）、读信号（OE）、片选信号（CS）。LCD屏幕在控制时包括：RS、D0~D15、WR、RD、CS、RST和BL等，其中真正在操作LCD的时候需要用到的就只有：RS、D0~D15、WR、RD和CS。其操作时序和SRAM的控制完全类似，唯一不同就是TFTLCD有RS信号，但是没有地址信号。所以我么们选取地址信号中的一个作为RS信号。然后我们只需要配置FSMC的时序和LCD屏幕时序一致即可。我们在像屏幕写入时据时和SRAM不同的就是我们不需要考虑地址了，只需要写入数据就行了，使用地址线的目的就是用来区分你发的数据是命令还是数据。