用模块化和面向对象的方式，编写单片机LCD驱动程序

工程师进阶笔记 · 发表于 2024-9-19 17:50:00

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来源 | 屋脊雀
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。但这代码都有下面这些问题：

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 lcdTFT 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：ILI9341/ILI9325等。
tft lcd：

kkejjaqhkof64033351041.png

IPS：

akeo5ce3scb64033351141.jpg

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：

t1ekt3z3yip64033351241.jpg

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：

gn1rxu3jbxr64033351341.png

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。

2bmiq4notqq64033351442.jpg

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" V+ _. Y: \/ l3 j0 Q! N
?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。& h* a: @! y- k- _9 g
?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。
% C" T6 f5 D5 v4 B; n' p?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：

zgh1pkqosy264033351542.jpg

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
");
LcdOled = dev_lcd_open("oledlcd");
if(LcdOled==NULL)
      uart_printf("open oled lcd err\r
");
LcdTft = dev_lcd_open("tftlcd");
if(LcdTft==NULL)
      uart_printf("open tft lcd err\r
");
/*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：

r4clq3p5obg64033351642.jpg

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。
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。后续会放到github，并且持续更新优化。最新消息请关注www.wujique.com。
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