黃克亞

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州， 215131）

1 引 言

嵌入式系統(tǒng)均需配備顯示設(shè)備以指示程序運(yùn)行狀態(tài)和輸出控制結(jié)果。薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）因?yàn)楣牡汀⑤椛湫?、顏色鮮艷、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)而成為嵌入式系統(tǒng)的主流，但是其控制復(fù)雜，需要移植廠家提供的底層驅(qū)動程序［1-2］。數(shù)碼管亮度高、穩(wěn)定可靠、價格便宜，在家用電器、工業(yè)控制和傳感檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是嵌入式學(xué)習(xí)的經(jīng)典器件。

為提高數(shù)據(jù)傳輸速度，降低軟硬件設(shè)計難度，并行接口是數(shù)碼管、液晶顯示器與微控制器（MCU）連接的首選。但并口需要占用大量I/O口資源，以6 位數(shù)碼管為例，共有6 個位選信號和8 個段選信號，TFT-LCD 顯示模塊則有6 個控制信號和16 位數(shù)據(jù)線。設(shè)計系統(tǒng)時，為了編程方便，一般希望位選信號、段選信號、LCD 數(shù)據(jù)線分別占用連續(xù)的16 位端口，而這些I/O 引腳又離散地分布于芯片的四周，上述技術(shù)需求給微控制器引腳資源分配和PCB 布線帶來極大的挑戰(zhàn)，同時降低了實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性，而破解這一難題的方法就是將二者均掛接在FSMC 總線上，同時進(jìn)行信號線復(fù)用。

2 FSMC 總線

靈活靜態(tài)存儲控制器（Flexible Static Memory Controller，F(xiàn)SMC）能夠連接同步、異步存儲器和16 位PC 存儲卡，支持SRAM、NAND Flash、NOR Flash 和PSRAM 等 類 型 存 儲 器。FSMC 連接的所有外部存儲器共享地址、數(shù)據(jù)和控制信號，但有各自的片選信號，所以FSMC 一次只能訪問一個外部器件［3-4］。

如圖1 所示，F(xiàn)SMC 將外部存儲器1 GB 空間劃分為固定大小為256 MB 的4 個存儲塊（Bank），Bank1 可連接多達(dá)4 個NOR Flash 或PSRAM/SRAM 存 儲 器 件，Bank2 和Bank3 用 于 訪 問NAND Flash 存儲器，每個存儲區(qū)域連接一個設(shè)備，Bank4 用于連接PC Card 設(shè)備。其中Bank1又被分為4 個區(qū)（Sector），每個區(qū)管理64 MB 空間，每個區(qū)都有獨(dú)立的寄存器對所連接的存儲器進(jìn)行配置。

圖1 FSMC 存儲區(qū)域劃分Fig.1 Division of FSMC storage area

如 表1 所 示，Bank1 的256 MB 空 間 由28 根地址線（HADDR［27：0］）尋址。這里HADDR 是內(nèi)部AHB 總線地址，其中HADDR［25：0］來自外部存儲器地址FSMC_A［25：0］，對應(yīng)引腳地址信號；而HADDR［27：26］對4 個區(qū)進(jìn)行尋址，由系統(tǒng)自動完成，無外部引腳對應(yīng)信號。

表1 Bank1 存儲區(qū)選擇表Tab.1 Bank1 storage area selection table

在設(shè)計或分析系統(tǒng)時需要特別注意HADDR［25：0］的對應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)Bank1 連接的是8 位寬度存儲器時，總線和外設(shè)均采用字節(jié)編址，二者一一對應(yīng)，即：HADDR［25：0］→FSMC_A［25：0］。

當(dāng)Bank1 連接的是16 位寬度存儲器時，總線字節(jié)編址，存儲器雙字節(jié)尋址，此時總線26 地 址 中 最 低 位HADDR［0］用 來 表 示16 位數(shù) 據(jù) 的 高 位 或 低 位，高25 位HADDR［25：1］對應(yīng)16 位寬的存儲器單元地址，即：HADDR［25：1］→FSMC_A［24：0］，相當(dāng)于總線地址右移了一位［5-6］。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

作者設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，其重點(diǎn)展示TFT-LCD 和數(shù)碼管的FSMC 總線連接關(guān)系，其他模塊，如CMSIS-DAP調(diào)試器、LED 流水燈、獨(dú)立/矩陣按鍵等雖也為實(shí)驗(yàn)裝置重要組成部分，但不是本文討論重點(diǎn)，故未繪制。實(shí)驗(yàn)裝置主控芯片選擇基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核，性能出色的STM32F407ZGT6微控制器，該芯片擁有完備的FSMC 接口系統(tǒng)，塊1 的4 個子區(qū)可同時連接4 個NOR Flash/PSRAM/SRAM 存儲設(shè)備。實(shí)驗(yàn)裝置配備雙顯示終端，數(shù)碼顯示器為6 位14.22 mm（0.56 in）共陽數(shù)碼管，PNP 三極管S8550 驅(qū)動；液晶顯示器為70.82 mm（2.8 in）全彩TFT-LCD 顯示模塊，240 像素×320像素，2.8～3.3 V 供電，ILI9341驅(qū)動，16 位8080 并行接口。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置FSMC 連接結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 FSMC connection structure block diagram of experimental device

3.1 FSMC 與TFT-LCD 連 接

在STM32 內(nèi)部，F(xiàn)SMC 起到橋梁作用，其一端通過內(nèi)部高速總線AHB 連接到Cortex 內(nèi)核，另一端則是面向擴(kuò)展存儲器的外部總線，既能夠進(jìn)行信號類型的轉(zhuǎn)換，又能夠進(jìn)行信號寬度和時序的調(diào)整，提供多種讀寫模式，使之對內(nèi)核而言沒 有 區(qū) 別［7-8］。模 式A 比 較 適 合 連 接 至Bank1 的NOR Flash/PSRAM/SRAM 存儲器，其讀寫時序如圖3 所示［9］。信號線主要包括26 位地址線A［25：0］，16 位數(shù)據(jù)線D［15：0］，片選信號NE［x］，輸出使能NOE，寫入使能NEW。

圖3 FSMC 模式A 讀寫時序Fig.3 Read and write timing of FSMC mode A

TFT-LCD 顯示模塊信號線包括：數(shù)據(jù)線D［15：0］，寄存器/存儲器選擇RS，讀使能RD，寫使能WR，片選CS，復(fù)位RST。通常使用標(biāo)準(zhǔn)的16 位8080 并口與微控制器連接，其讀寫時序如圖4 所示［10］。

圖4 8080 接口讀寫時序Fig.4 Read and write timing of 8080 interface

對比圖3、圖4 讀寫時序和二者控制信號可以發(fā)現(xiàn)，TFT-LCD 模塊，除了已連接至系統(tǒng)復(fù)位電路的RST 信號外，其他信號均可由FSMC 接口提供，所以FSMC 連接PSRAM/SRAM 的工作模式適合于連接TFT-LCD 顯示模塊。如圖2所示，項(xiàng)目實(shí)施時選擇FSMC 總線的Bank1.Sector4 連接TFT-LCD，F(xiàn)SMC_NE4 接LCD 片選 信 號CS，F(xiàn)SMC_NOE 接LCD 讀 引 腳RD，F(xiàn)SMC_NWE 接LCD 寫 引 腳WR，選 擇FSMC_A6 地址線連接LCD 的寄存器/存儲器選擇信號RS，F(xiàn)SMC_D［15：0］接LCD 的16 位 數(shù) 據(jù) 線D15～D0，LCD 工作于16 位8080 接口模式。

3.2 FSMC 與數(shù)碼管連接

如圖2 所示，數(shù)碼管和TFT-LCD 同時掛接在STM32F4 的FSMC 總線上，二者共享數(shù)據(jù)線，為使二者輸出信號互不影響，需要將向數(shù)碼管送出的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行鎖存，鎖存器選擇2 片74HC573D，鎖存引腳LE 高電平傳輸，低電平封鎖。選擇FSMC 總線的Bank1.Sector3 連接6 位共陽數(shù)碼管，所以FSMC_NE3 作為數(shù)碼管的片選信號，但是NE3 是低電平有效，與鎖存器傳輸信號正好相反，所以FSMC_NE3 需要經(jīng)反相器U2 連接U3 的兩片74HC573D 的鎖存引腳LE。由于只需要一路反相器，系統(tǒng)實(shí)施時采用由1 個PMOS 管和1 個NMOS 管構(gòu)成的單路CMOS 反相器。數(shù)碼管8 個段選線和6 個位選線共14 條信號線由FSMC_D［13：0］控制，需要經(jīng)過鎖存模塊U3 鎖存，F(xiàn)SMC_D［7：0］接一片鎖存器輸入端，鎖存器輸出端接數(shù)碼管段選線dp～a，F(xiàn)SMC_D［13：8］接另一片鎖存器的輸入端，鎖存器的輸出端接數(shù)碼管位選線DS6～DS1。

上述設(shè)計實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管和TFT-LCD 數(shù)據(jù)線和控制線的時分復(fù)用，減少了微控制器GPIO需求，節(jié)約了CPU 資源，降低了PCB 布線難度，提升了系統(tǒng)可靠性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 FSMC 初始化

系統(tǒng)底層軟件設(shè)計的任務(wù)是完成顯示設(shè)備的讀寫，因?yàn)轱@示設(shè)備均掛接在FSMC 總線上，所以要實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備數(shù)據(jù)訪問，首先就需要FSMC 初始化。

4.1.1 FSMC 讀寫時序

FSMC 有多種時序模型用于NOR Flash/PSRAM/SRAM 的 訪 問，對TFT-LCD 來 說，讀取操作比較慢，寫入操作比較快，使用模式A 的讀寫分離時序控制比較方便，可以使讀寫操作均獲得較高性能表現(xiàn)。數(shù)碼管控制只涉及寫，且沒有速度要求，任何模式均可以滿足要求，為了和LCD 保持一致，也采用模式A 進(jìn)行控制。

訪問NOR Flash/PSRAM/SRAM 的模式A的讀取時序如圖3（a）所示，寫入時序如圖3（b）所示，在這兩個時序中都只需要設(shè)置地址建立時間ADDSET 和數(shù)據(jù)建立時間DATAST 這兩個參數(shù)，它們都用HCLK 的時鐘周期個數(shù)表示，其中ADDSET 最小值為0，最大值為15，DATAST 最小值為1，最大值為255。根據(jù)參考文獻(xiàn)［9］說明，實(shí)際的地址建立時間是ADDSET 個HCLK 周期，數(shù)據(jù)建立時間是（DATAST+1）個HCLK周期。

4.1.2 FSMC 初始化

FSMC 工作模式靈活多變，控制寄存器眾多，直接操作寄存器很難完成，一般采用基于庫函數(shù)的開發(fā)方式，而庫函數(shù)又分為標(biāo)準(zhǔn)庫和硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）庫。借助STM32 推出的圖形化配置軟件STM32CubeMX的HAL 庫開發(fā)，只需要輸入幾個關(guān)鍵參數(shù)，即可自動完成FSMC 接口初始化工作。自動化程度高，是未來嵌入式開發(fā)的技術(shù)方向。

（1） 數(shù)碼管FSMC 初始化設(shè)置

在STM32CubeMX 軟件中，打開圖5 所示的設(shè)置界面，首先設(shè)置Mode 選項(xiàng)內(nèi)容，配置NOR Flash/PSRAM/SRAM/ROM/LCD 3，即 選 擇Bank1. Sector3 連接數(shù)碼管，片選信號：NE3，存儲器類型：LCD Interface，LCD 的RS 信號：A6，數(shù)據(jù)寬度：16 位。隨后配置Configuration 選項(xiàng)內(nèi)容，其中大部參數(shù)采用默認(rèn)即可，使能擴(kuò)展模式，使其支持分開設(shè)置讀寫時序。對數(shù)碼管的訪問只有寫不需要讀，所以讀時序參數(shù)可以任意設(shè)置；寫時序中無需送出地址信號，所以寫時序地址建立時間設(shè)置為0，以使其選中芯片后立即送出數(shù)據(jù)。因片選信號需要經(jīng)過反相器送給鎖存芯片以完成數(shù)據(jù)傳輸，所以數(shù)據(jù)送出后需要保持一定的時間，數(shù)據(jù)建立時間需要設(shè)置大一些，作者設(shè)置的是160。所有需要配置的信息在圖5 中均使用紅色框線標(biāo)出。

圖5 數(shù)碼管FSMC 初始化界面Fig.5 FSMC initialization interface of digital tube

（2） LCD 的FSMC 初 始化設(shè)置

如 圖6 所 示，TFT-LCD 的FSMC 初 始 化 基本上和圖5 的數(shù)碼管FSMC 初始化設(shè)置是一樣的，不同的地方均使用藍(lán)色框線標(biāo)出。LCD 連接到FSMC 的Bank1. Sector4，所以此時需要配置NOR Flash/PSRAM/SRAM/ROM/LCD 4，片選信號也相應(yīng)地調(diào)整為NE4。FSMC 總線選擇模式A 分開設(shè)置讀寫時序控制LCD 顯示屏，由于LCD 讀速度要比寫速度慢得多，所以在設(shè)置讀時序時時間參數(shù)盡量設(shè)置大一些，作者將ADDSET 和DATAST 分別設(shè)置為15 和59。對于STM32F407 微控制器，在168 MHz 主頻時，HCLK 約為6 ns，其對應(yīng)的地址建立時間為15×6 ns=90 ns，數(shù)據(jù)建立時間為（59+1）×6 ns=360 ns。LCD 寫時序的時間參數(shù)設(shè)置適當(dāng)小一些，作者將ADDSET 和DATAST 分別設(shè)置為9和8，兩個參數(shù)對應(yīng)的時間數(shù)值均約為54 ns。上述參數(shù)設(shè)置對70.82 mm（2.8 in）TFT-LCD 的常規(guī)驅(qū)動芯片ILI9341 來說可以保證其穩(wěn)定運(yùn)行，并留有足夠的裕量。

圖6 LCD 的FSMC 初始化界面Fig.6 FSMC initialization interface of LCD

完成上述配置后，STM32CubeMX 會自動將FSMC 總線用到的GPIO 引腳配置為FSMC 復(fù)用推挽模式，無須上拉或下拉，并在FSMC 初始化程序中完成調(diào)用，大大減輕了用戶編程工作量。

4.2 數(shù)碼管顯示程序設(shè)計

STM32CubeMX 完成FSMC 初始化后，生成Keil MDK 工程，在工程的主函數(shù)中會自動調(diào)用初始化函數(shù)，此時就可以直接訪問數(shù)碼管或LCD。6 位共陽數(shù)碼管采用PNP 三極管S8550 驅(qū)動，所以位選碼是低電平有效，段選碼也是低電平相應(yīng)筆劃點(diǎn)亮。假設(shè)我們需要將DS1、DS3、DS5 三個數(shù)碼管上面均顯示的數(shù)字“1”，則應(yīng)送出的顯示碼如表2 所示，即向FSMC 總線送出一個16 進(jìn)制數(shù)據(jù)0xEAF9，即可實(shí)現(xiàn)顯示控制。

表2 數(shù)碼管控制實(shí)例顯示碼對應(yīng)表Tab.2 Corresponding table of digital tube control example display code

數(shù)據(jù)管是掛接在FSMC 總線的Bank1.Sector3 上的，由表1 可知，這一區(qū)域?qū)?yīng)的地址范圍為0x6800 0000-0x6BFF FFFF，只要向這個64 MB 單元中任一地址送數(shù)據(jù)，即可將顯示碼發(fā)送至數(shù)據(jù)線，并自動產(chǎn)生片選信號FSMC_NE3，反相后形成鎖存信號，完成數(shù)據(jù)鎖存。為此選擇這一區(qū)域的首地址0x6800 0000，轉(zhuǎn)換為指針型常量，將其賦值給uint16_t 型指針型變量SEG_ADDR，向該地址寫數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)顯示控制，十分簡單。

4.3 LCD 顯示程序設(shè)計

相比于數(shù)碼管顯示控制，LCD 顯示程序則要復(fù)雜得多，分為底層驅(qū)動、基礎(chǔ)顯示和高層應(yīng)用3 部分?；A(chǔ)顯示程序和高層應(yīng)用程序一般由顯示屏廠家直接提供，且在移植了底層驅(qū)動程序之后，一般無需任何更改，就可直接使用，所以本文重點(diǎn)討論的是基于FSMC 的底層驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)。

對TFT-LCD 寄存器和存儲器一體化控制簡單、便捷的方法是定義一個LCD 數(shù)據(jù)訪問結(jié)構(gòu)體，包含寄存器和存儲器2 個16 位無符號型成員。并確定該結(jié)構(gòu)體的基地址為0x6C00007E，其 中HADDR［27：26］=11，表 明 選 擇 的 是Bank1.Sector4，即片選信號FSMC_NE4 有效。

結(jié)構(gòu)體第一個成員LCD_REG 地址和LCD 結(jié)構(gòu)體的基地址相同，即：0x6C00007E，第二個成員LCD_RAM 地址為基地址加2，即：0x6C000080。如果只觀察HADDR 低8 位，即LCD->LCD_REG的HADDR［7：0］=0111 1110，LCD->LCD_RAM的HADDR［7：0］=1000 0000，由于FSMC外接16 位存儲器時內(nèi)外地址對應(yīng)關(guān)系為HAD?DR［25：1］→FSMC_A［24：0］，相當(dāng)于右移1 位。由此可知LCD->LCD_REG 的FSMC_A［6：0］=011 1111，F(xiàn)SMC_A6（RS）=0，讀 寫LCD 寄 存器；LCD->LCD_RAM 的FSMC_A［6：0］=100 0000，F(xiàn)SMC_A6（RS）=1，讀寫LCD 存儲器。在FSMC 配置過程中選擇不同的地址線連接LCD 的RS 信號，其基地址的確定亦可舉一反三。

有了上述定義并確定好基地址之后，通過選擇結(jié)構(gòu)體的不同成員，即可實(shí)現(xiàn)對不同存儲對象的訪問，編程簡潔、高效、直觀。結(jié)合LCD 驅(qū)動芯片ILI9341［10］控制時序，將讀寫控制代碼封裝成LCD 基本讀寫函數(shù)，即為LCD 底層驅(qū)動程序，供基礎(chǔ)顯示程序和高層應(yīng)用程序調(diào)用。

由于技術(shù)發(fā)展歷史原因，一般LCD 控制程序是用標(biāo)準(zhǔn)庫編寫的，所以還需將標(biāo)準(zhǔn)庫程序向HAL 庫程序移植，一般步驟為：在STM32CubeMX中配置并自動生成FSMC 初始化代碼，含LCD和數(shù)碼管兩部分；定義LCD 結(jié)構(gòu)體、確定基地址，編寫LCD 底層驅(qū)動程序；將原LCD 初始化程序中的FSMC 初始化和復(fù)用引腳配置代碼刪除，其余部分保留；移植基礎(chǔ)顯示和高層應(yīng)用代碼，經(jīng)過上述步驟即可完成LCD 顯示代碼移植。

5 系統(tǒng)運(yùn)行測試

為檢驗(yàn)電路功能和觀察運(yùn)行效果，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計成果，完成樣品生產(chǎn)、組裝和測試工作。

第一步：數(shù)碼管顯示測試。編寫數(shù)碼管動態(tài)顯示時間程序，在6 位數(shù)碼管上顯示時、分、秒數(shù)值，各占兩位數(shù)碼管，且在小時和分鐘的末尾顯示一個小數(shù)點(diǎn)。

第二步：LCD 顯示測試。在完成顯示程序移植之后，調(diào)用顯示函數(shù)分別進(jìn)行字符、字符串、整型、浮點(diǎn)數(shù)等文字信息顯示測試；調(diào)用圖形處理函數(shù)進(jìn)行畫點(diǎn)、畫線、畫圓、矩形、三角形、指定區(qū)域填充等圖形顯示測試；制作漢字字庫并存于字庫文件當(dāng)中，調(diào)用中文顯示函數(shù)進(jìn)行多種字號漢字顯示測試。

第三步：綜合測試。設(shè)計了一個綜合實(shí)例，系統(tǒng)主程序是一個電子萬年歷，實(shí)時采集現(xiàn)場溫濕度信息，合并實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計信息，所有信息均顯示于TFT-LCD 顯示屏上，同時將當(dāng)前時間高亮顯示于數(shù)碼管，便于遠(yuǎn)距離觀看，測試結(jié)果如圖7 所示。由于項(xiàng)目綜合性較強(qiáng)，主程序處理任務(wù)較多，而數(shù)碼管動態(tài)顯示是阻塞運(yùn)行的，CPU占有率較高，作者采用定時器中斷的方式依次刷新需要顯示的數(shù)碼管，在主程序中只需要對顯示數(shù)組賦值即可，使兩個顯示設(shè)備顯示控制方式基本相同，提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置綜合測試圖Fig.7 Comprehensive test diagram of experimental device

第四步：對比測試。分別使用FSMC 總線、GPIO 并口、SPI 串口連接數(shù)碼管和TFT-LCD 雙顯示設(shè)備，運(yùn)行測試程序，使用STM32 定時器記錄LCD 刷整屏?xí)r間，測試條件和測試結(jié)果如表3所示。由表3 可知，SPI 串口顯示速度很慢，對于有刷新頻率要求的場合原則上不使用。FSMC接口和GPIO 并口測試時使用相同的TFT-LCD模塊和微控制器，工作于同一主頻，使測試數(shù)據(jù)更具可比性。由表中數(shù)據(jù)計算得出，F(xiàn)SMC 接口相比于微控制器并口控制，減少了38.2% 的GPIO 引腳資源占有率，LCD 刷屏速度提高了17.6 倍。以上數(shù)據(jù)視軟硬件設(shè)置情況會有小幅波動，但是大致范圍不會變化。

表3 顯示終端驅(qū)動接口對比測試Tab.3 Comparison test of display terminal driver interface

測試結(jié)果表明，采用FSMC 總線同時連接數(shù)碼管和TFT-LCD 顯示屏各項(xiàng)顯示功能均很好完成，刷新速度快，畫面清晰流暢，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，項(xiàng)目設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一款嵌入式系統(tǒng)多顯示終端實(shí)驗(yàn)裝置，將數(shù)碼顯示器和TFT-LCD 均掛接在STM32 微控制器的高速FSMC 總線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號和控制信號時分復(fù)用。LCD 的8080 控制時序和數(shù)碼顯示器地址鎖存信號均由硬件自動產(chǎn)生，F(xiàn)SMC 初始化亦可通過STM32CubeMX圖形化配置工具輕松完成，軟件設(shè)計工作量顯著減少。相比于微控制器直接并口控制，減少了38.2%的GPIO 引腳資源占有率，LCD 刷屏速度提高了17.6 倍。系統(tǒng)設(shè)計方案具有較高的數(shù)據(jù)訪問性能，降低了軟硬設(shè)計難度，提高了系統(tǒng)可靠性。