良许Linux教程网 干货合集 如何编写分层清晰、通用性好的LCD驱动？

如何编写分层清晰、通用性好的LCD驱动？

作者: 良许 260阅读 0评论

在网络上，配套着各种 STM32 开发板的 LCD 示例程序，主要涉及到 TFT LCD 和 OLED。通过这些示例程序，用户可以学到如何点亮 LCD。然而，这些代码存在一些问题：

  • 分层不清晰，也就是说模块化程度不够好。
  • 接口混乱。若接口整理得井井有条，分层问题将会得到很大改善。
  • 可移植性差。
  • 通用性不强。

为什么会这样说呢？如果你已经了解 LCD 的操作，请考虑以下情景：

  1. 当代码空间不足时，只能保留 9341 驱动，删除其他 LCD 驱动。是否可以通过简单的方式（如一个宏定义）实现删除？删除后需要修改多少处代码才能通过编译？

  2. 假设有一个新产品，是一个收银设备，系统中有两个 OLED 屏幕，驱动 IC 相同，但一个是 128×64，另一个是 128×32 像素。一个称为主显示，供收银员使用；另一个称为顾显，供顾客查看金额。如何修改这些示例代码以支持这两个屏幕？是复制粘贴全部代码然后修改函数名称吗？这样的做法能够完成任务，但会使程序进入恶性循环。

  3. 假设一个 OLED，原先连接在某些 IO 上，现在需要改到其他 IO，这样的修改容易吗？

  4. 原先仅支持中文，现在需要将产品销售到南美，需要支持多米尼加语言，这样的修改容易吗？

LCD 种类概述

在讨论如何编写 LCD 驱动程序之前，我们先来简要了解一下常用的嵌入式 LCD 种类。这里只是概述与驱动架构设计相关的一些概念，不深入讨论原理和细节，这些可以在专门的文章中找到，或者参考网络文档。

TFT LCD

TFT LCD，即 Thin Film Transistor 液晶显示器，通常被称为彩色屏幕。通常具有较高的像素密度，比如常见的 2.8 寸屏幕，分辨率为 320×240 像素。4.0 寸的屏幕可能有 800×400 像素。这些屏幕通常使用并行接口，如 8080 或 6800 接口（适用于 STM32 的 FSMC 接口）；或者是 RGB 接口，像 STM32F429 这样的芯片支持。其他像手机上使用的屏幕可能采用 MIPI 接口。总之，接口种类繁多。也有一些支持 SPI 接口的屏幕，但除非是比较小的屏幕，否则不建议使用 SPI 接口，因为速度较慢，会出现闪烁。常见的用于 STM32 的 TFT LCD 屏幕驱动 IC 包括 ILI9341/ILI9325 等。

2.8寸 tft lcd：

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4寸 IPS：

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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：

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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：

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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STR7565，128×64像素。4 有一个OLED LCD，接在SPI3上，使用CS2控制片选，驱动IC是SSD1315。

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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：

u8 ledsta = 0;
void ledset(u8 sta)
{
}

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：

/*
定义一个结构体，将LED这个对象的属性跟方法封装。
这个结构体就是一个对象。
但是这个不是一个真实的存在，而是一个对象的抽象。
*/
typedef struct{
    u8 sta;
    void (*setsta)(u8 sta);
}LedObj;

/*  声明一个LED对象，名称叫做LED1，并且实现它的方法drv_led1_setsta*/
void drv_led1_setsta(u8 sta)
{
}

LedObj LED1={
        .sta = 0,
        .setsta = drv_led1_setsta,
    };

/*  声明一个LED对象，名称叫做LED2，并且实现它的方法drv_led2_setsta*/
void drv_led2_setsta(u8 sta)
{
}

LedObj LED2={
        .sta = 0,
        .setsta = drv_led2_setsta,
    };
    
/*  操作LED的函数，参数指定哪个led*/
void ledset(LedObj *led, u8 sta)
{
    led->setsta(sta);
}

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128×64，另一个是128×32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：

/*
    LCD驱动定义
*/
typedef struct  
{
    u16 id;

    s32 (*init)(DevLcd *lcd);
    s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);
    s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);
    s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);
    s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);
    s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);
    void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);
    void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);
}_lcd_drv;

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：

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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。

/*  各种LCD的规格参数*/
_lcd_pra LCD_IIL9341 ={
        .id   = 0x9341,
        .width = 240,   //LCD 宽度
        .height = 320,  //LCD 高度
};
...
/*各种LCD列表*/
_lcd_pra *LcdPraList[5]=
            {
                &LCD_IIL9341,       
                &LCD_IIL9325,
                &LCD_R61408,
                &LCD_Cog12864,
                &LCD_Oled12864,
            };

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。

/*  所有驱动列表
    驱动列表*/
_lcd_drv *LcdDrvList[] = {
                    &TftLcdILI9341Drv,
                    &TftLcdILI9325Drv,
                    &CogLcdST7565Drv,
                    &OledLcdSSD1615rv,

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。

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

2 、接口封装

void dev_lcd_setdir(DevLcd *obj, u8 dir, u8 scan_dir)
s32 dev_lcd_init(void)
DevLcd *dev_lcd_open(char *name)
s32 dev_lcd_close(DevLcd *dev)
s32 dev_lcd_drawpoint(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color)
s32 dev_lcd_prepare_display(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey)
s32 dev_lcd_display_onoff(DevLcd *lcd, u8 sta)
s32 dev_lcd_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color)
s32 dev_lcd_color_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 color)
s32 dev_lcd_backlight(DevLcd *lcd, u8 sta)

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。

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

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。

_lcd_drv CogLcdST7565Drv = {
                            .id = 0X7565,

                            .init = drv_ST7565_init,
                            .draw_point = drv_ST7565_drawpoint,
                            .color_fill = drv_ST7565_color_fill,
                            .fill = drv_ST7565_fill,
                            .onoff = drv_ST7565_display_onoff,
                            .prepare_display = drv_ST7565_prepare_display,
                            .set_dir = drv_ST7565_scan_dir,
                            .backlight = drv_ST7565_lcd_bl
                            };

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。

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

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：

/*  初始化的时候会根据设备数定义，
    并且匹配驱动跟参数，并初始化变量。
    打开的时候只是获取了一个指针 */
struct _strDevLcd
{
    s32 gd;//句柄，控制是否可以打开

    LcdObj   *dev;
    /* LCD参数，固定，不可变*/
    _lcd_pra *pra;

    /* LCD驱动 */
    _lcd_drv *drv;

    /*驱动需要的变量*/
    u8  dir;    //横屏还是竖屏控制：0，竖屏；1，横屏。
    u8  scandir;//扫描方向
    u16 width;  //LCD 宽度
    u16 height; //LCD 高度

    void *pri;//私有数据，黑白屏跟OLED屏在初始化的时候会开辟显存
};

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。
typedef struct
{
    char *name;//设备名字
    LcdBusType bus;//挂在那条LCD总线上
    u16 id;
}LcdObj;
  • 成员pra指向LCD参数，可以知道LCD的规格。
typedef struct
{
    u16 id;
    u16 width;  //LCD 宽度  竖屏
    u16 height; //LCD 高度    竖屏
}_lcd_pra;
  • 成员drv指向驱动，所有操作通过drv实现。
typedef struct  
{
    u16 id;

    s32 (*init)(DevLcd *lcd);

    s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);
    s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);
    s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);

    s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);

    s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);
    void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);
    void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);
}_lcd_drv;
  • 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

void dev_lcd_test(void)
{
    DevLcd *LcdCog;
    DevLcd *LcdOled;
    DevLcd *LcdTft;

    /*  打开三个设备 */
    LcdCog = dev_lcd_open("coglcd");
    if(LcdCog==NULL)
        uart_printf("open cog lcd err\r\n");

    LcdOled = dev_lcd_open("oledlcd");
    if(LcdOled==NULL)
        uart_printf("open oled lcd err\r\n");

    LcdTft = dev_lcd_open("tftlcd");
    if(LcdTft==NULL)
        uart_printf("open tft lcd err\r\n");

    /*打开背光*/
    dev_lcd_backlight(LcdCog, 1);
    dev_lcd_backlight(LcdOled, 1);
    dev_lcd_backlight(LcdTft, 1);

    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc，", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "这是oled lcd", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);

    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc，", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "这是cog lcd", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);

    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,30, "ABC-abc，", RED);
    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,60, "这是tft lcd", RED);
    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,100, "www.wujique.com", RED);
    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,150, "屋脊雀工作室", RED);

    while(1);
}

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：

image-20240407004620168
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  • 好处2

现在的设备树是这样定义的

LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
{
    {"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},
    {"coglcd", LCD_BUS_SPI,  0X7565},
    {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
};

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。

LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
{
    {"oledlcd", LCD_BUS_SPI, 0X1315},
    {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
};

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。

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作者: 良许

良许，世界500强企业Linux开发工程师，公众号【良许Linux】的作者，全网拥有超30W粉丝。个人标签：创业者，CSDN学院讲师，副业达人，流量玩家，摄影爱好者。
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