显示屏驱动

在一个嵌入式系统中，图形界面从设计到显示需要经过以下 3 个步骤：

  1. 应用程序将界面渲染到渲染缓冲区，这一步通常使用的库是 LVGL 或者 Qt。
  2. 将图像缓冲区的内容发送到显存，一般需要使用 SPI、I2C、或者并口。
  3. 显示器控制器将显存内容显示到屏幕上，根据显示器的特性，输出数量和通道数极多的信号。

这个过程中，图像信息依次以程序信息、渲染缓冲区、显存、屏幕像素四种形式存在，逐步从抽象的状态信息转换为物理存在的可见光信息。

对于直接支持显示屏接口的处理器来说，第二步可以直接在内存中进行。实际上最后一步并不适合于通用的处理器，比如 SSD1306 控制 128x64 的 OLED 屏时，需要对 64 行 128 列都给出单独的引脚，光这部分就需要 192 个引脚。而 TFT LCD 控制器也需要对 RGB888 格式使用 24 个引脚根据显示器的扫描时序，逐像素输出颜色。从引脚和时序的要求来看，这一步对于处理性能的要求非常大，但对于计算的要求不高，适合于硬件电路处理。

而对于其余的处理器而言，需要借助一个外接的显示屏控制器，如 SSD1306、ST7789、ILI9341 来完成。这个控制器的接口主要包括：

  • 初始化和配置屏幕相关各种设置
  • 配置屏幕的方向等信息
  • 和主机通信，修改显存内容

SPI 接口

其中 SPI 通信协议通常会使用 4 线进行通信：

  • CS 片选
  • CLK 时钟
  • MOSI 传输数据
  • D/C 指定传输的是数据还是命令
  • MISO 一般读不到东西，不使用

进行通信时，接口时序基本都一致：

  1. 初始化，将 CS 拉低，DC 设置为命令，逐个发送命令，并在发送每个命令后等待一段时间，让设备有处理的时间
  2. 发送命令指定要更新的显存区域，即一个矩形范围，有时候对于这个范围有一定的约束
  3. DC 设置为数据，开始传输显存内容。

驱动接口

针对于上述要求，可以发现这个通信接口分别依赖于单片机和显示控制器：

  • 进行通信的具体方式，如设置寄存器的部分需要根据使用的单片机确定。
  • 通信的内容需要根据使用的具体控制器型号确定。

这两个部分互相独立。通常来说，利用特定的单片机进行通信是比较简单的，而确定具体的通信内容则比较复杂。因此，今年发布的 LVGL 9 或者是 ESP-IDF 都内置了一些常见显示屏控制器的驱动协议。这些接口的通信方式实际上只需要两种：

  • 发送命令：控制 DC 引脚和通信接口，发送命令。由于命令通常有时序的要求，在发送完毕后才返回。
  • 发送数据：控制 DC 引脚和通信接口，发送数据。通常显存数据内容庞大，因此发送数据时可能是异步的。

移植

上述的接口在最近发布的库中通常都会默契地遵守，即使比较古老的库实际上也按照这个方法编写。因此，移植显示屏控制器代码时需要注意：

  • 接线：显示屏可能有多个引脚，接起来眼花缭乱。可以在 CubeMX 给每个引脚提供标签如LCD_MOSI [LCD P6]，用于辅助接线。
  • GPIO：使用了上述的标签后，CubeMX 会提供宏作为标签的接口，可以避免硬编码具体的引脚。对于现有的代码，最好进行修改，只使用宏表示引脚。
  • 接口：实际上底层也通常会使用上述的命令、数据二分的方法定义接口，直接根据这个思路查看使用的通信外设配置即可。

基于这个原理移植的 ILI9341 代码见 https://github.com/melonedo/ILI9341-STM32F103C8。