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lcd driver for MCU,常用小型LCD屏的驱动,如ST7735S,GC9A01等

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lcd driver for MCU,常用小型LCD屏的驱动,如ST7735S,GC9A01等

0. 说明

最近网购了几片LCD显示模块,商家提供的驱动性能非常差,以128*160,16位颜色的 lcd TFT 屏为例, 整屏的颜色数据为128 * 160 * 16bit = 327,680, 以STM32 F103 的SPI最高频率18M计算, 每秒能发送的数据足够刷新50多次,即有一些损耗,也不至于FPS只有十几二十,在查看这些驱动的源代码时, 发现有一些错误的注释,网上也没有找到合适驱动代码. 于是自行查阅官方文档,并修改代码,比商家提供的程序性能要好一些,希望能对他人有用.

1. 性能测试数据

做了一些简单的测试,记录如下:

* 测试平台：SMT32F103C8T6核心开发板, 1.8寸 128*160, ST7735S驱动 LCD 显示屏 
* 系统时钟: 72M
* SPI时钟: 18M
* 开发环境: Keil 5.29 , STM32 HAL 库

以下不同显存情况下，用不同颜色清屏(128*160)刷新的的 FPS 数据

DRAM(byte)	256	512	1024	1536	2048	2560	3072	3584	4096	5120	7680	8192
无DMA	49.86	50.59	50.9	50.93	50.89	50.83	50.74	50.65	50.56	50.35	49.84	49.75
有DMA	51.19	52.84	53.63	53.81	53.85	53.84	53.76	53.71	53.63	53.45	52.94	52.85
性能提升	2.60%	4.26%	5.09%	5.35%	5.50%	5.59%	5.62%	5.70%	5.72%	5.80%	5.86%	5.87%

可以看出显存并不是越多性能越好

若开启编译优化, 无DMA的性能更略有提升,FPS能到达52-53左右

对于嵌入式开发,25以上的fps已足够使用,采用DMA方式再提升3,5个百分点的效果并不明显， 而由此占用了dma资源,并且由于DMA中断,数据要分批发送,导致代码结构复杂,与其它功能耦合,不利于调试与移植复用. 综合来看,不建议启用DMA.

但是,若RAM资源足够多能设置全屏显存,可以用DMA一次性刷新全屏,不需要分批发送,全屏显示可以做一些复杂的显示操作

若要得到更高的FPS,有三种方案:

* 采用更高速度的SPI, 国产某些MCU的SPI速度可以达到40M以上
* 采用4线SPI,两根据数据同时发送,理论上速率可以翻倍
* 若对颜色要求不高,可降低颜色深度, 有些屏支持12bit颜色

另外粗略测试了以下两个屏的粗略的性能测试数据

驱动IC	分辨率	颜色深度	SPI 18M	SPI 45M
ST7735S	128*160	16 bit	50.9 fps	135.8 fps
GC9A01	240*240	16 bit	17.2 fps	48.5 fps

2. 性能提升的关键

在商家提供的驱动代码注释中有以下一段话 (看代码中的配置 SPI时钟为36M)

//如果使用官方库函数定义下列底层，速度将会下降到14帧每秒，建议采用我司推荐方法
//以下IO定义直接操作寄存器，快速IO操作，刷屏速率可以达到28帧每秒！ 

//GPIO置位（拉高）
#define	LCD_CS_SET  GPIO_TYPE->BSRR=1<<LCD_CS    //片选端口  	PB11
#define	LCD_RS_SET	GPIO_TYPE->BSRR=1<<LCD_RS    //数据/命令  	PB10	  
#define	LCD_RST_SET	GPIO_TYPE->BSRR=1<<LCD_RST   //复位			PB12

//GPIO复位（拉低）							    
#define	LCD_CS_CLR  GPIO_TYPE->BRR=1<<LCD_CS     //片选端口  	PB11
#define	LCD_RS_CLR	GPIO_TYPE->BRR=1<<LCD_RS     //数据/命令  	PB10	 
#define	LCD_RST_CLR	GPIO_TYPE->BRR=1<<LCD_RST    //复位			PB12

以上认为是寄存器操作引起的速度变化是错误的, GPIO 速度的远小于 SPI, 最影响速度的操作是频繁的 GPIO 操作,即不断地操作CS,D/C, 在批量发送数据时,把D/C拉高,再用HAL_SPI_Transmit 发送数据即可大大减少 GPIO 的操作.

以下是用寄存器操作与HAL操作GPIO的对比(显存DRAM 256 byte, SPI时钟 18M,无DMA)

方式	寄存器操作	HAL库操作
FPS	49.86	49.85

可以看出性能变化几乎可以忽略

在项目中,如果要向LCD屏发送命令/数据前,先拉低CS,甚至有些项目就一块屏,CS在硬件连接就已拉低,就没有必要再操作CS, 每次发命令或者数据前拉低或者拉低D/C,在批量发送数据时没有必要频繁操作D/C或者CS

若考虑同一个SPI接口控制多块屏的显示,则要在驱动层或者显示接口层加增加启用与禁用指定屏的功能函数

3. 性能的极限

lcd显示屏的FPS性能除了受到MCU SPI速度的约束外,也受自身驱动IC与物理性能的约束,

根据S7735S的官方文档,时钟周期Serial Clock Cycle (Write) 最小值为66ns,可以支持15M的速度, 按全屏12816016bit数据计算,刷新一屏约21.6ms,FPS约46.

若假设时钟信号为理想的方波,只考虑时钟高低电平的持续时间,其最小周期约为 TSHW+TSLW=30ns, 可以支持33.3M的速率,FPS约102 从实际的测试结果看,官方文档非常保守(或者官方文档已过时,我参考的版本是V1.5_20150303). 用ACM32F403测试,SPI时钟在22.5M时, FPS可达到67左右,当SPI时钟置为45,开启编译优化后,测得FPS约136,刷新显示依然正常

GC9A01的屏没有测试,但是从文档中看Serial Clock Cycle (Write) 最小值为10,可以支持100M的速度,对于240*240,16位色, FPS大约可以刷到108

4. 显示接口层功能

除了初始化,打开关闭显示等基本的功能外,还有以下功能

* 描点
* 画线,支持线宽
* 画空心矩形框,支持线宽
* 填充矩形
* 画空心圆
* 填充圆
* 显示ascii字符
* 显示汉字
* 显示图片

代码中用到的取字模,图片取模,颜色转换等,请访问

https://www.buziot.com/tools

若有需要,可以考虑增加显示功能,如 UI组件, 动画等

5. 目录结构与功能层次

示例代码中的目录结构如下:

* proj	项目文件
* sys  	系统文件，如CMSIS ,HAL库等
* msp  	mcu资源
* bsp 	板载资源
* drv 	驱动层
* api 	接口层
* app 	应用层
* lib 	第三方库
* res 	资源文件,如文字,图标,图片等
* ui 	ui组件

功能层次如下图:

6. 其它说明

本项目目前只提供 ST7735S,与GC9A01的两个驱动,其它驱动用户可以自行增加以支持其它驱动IC

example中有两个示例代码， src只有核心内容,即驱动屏,显示接口与配置文件,显示接口几乎不需要修改 src的驱动中没有DMA内容， example中的示例有DMA,在spi.h中可以设置关闭或者开启

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