一个清晰的LCD驱动编写思路

一路上

网络上配套STM32开发板有很多LCD例程，主要是TFT LCD跟OLED的。从这些例程，大家都能学会如何点亮一个LCD。但这代码都有下面问题：

• 分层不清晰，通俗讲就是模块化太差。
• 接口乱。只要接口不乱，分层就会好很多了。
• 可移植性差。
• 通用性差。
  

为什么这样说呢？如果你已经了解了LCD的操作，请思考如下情景：

1、代码空间不够，只能保留9341的驱动，其他LCD驱动全部删除。能一键（一个宏定义）删除吗？删除后要改多少地方才能编译通过？

2、有一个新产品，收银设备。系统有两个LCD，都是OLED，驱动IC相同，但是一个是128x64，另一个是128x32像素，一个叫做主显示，收银员用；一个叫顾显，顾客看金额。怎么办？这些例程代码要怎么改才能支持两个屏幕？全部代码复制粘贴然后改函数名称？这样确实能完成任务，只不过程序从此就进入恶性循环了。

3、一个OLED，原来接在这些IO，后来改到别的IO，容易改吗？

4、原来只是支持中文，现在要卖到南美，要支持多米尼加语言，好改吗？


LCD种类概述

在讨论怎么写LCD驱动之前，我们先大概了解一下嵌入式常用LCD。概述一些跟驱动架构设计有关的概念，在此不对原理和细节做深入讨论，会有专门文章介绍，或者参考网络文档。

TFT lcd

TFT LCD，也就是我们常说的彩屏。通常像素较高，例如常见的2.8寸，320X240像素。4.0寸的，像素800X400。这些屏通常使用并口，也就是8080或6800接口（STM32 的FSMC接口）；或者是RGB接口，STM32F429等芯片支持。其他例如手机上使用的有MIPI接口。

总之，接口种类很多。也有一些支持SPI接口的。除非是比较小的屏幕，否则不建议使用SPI接口，速度慢，刷屏闪屏。玩STM32常用的TFT lcd屏幕驱动IC通常有：ILI9341ILI9325等。

tft lcd：

IPS：

COG lcd

很多人可能不知道COG LCD是什么，我觉得跟现在开发板销售方向有关系，大家都出大屏，玩酷炫界面，对于更深的技术，例如软件架构设计，都不涉及。使用单片机的产品，COG LCD其实占比非常大。COG是Chip On Glass的缩写，就是驱动芯片直接绑定在玻璃上，透明的。实物像下图：

这种LCD通常像素不高，常用的有128X64，128X32。一般只支持黑白显示，也有灰度屏。

接口通常是SPI，I2C。也有号称支持8位并口的，不过基本不会用，3根IO能解决的问题，没必要用8根吧？常用的驱动IC：STR7565。

OLED lcd

买过开发板的应该基本用过。新技术，大家都感觉高档，在手环等产品常用。OLED目前屏幕较小，大一点的都很贵。在控制上跟COG LCD类似，区别是两者的显示方式不一样。从我们程序角度来看，最大的差别就是，OLED LCD，不用控制背光。。。。。实物如下图：

常见的是SPI跟I2C接口。常见驱动IC：SSD1615。


硬件场景

接下来的讨论，都基于以下硬件信息：

1、有一个TFT屏幕，接在硬件的FSMC接口，什么型号屏幕？不知道。

2、有一个COG lcd，接在几根普通IO口上，驱动IC是STR7565，128X32像素。

3、有一个COG LCD，接在硬件SPI3跟几根IO口上，驱动IC是STR7565，128x64像素。

4、有一个OLED LCD，接在SPI3上，使用CS2控制片选，驱动IC是SSD1315。

预备知识

在进入讨论之前，我们先大概说一下下面几个概念，对于这些概念，如果你想深入了解，请GOOGLE。

面向对象

面向对象，是编程界的一个概念。什么叫面向对象呢？编程有两种要素：程序（方法），数据（属性）。例如：一个LED，我们可以点亮或者熄灭它，这叫方法。LED什么状态？亮还是灭？这就是属性。我们通常这样编程：

1. u8 ledsta = 0;
   
2. void ledset(u8 sta)
   
3. {
   
4. }

复制代码

这样的编程有一个问题，假如我们有10个这样的LED，怎么写？这时我们可以引入面向对象编程，将每一个LED封装为一个对象。可以这样做：

1. /*
   
2. 定义一个结构体，将LED这个对象的属性跟方法封装。
   
3. 这个结构体就是一个对象。
   
4. 但是这个不是一个真实的存在，而是一个对象的抽象。
   
5. */
   
6. typedef struct{
   
7.     u8 sta;
   
8.     void (*setsta)(u8 sta);
   
9. }LedObj;
   
10. 
    
11. /*  声明一个LED对象，名称叫做LED1，并且实现它的方法drv_led1_setsta*/
    
12. void drv_led1_setsta(u8 sta)
    
13. {
    
14. }
    
15. 
    
16. LedObj LED1={
    
17.         .sta = 0,
    
18.         .setsta = drv_led1_setsta,
    
19.     };
    
20. 
    
21. /*  声明一个LED对象，名称叫做LED2，并且实现它的方法drv_led2_setsta*/
    
22. void drv_led2_setsta(u8 sta)
    
23. {
    
24. }
    
25. 
    
26. LedObj LED2={
    
27.         .sta = 0,
    
28.         .setsta = drv_led2_setsta,
    
29.     };
    
30.    
    
31. /*  操作LED的函数，参数指定哪个led*/
    
32. void ledset(LedObj *led, u8 sta)
    
33. {
    
34.     led->setsta(sta);
    
35. }

复制代码

是的，在C语言中，实现面向对象的手段就是结构体的使用。上面的代码，对于API来说，就很友好了。操作所有LED，使用同一个接口，只需告诉接口哪个LED。大家想想，前面说的LCD硬件场景。4个LCD，如果不面向对象，「显示汉字的接口是不是要实现4个」？每个屏幕一个？

驱动与设备分离

如果要深入了解驱动与设备分离，请看LINUX驱动的书籍。

什么是设备？我认为的设备就是「属性」，就是「参数」，就是「驱动程序要用到的数据和硬件接口信息」。那么驱动就是「控制这些数据和接口的代码过程」。

通常来说，如果LCD的驱动IC相同，就用相同的驱动。有些不同的IC也可以用相同的，例如SSD1315跟STR7565，除了初始化，其他都可以用相同的驱动。例如一个COG lcd

驱动IC是STR7565 128  64 像素用SPI3背光用PF5 ,命令线用PF4 ,复位脚用PF3

上面所有的信息综合，就是一个设备。驱动就是STR7565的驱动代码。

为什么要驱动跟设备分离，因为要解决下面问题：

有一个新产品，收银设备。系统有两个LCD，都是OLED，驱动IC相同，但是一个是128x64，另一个是128x32像素，一个叫做主显示，收银员用；一个叫顾显，顾客看金额。

这个问题，「两个设备用同一套程序控制」才是最好的解决办法。驱动与设备分离的手段：

在驱动程序接口函数的参数中增加设备参数，驱动用到的所有资源从设备参数传入。

驱动如何跟设备绑定呢？通过设备的驱动IC型号。

模块化

我认为模块化就是将一段程序封装，提供稳定的接口给不同的驱动使用。不模块化就是，在不同的驱动中都实现这段程序。例如字库处理，在显示汉字的时候，我们要找点阵，在打印机打印汉字的时候，我们也要找点阵，你觉得程序要怎么写？把点阵处理做成一个模块，就是模块化。非模块化的典型特征就是「一根线串到底，没有任何层次感」。

LCD到底是什么


前面我们说了面向对象，现在要对LCD进行抽象，得出一个对象，就需要知道LCD到底是什么。问自己下面几个问题：

• LCD能做什么？
• 要LCD做什么？
• 谁想要LCD做什么？
  

刚刚接触嵌入式的朋友可能不是很了解，可能会想不通。我们模拟一下LCD的功能操作数据流。APP想要在LCD上显示 一个汉字。

1、首先，需要一个显示汉字的接口，APP调用这个接口就可以显示汉字，假设接口叫做lcd_display_hz。

2、汉字从哪来？从点阵字库来，所以在lcd_display_hz函数内就要调用一个叫做find_font的函数获取点阵。

3、获取点阵后要将点阵显示到LCD上，那么我们调用一个ILL9341_dis的接口，将点阵刷新到驱动IC型号为ILI9341的LCD上。

4、ILI9341_dis怎么将点阵显示上去？调用一个8080_WRITE的接口。

好的，这个就是大概过程，我们从这个过程去抽象LCD功能接口。汉字跟LCD对象有关吗？无关。在LCD眼里，无论汉字还是图片，都是一个个点。那么前面问题的答案就是：

• LCD可以一个点一个点显示内容。
• 要LCD显示汉字或图片-----就是显示一堆点
• APP想要LCD显示图片或文字。
  

结论就是：所有LCD对象的功能就是显示点。「那么驱动只要提供显示点的接口就可以了，显示一个点，显示一片点。」 抽象接口如下：

1. /*
   
2.     LCD驱动定义
   
3. */
   
4. typedef struct  
   
5. {
   
6.     u16 id;
   
7. 
   
8.     s32 (*init)(DevLcd *lcd);
   
9.     s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);
   
10.     s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);
    
11.     s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);
    
12.     s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);
    
13.     s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);
    
14.     void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);
    
15.     void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);
    
16. }_lcd_drv;

复制代码

上面的接口，也就是对应的驱动，包含了一个驱动id号。

• id，驱动型号
• 初始化
• 画点
• 将一片区域的点显示某种颜色
• 将一片区域的点显示某些颜色
• 显示开关
• 准备刷新区域（主要彩屏直接DMA刷屏使用）
• 设置扫描方向
• 背光控制
  

显示字符，划线等功能，不属于LCD驱动。应该归类到GUI层。

LCD驱动框架

我们设计了如下的驱动框架：

设计思路：

1、中间显示驱动IC驱动程序提供统一接口，接口形式如前面说的_lcd_drv结构体。

2、各显示IC驱动根据设备参数，调用不同的接口驱动。例如TFT就用8080驱动，其他的都用SPI驱动。SPI驱动只有一份，用IO口控制的我们也做成模拟SPI。

3、LCD驱动层做LCD管理，例如完成TFT LCD的识别。并且将所有LCD接口封装为一套接口。

4、简易GUI层封装了一些显示函数，例如划线、字符显示。

5、字体点阵模块提供点阵获取与处理接口。

由于实际没那么复杂，在例程中我们将GUI跟LCD驱动层放到一起。TFT LCD的两个驱动也放到一个文件，但是逻辑是分开的。OLED除初始化，其他接口跟COG LCD基本一样，因此这两个驱动也放在一个文件。

代码分析

代码分三层：

1、GUI和LCD驱动层 dev_lcd.c dev_lcd.h

2、显示驱动IC层 dev_str7565.c & dev_str7565.h dev_ILI9341.c & dev_ILI9341.h

3、接口层 mcu_spi.c & mcu_spi.h stm324xg_eval_fsmc_sram.c & stm324xg_eval_fsmc_sram.h

GUI和LCD层

这层主要有3个功能 ：

「1、设备管理」

首先定义了一堆LCD参数结构体，结构体包含ID，像素。并且把这些结构体组合到一个list数组内。

1. /*  各种LCD的规格参数*/
   
2. _lcd_pra LCD_IIL9341 ={
   
3.         .id   = 0x9341,
   
4.         .width = 240,   //LCD 宽度
   
5.         .height = 320,  //LCD 高度
   
6. };
   
7. ...
   
8. /*各种LCD列表*/
   
9. _lcd_pra *LcdPraList[5]=
   
10.             {
    
11.                 &LCD_IIL9341,      
    
12.                 &LCD_IIL9325,
    
13.                 &LCD_R61408,
    
14.                 &LCD_Cog12864,
    
15.                 &LCD_Oled12864,
    
16.             };

复制代码

然后定义了所有驱动list数组，数组内容就是驱动，在对应的驱动文件内实现。

1. /*  所有驱动列表
   
2.     驱动列表*/
   
3. _lcd_drv *LcdDrvList[] = {
   
4.                     &TftLcdILI9341Drv,
   
5.                     &TftLcdILI9325Drv,
   
6.                     &CogLcdST7565Drv,
   
7.                     &OledLcdSSD1615rv,

复制代码

定义了设备树，即是定义了系统有多少个LCD，接在哪个接口，什么驱动IC。如果是一个完整系统，可以做成一个类似LINUX的设备树。

1. /*设备树定义*/
   
2. #define DEV_LCD_C 3//系统存在3个LCD设备
   
3. LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
   
4. {
   
5.     {"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},
   
6.     {"coglcd", LCD_BUS_SPI,  0X7565},
   
7.     {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
   
8. };

复制代码

「2 、接口封装」

1. void dev_lcd_setdir(DevLcd *obj, u8 dir, u8 scan_dir)
   
2. s32 dev_lcd_init(void)
   
3. DevLcd *dev_lcd_open(char *name)
   
4. s32 dev_lcd_close(DevLcd *dev)
   
5. s32 dev_lcd_drawpoint(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color)
   
6. s32 dev_lcd_prepare_display(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey)
   
7. s32 dev_lcd_display_onoff(DevLcd *lcd, u8 sta)
   
8. s32 dev_lcd_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color)
   
9. s32 dev_lcd_color_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 color)
   
10. s32 dev_lcd_backlight(DevLcd *lcd, u8 sta)

复制代码

大部分接口都是对驱动IC接口的二次封装。有区别的是初始化和打开接口。初始化，就是根据前面定义的设备树，寻找对应驱动，找到对应设备参数，并完成设备初始化。打开函数，根据传入的设备名称，查找设备，找到后返回设备句柄，后续的操作全部需要这个设备句柄。

「3 、简易GUI层」

目前最重要就是显示字符函数。

1. s32 dev_lcd_put_string(DevLcd *lcd, FontType font, int x, int y, char *s, unsigned colidx)

复制代码

其他划线画圆的函数目前只是测试，后续会完善。

驱动IC层

驱动IC层分两部分：

「1 、封装LCD接口」

LCD有使用8080总线的，有使用SPI总线的，有使用VSPI总线的。这些总线的函数由单独文件实现。但是，除了这些通信信号外，LCD还会有复位信号，命令数据线信号，背光信号等。我们通过函数封装，将这些信号跟通信接口一起封装为「LCD通信总线」， 也就是buslcd。BUS_8080在dev_ILI9341.c文件中封装。BUS_LCD1和BUS_lcd2在dev_str7565.c 中封装。

「2 驱动实现」

实现_lcd_drv驱动结构体。每个驱动都实现一个，某些驱动可以共用函数。

1. _lcd_drv CogLcdST7565Drv = {
   
2.                             .id = 0X7565,
   
3. 
   
4.                             .init = drv_ST7565_init,
   
5.                             .draw_point = drv_ST7565_drawpoint,
   
6.                             .color_fill = drv_ST7565_color_fill,
   
7.                             .fill = drv_ST7565_fill,
   
8.                             .onoff = drv_ST7565_display_onoff,
   
9.                             .prepare_display = drv_ST7565_prepare_display,
   
10.                             .set_dir = drv_ST7565_scan_dir,
    
11.                             .backlight = drv_ST7565_lcd_bl
    
12.                             };

复制代码

接口层

8080层比较简单，用的是官方接口。SPI接口提供下面操作函数，可以操作SPI，也可以操作VSPI。

1. extern s32 mcu_spi_init(void);
   
2. extern s32 mcu_spi_open(SPI_DEV dev, SPI_MODE mode, u16 pre);
   
3. extern s32 mcu_spi_close(SPI_DEV dev);
   
4. extern s32 mcu_spi_transfer(SPI_DEV dev, u8 *snd, u8 *rsv, s32 len);
   
5. extern s32 mcu_spi_cs(SPI_DEV dev, u8 sta);

复制代码

至于SPI为什么这样写，会有一个单独文件说明。

总体流程

前面说的几个模块时如何联系在一起的呢？请看下面结构体：

1. /*  初始化的时候会根据设备数定义，
   
2.     并且匹配驱动跟参数，并初始化变量。
   
3.     打开的时候只是获取了一个指针 */
   
4. struct _strDevLcd
   
5. {
   
6.     s32 gd;//句柄，控制是否可以打开
   
7. 
   
8.     LcdObj   *dev;
   
9.     /* LCD参数，固定，不可变*/
   
10.     _lcd_pra *pra;
    
11. 
    
12.     /* LCD驱动 */
    
13.     _lcd_drv *drv;
    
14. 
    
15.     /*驱动需要的变量*/
    
16.     u8  dir;    //横屏还是竖屏控制：0，竖屏；1，横屏。
    
17.     u8  scandir;//扫描方向
    
18.     u16 width;  //LCD 宽度
    
19.     u16 height; //LCD 高度
    
20. 
    
21.     void *pri;//私有数据，黑白屏跟OLED屏在初始化的时候会开辟显存
    
22. };
    

复制代码

每一个设备都会有一个这样的结构体，这个结构体在初始化LCD时初始化。

• 成员dev指向设备树，从这个成员可以知道设备名称，挂在哪个LCD总线，设备ID。
  

1. typedef struct
   
2. {
   
3.     char *name;//设备名字
   
4.     LcdBusType bus;//挂在那条LCD总线上
   
5.     u16 id;
   
6. }LcdObj;

复制代码

• 成员pra指向LCD参数，可以知道LCD的规格。
  

1. typedef struct
   
2. {
   
3.     u16 id;
   
4.     u16 width;  //LCD 宽度  竖屏
   
5.     u16 height; //LCD 高度    竖屏
   
6. }_lcd_pra;

复制代码

• 成员drv指向驱动，所有操作通过drv实现。
  

1. typedef struct  
   
2. {
   
3.     u16 id;
   
4. 
   
5.     s32 (*init)(DevLcd *lcd);
   
6. 
   
7.     s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);
   
8.     s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);
   
9.     s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);
   
10. 
    
11.     s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);
    
12. 
    
13.     s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);
    
14.     void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);
    
15.     void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);
    
16. }_lcd_drv;

复制代码

• 成员dir、scandir、 width、 height是驱动要使用的通用变量。因为每个LCD都有一个结构体，一套驱动程序就能控制多个设备而互不干扰。
• 成员pri是一个私有指针，某些驱动可能需要有些比较特殊的变量，就全部用这个指针记录，通常这个指针指向一个结构体，结构体由驱动定义，并且在设备初始化时申请变量空间。目前主要用于COG LCD跟OLED LCD显示缓存。
  

整个LCD驱动，就通过这个结构体组合在一起。

1、初始化，根据设备树，找到驱动跟参数，然后初始化上面说的结构体。

2、要使用LCD前，调用dev_lcd_open函数。打开成功就返回一个上面的结构体指针。

3、显示字符，接口找到点阵后，通过上面结构体的drv，调用对应的驱动程序。

4、驱动程序根据这个结构体，决定操作哪个LCD总线，并且使用这个结构体的变量。

用法和好处

• 好处1
  

请看测试程序

1. void dev_lcd_test(void)
   
2. {
   
3.     DevLcd *LcdCog;
   
4.     DevLcd *LcdOled;
   
5.     DevLcd *LcdTft;
   
6. 
   
7.     /*  打开三个设备 */
   
8.     LcdCog = dev_lcd_open("coglcd");
   
9.     if(LcdCog==NULL)
   
10.         uart_printf("open cog lcd err\r\n");
    
11. 
    
12.     LcdOled = dev_lcd_open("oledlcd");
    
13.     if(LcdOled==NULL)
    
14.         uart_printf("open oled lcd err\r\n");
    
15. 
    
16.     LcdTft = dev_lcd_open("tftlcd");
    
17.     if(LcdTft==NULL)
    
18.         uart_printf("open tft lcd err\r\n");
    
19. 
    
20.     /*打开背光*/
    
21.     dev_lcd_backlight(LcdCog, 1);
    
22.     dev_lcd_backlight(LcdOled, 1);
    
23.     dev_lcd_backlight(LcdTft, 1);
    
24. 
    
25.     dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc，", BLACK);
    
26.     dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "这是oled lcd", BLACK);
    
27.     dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);
    
28.     dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);
    
29. 
    
30.     dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc，", BLACK);
    
31.     dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "这是cog lcd", BLACK);
    
32.     dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);
    
33.     dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);
    
34. 
    
35.     dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,30, "ABC-abc，", RED);
    
36.     dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,60, "这是tft lcd", RED);
    
37.     dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,100, "www.wujique.com", RED);
    
38.     dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,150, "屋脊雀工作室", RED);
    
39. 
    
40.     while(1);
    
41. }

复制代码

使用一个函数dev_lcd_open，可以打开3个LCD，获取LCD设备。然后调用dev_lcd_put_string就可以在不同的LCD上显示。其他所有的gui操作接口都只有一个。这样的设计对于APP层来说，就很友好。显示效果：

• 好处2
  

现在的设备树是这样定义的

1. LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
   
2. {
   
3.     {"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},
   
4.     {"coglcd", LCD_BUS_SPI,  0X7565},
   
5.     {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
   
6. };

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某天，oled lcd要接到SPI上，只需要将设备树数组里面的参数改一下，就可以了，当然，在一个接口上不能接两个设备。

1. LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
   
2. {
   
3.     {"oledlcd", LCD_BUS_SPI, 0X1315},
   
4.     {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
   
5. };

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字库


暂时不做细说，例程的字库放在SD卡中，各位移植的时候根据需要修改。具体参考font.c。


声明

代码请按照版权协议使用。当前源码只是一个能用的设计，完整性与健壮性尚未测试。

END