動OLED屏幕（SSD1306）完整教程)
做ZYNQ開發(fā)這幾年被問得最多的一個問題是片上的SPI控制器不是現(xiàn)成的嗎為什么要用GPIO去模擬SPI尤其是碰上OLED這種對時序不算太苛刻的外設(shè)很多人覺得直接用硬核SPI不就行了。但真正在項目里踩過坑的人都明白情況遠(yuǎn)沒那么簡單。芯片的SPI引腳可能被其他功能占用硬件布線繞不過去或者你同時掛了多個SPI設(shè)備但片選不夠用更別提有些IP在Linux驅(qū)動層還一堆配置問題。這時候GPIO模擬SPI簡直是救場神器。這篇文章我手把手帶你把整個流程走一遍從Vivado工程搭建、PS端GPIO配置到裸機(jī)代碼模擬SPI時序驅(qū)動SSD1306控制的OLED屏幕全部干貨照著做就能亮屏。我用的硬件是ZYNQ-7020平臺開發(fā)環(huán)境是Vivado 2020.2老版本也沒問題操作流程幾乎一樣。軟件模擬SPI的思路有一個巨大的好處——引腳隨意映射幾乎不受硬件約束在調(diào)試初期可以極大降低排線難度。文章最后我會把整個工程目錄結(jié)構(gòu)和使用說明一并列出包括調(diào)試中遇到的奇葩問題和對應(yīng)的排查方法這些東西在官方文檔里基本找不到。1. 項目背景與方案選型1.1 為什么不用ZYNQ的硬件SPI控制器ZYNQ的PS端Processing System確實集成了兩個SPI控制器名字叫SPI0和SPI1理論上你可以直接通過MIO引腳把它們引出來用。但實際開發(fā)中你會發(fā)現(xiàn)幾個非?，F(xiàn)實的問題:第一是引腳沖突。MIO的管教功能是復(fù)用的同一個引腳經(jīng)常要在UART、SPI、I2C、SDIO之間做選擇。比如你的板子已經(jīng)用掉了一路UART做調(diào)試打印又用了一路SDIO掛SD卡那剩下的MIO引腳很可能不夠湊齊一組完整的SPI接口更別說OLED屏幕加上DC數(shù)據(jù)/命令選擇線和RST復(fù)位線之后足足需要6根信號線。第二是硬件布線。就算引腳夠用板子的物理走線也可能讓你很頭疼。MIO引腳的位置是固定的如果你的OLED屏幕在板子的另一側(cè)飛線會繞得很遠(yuǎn)這對SPI的時鐘信號來說是個隱患特別是頻率稍高一點的時候信號反射和串?dāng)_能讓你查到懷疑人生。第三是驅(qū)動輪子的成本。如果你后面打算跑Linux硬件SPI在設(shè)備樹里要配置中斷要處理DMA要調(diào)試一套組合拳下來可能大半天就過去了。而GPIO模擬SPI在裸機(jī)下就是個延時函數(shù)的事幾十行代碼搞定在Linux下用gpio sysfs接口或者新版的gpiod庫也能快速實現(xiàn)幾乎沒有學(xué)習(xí)成本。所以我一直強(qiáng)調(diào)一個觀點如果外設(shè)速率要求不高OLED的SPI時鐘通常幾MHz就夠GPIO模擬SPI不是妥協(xié)而恰恰是工程上的最優(yōu)解。它把通信時序的控制權(quán)完全握在自己手里出了問題可以用示波器一根線一根線地看邏輯清晰得多。1.2 方案選型GPIO模擬SPI的適用范圍和邊界當(dāng)然我也得說清楚GPIO模擬SPI不是萬能的它有自己的適用范圍和性能邊界。適合用GPIO模擬的場景包括器件通信速率不高10MHz以下引腳數(shù)目緊張需要靈活映射或者處于快速原型驗證階段需要最小化工程量。OLED屏幕、溫濕度傳感器、ADC采樣芯片、Flash存儲器低速模式下都屬于這一類。我甚至用GPIO模擬SPI驅(qū)動過TFT液晶屏雖然刷新率不算高但做簡單的狀態(tài)顯示完全夠用。不適合的場景就一句話高速、大批量數(shù)據(jù)傳輸。用GPIO模擬SPI每發(fā)送一個bit都要CPU親自翻轉(zhuǎn)電平以常見的CPU主頻來算模擬SPI的實際吞吐量撐死也就幾Mbps而且期間CPU被完全占住什么別的事都干不了。如果你要驅(qū)動的是SD卡、高速ADC或者需要連續(xù)刷屏的視頻輸出老老實實用硬件SPI、QSPI甚至并行接口別在這上面跟物理規(guī)律較勁。另外還有一個容易忽略的問題GPIO模擬SPI沒有硬件FIFO做緩沖也沒有硬件片選管理所有時序完全依賴軟件延時因此它不適合對時序抖動極其敏感的外設(shè)。但OLED的SSD1306控制芯片是個例外它對時序的要求非常寬松只要滿足基本的建立時間和保持時間慢一點完全沒問題甚至可以說越慢越穩(wěn)。所以O(shè)LED用GPIO模擬SPI驅(qū)動幾乎是最完美的搭配。2. 硬件準(zhǔn)備與Vivado工程搭建2.1 硬件清單與接線方案你需要準(zhǔn)備的東西不復(fù)雜一塊ZYNQ開發(fā)板7020、7010都可以一塊IIC/SPI接口的OLED屏幕我用的是一塊0.96寸、128x64分辨率的白色屏非常常見某寶上十幾塊錢以及若干杜邦線。這里有個關(guān)鍵點選屏幕的時候看清楚是SPI接口還是I2C接口。市面上很多小的OLED模塊是I2C接口只有4個引腳做SPI實驗的話你需要買那種7腳的版本。7腳OLED的引腳定義一般是GND、VCC、D0SCLK、D1MOSI、RES、DC、CS。有的屏幕還會把BS0、BS1兩個配置引腳引出來通過它們的上下拉組合選擇接口模式SPI模式一般要求BS0接地、BS1接高具體以你買的模塊的絲印和說明書為準(zhǔn)。再看ZYNQ端。我們這次不做復(fù)雜的PL邏輯走的是純PS端GPIO操作但我建議把OLED的信號通過EMIO從PS端引到PL端再從PL端的引腳綁定到板子的物理引腳上。原因有兩個第一PS端的MIO引腳很多被板卡功能占用不一定方便引出第二EMIO方式下GPIO控制代碼和MIO幾乎一樣但引腳選擇靈活得多可以隨意綁定到PL端任何一個引腳后續(xù)就算換板子也只需要改約束文件。我這次的引腳分配表如下OLED信號ZYNQ引腳Bank 500Vivado中引腳名說明D0 (SCLK)R18GPIO_0[0]SPI時鐘D1 (MOSI)N16GPIO_0[1]SPI數(shù)據(jù)DCP15GPIO_0[2]命令/數(shù)據(jù)選擇高電平為數(shù)據(jù)RESP16GPIO_0[3]復(fù)位低電平有效CSR14GPIO_0[4]片選低電平有效不同板卡的引腳編號差異很大這張表的物理位置對你的板子不一定適用但原理完全一樣。你打開板卡的原理圖手冊找到一組空閑的PL端引腳把USB轉(zhuǎn)UART的收發(fā)接上用于SDK里的串口打印剩下就是把OLED的VCC接3.3VGND接GND千萬別接5V。2.2 Vivado工程創(chuàng)建與PS側(cè)配置打開Vivado創(chuàng)建一個新的RTL工程。在創(chuàng)建過程中選擇你的開發(fā)板對應(yīng)的型號如果是7020一般選xc7z020clg400-1。工程創(chuàng)建好之后第一步是點擊Create Block Design然后添加一個ZYNQ7 Processing System IP核。雙擊這個IP核進(jìn)行配置。其中我建議重點配置三塊在PS-PL Configuration頁面里把UART1打開用來打印調(diào)試信息配置為MIO 48/49不同板子串口對應(yīng)的MIO不一樣去原理圖查一下。GPIO那欄的EMIO GPIO寬度填6因為我們正好要用6個EMIO引腳分別是GPIO_0[0]到GPIO_0[4]加上UART用掉一個。實際上填2的倍數(shù)比較規(guī)范填8也行多余的不用就行。在DDR Configuration頁面選擇你板子上實際使用的DDR顆粒型號。選錯的話輕則內(nèi)存不穩(wěn)定重則啟動不了這塊務(wù)必對照板卡手冊確認(rèn)。在其他配置頁面里保持默認(rèn)即可。M_AXI_GP0這些接口我們用不到可以不打開。配置完成后點擊工具條上的Run Block Automation如果你勾選了自動連接或者手動連線把PS端的FCLK_CLK0連接到整個設(shè)計然后右鍵生成輸出產(chǎn)物包括約束文件。這里要特別提醒一個初學(xué)者常犯的錯誤很多人會忘記連接FCLK_RESET0_N引腳。連接時建議用Processor System Reset IP核連接到外部否則后面綜合時會出現(xiàn)一堆詭異的時序報錯。我的習(xí)慣是無論電路是否用到PL邏輯都要加上這個復(fù)位邏輯有備無患。2.3 EMIO引腳約束與比特流生成Block Design內(nèi)部的連接做完后我們需要把GPIO信號引到芯片的物理引腳上。這一步在Vivado里叫做接口約束XDC文件。做法是右鍵Block Design里的GPIO_0端口選擇Make External這樣就會在設(shè)計頂層暴露出一組名為GPIO_0_tri_io的引腳。接下來創(chuàng)建一個XDC約束文件把GPIO_0_tri_io[0]到[4]這五個信號分別綁定到你在原理圖上選好的引腳并設(shè)置IOSTANDARD為LVCMOS33。舉個例子set_property PACKAGE_PIN R18 [get_ports {GPIO_0_tri_io[0]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {GPIO_0_tri_io[0]}] set_property PACKAGE_PIN N16 [get_ports {GPIO_0_tri_io[1]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {GPIO_0_tri_io[1]}] # 其余引腳類似注意檢查Bank的電壓。大多數(shù)開發(fā)板的PL端IO都接的是3.3V所以IOSTANDARD選LVCMOS33沒問題。如果你的板子某個Bank是2.5V或者1.8V供電電平標(biāo)準(zhǔn)要相應(yīng)地改否則IO口會工作不正常OLED無法識別信號。約束寫好后點擊Generate Bitstream。生成成功后菜單欄File - Export Hardware勾選Include bitstream導(dǎo)出一個.xsa文件。這個文件包含了硬件信息接下來SDK/Vitis要用它來創(chuàng)建軟件工程。如果你在生成比特流時遇到routed design中有未連接的引腳之類的錯誤多半是XDC里的引腳綁錯了或者漏綁了回頭檢查一下約束文件有沒有覆蓋所有Make External出來的引腳。我見過不少人卡在這一步以為自己寫代碼有問題其實只是XDC沒寫完整。3. OLED屏幕與SPI協(xié)議核心原理3.1 SSD1306驅(qū)動芯片與SPI工作模式市面上絕大多數(shù)0.96寸OLED屏幕內(nèi)部用的都是Solomon Systech公司的SSD1306驅(qū)動芯片。這是一顆單芯片的OLED驅(qū)動控制器內(nèi)部帶128x64 bit的GRAM顯存你往顯存里寫1對應(yīng)的像素就點亮寫0就熄滅。因此驅(qū)動這顆屏幕的核心工作可以概括為兩件事正確初始化SSD1306以及通過SPI接口往它的GRAM里搬運數(shù)據(jù)。SSD1306支持6800/8080并行、SPI和I2C四種接口實際模塊上引出的引腳就決定了它工作在哪種模式。我們這里用SPI模式。SPI模式下SSD1306是一個從設(shè)備需要MCU主動發(fā)起通信。值得注意的是SSD1306 SPI模式只支持Mode 0和Mode 3兩者的區(qū)別只是時鐘極性和相位對于軟件模擬來說我們只要保證時序邏輯一致即可硬件兼容性其實很好。這顆芯片的命令集不算復(fù)雜最常用的無非是設(shè)置顯示開關(guān)0xAE/0xAF、設(shè)置顯示時鐘分頻0xD5、設(shè)置多路復(fù)用比0xA8、設(shè)置顯示偏移0xD3、設(shè)置起始行0x40、設(shè)置內(nèi)存尋址模式0x20、設(shè)置列地址0x21、設(shè)置頁地址0x22、設(shè)置對比度0x81、設(shè)置充電泵0x8D等十幾條。由于SPI是串行協(xié)議每一次通信只能傳輸8位。SSD1306在SPI模式下通過DC引腳區(qū)分當(dāng)前字節(jié)是命令還是數(shù)據(jù)DC為低時寫入的是命令DC為高時寫入的是顯存數(shù)據(jù)。這是整個驅(qū)動中最容易出錯的地方——命令和數(shù)據(jù)順序搞反輕則屏幕不亮重則顯示異?；ㄆ痢?.2 SPI協(xié)議與GPIO模擬的核心思想如果對SPI還不熟悉我用最簡單的話幫你把本質(zhì)抓住SPI是一種主從式、同步、全雙工的串行通信協(xié)議總共有四根線——SCLK時鐘、MOSI主出從入、MISO主入從出、CS片選。通信時主機(jī)產(chǎn)生時鐘信號數(shù)據(jù)在時鐘邊沿進(jìn)行采樣。OLED這種純顯示設(shè)備不需要向主機(jī)回傳數(shù)據(jù)所以MISO這根線可以不接只需要SCLK、MOSI、CS三根加上控制用的DC和RES共五根線。GPIO模擬SPI的原理說白了就是軟件按照SPI協(xié)議規(guī)定的時間順序去翻轉(zhuǎn)GPIO電平。以SPI Mode 0為例CPOL0CPHA0時鐘空閑為低電平數(shù)據(jù)在上升沿采樣在下降沿變化發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)偽代碼邏輯是拉低CS表示開始通信循環(huán)8次每次從最高位開始取一位數(shù)據(jù)先把SCLK拉低然后把這一位數(shù)據(jù)放到MOSI上延時一小段時間保證建立時間再把SCLK拉高此時從設(shè)備會采樣MOSI線上的數(shù)據(jù)再延時一小段時間循環(huán)結(jié)束后拉高CS通信結(jié)束。這段邏輯是不是很簡單但正是這簡單的時序欺騙了很多人以為模擬SPI的程序隨便寫寫就行。實際上真正的坑都藏在延時和電平轉(zhuǎn)換的邊界處。比如數(shù)據(jù)信號要提前于時鐘上升沿建立好否則從設(shè)備采到的是上一次的電平數(shù)據(jù)就會錯位。又比如CS的拉低要早于第一個時鐘沿否則從設(shè)備不認(rèn)為通信開始了。3.3 ZYNQ GPIO的寄存器操作方式在ZYNQ上操作GPIO和STM32的HAL庫不一樣更接近寄存器級操作。PS端GPIO由XGpioPs驅(qū)動提供核心用法就幾個函數(shù)XGpioPs_LookupConfig查找設(shè)備配置、XGpioPs_CfgInitialize初始化驅(qū)動、XGpioPs_SetDirectionDirection設(shè)置引腳方向、XGpioPs_WritePin寫引腳電平、XGpioPs_ReadPin讀引腳電平。對于EMIO引腳編號是固定的。EMIO GPIO從引腳號54開始MIO占0~53我用的五個引腳分別對應(yīng)GPIO_0[0]到GPIO_0[4]在驅(qū)動里的實際引腳號就是54、55、56、57、58。如果你開的是MIO引腳則直接用對應(yīng)的MIO編號即可。有個細(xì)節(jié)值得注意XGpioPs_SetDirection第二個參數(shù)是按Bank設(shè)置的掩碼不是按單個引腳。你說把第54腳設(shè)為輸出會寫成XGpioPs_SetDirection(Gpio, GPIO_BANK(54), 1)其中GPIO_BANK(54)是54號引腳所屬的Bank掩碼1表示該Bank的第0位設(shè)為輸出。如果一次要設(shè)置多個引腳為輸出就得把掩碼按位或起來例如0x1F就是把低5位都設(shè)為輸出。這塊不搞清楚容易出現(xiàn)只有一個引腳能輸出其余怎么都不動的詭異現(xiàn)象。4. 裸機(jī)驅(qū)動代碼實現(xiàn)4.1 整體代碼框架與模塊劃分在Vitis2020.2以后叫Vitis之前叫SDK里新建一個Application Project平臺選擇你導(dǎo)出的.xsa文件模板隨便選Empty Application就行因為我們要完全自己寫代碼。我的習(xí)慣是把代碼劃分成三個層次最底層是spi_gpio.c負(fù)責(zé)GPIO初始化和最原始的翻轉(zhuǎn)電平操作中間層是ssd1306.c實現(xiàn)SPI發(fā)送字節(jié)、發(fā)送命令、發(fā)送數(shù)據(jù)、初始化序列、清屏、畫點、顯示字符串等功能最上層就是main.c調(diào)用驅(qū)動接口展示顯示效果。這樣分層的結(jié)構(gòu)以后想移植到STM32或者ESP32上只需要改最底層的幾個函數(shù)OLED相關(guān)的代碼幾乎可以原封不動搬過去。在main.c里要做的事情包括初始化UART用于串口打印、初始化GPIO、初始化OLED、然后進(jìn)入一個循環(huán)每隔一定時間刷新或者變換屏幕上顯示的內(nèi)容。4.2 底層GPIO初始化與SPI時序模擬實現(xiàn)底層的GPIO初始化代碼如下這段代碼放到任何一個ZYNQ裸機(jī)工程中都能直接運行#include xgpiops.h XGpioPs Gpio; // OLED引腳編號EMIO從54開始 #define OLED_SCLK_PIN 54 // GPIO_0[0] #define OLED_MOSI_PIN 55 // GPIO_0[1] #define OLED_DC_PIN 56 // GPIO_0[2] #define OLED_RES_PIN 57 // GPIO_0[3] #define OLED_CS_PIN 58 // GPIO_0[4] void GPIO_Init(void) { XGpioPs_Config *ConfigPtr; u32 Bank; ConfigPtr XGpioPs_LookupConfig(XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID); XGpioPs_CfgInitialize(Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr-BaseAddr); // 設(shè)置所有用到的EMIO引腳為輸出掩碼按位或 Bank GPIO_BANK(OLED_SCLK_PIN); XGpioPs_SetDirection(Gpio, Bank, 0x1F); // 低5位輸出 XGpioPs_SetOutputEnable(Gpio, Bank, 0x1F); // 初始電平時鐘低片選高復(fù)位高DC低 XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_MOSI_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 1); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_DC_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_RES_PIN, 1); }這里有一個很重要但容易被忽略的細(xì)節(jié)XGpioPs_WritePin的置位操作內(nèi)部實際上是先讀再寫不是直接寫寄存器。在模擬SPI這種頻繁翻轉(zhuǎn)電平的場景下每一次寫操作都會多出一次讀寄存器的開銷雖然影響不大但如果你對性能有極致要求可以直接操作寄存器用Xil_In32和Xil_Out32去改寫DATA寄存器速度能快不少。接下來是SPI模擬的核心時序函數(shù)void SPI_WriteByte(u8 data) { int i; for (i 0; i 8; i) { XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); if (data 0x80) XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_MOSI_PIN, 1); else XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_MOSI_PIN, 0); // 數(shù)據(jù)建立時間 Delay_us(1); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 1); // 數(shù)據(jù)保持時間 Delay_us(1); data 1; } XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); }這里數(shù)據(jù)從高位開始發(fā)送。為什么從高位這是SSD1306的約定它的SPI傳輸順序是MSB first如果你從低位發(fā)送顯示出來就是鏡像的。關(guān)于延時我的經(jīng)驗是1us夠了SSD1306的SPI最小時鐘周期是100ns級別1us屬于留了充足余量。如果OLED用的是超長飛線或者屏幕老化嚴(yán)重可以加大到5us對穩(wěn)定性有利但屏幕刷新會肉眼可見地變慢。命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送函數(shù)其實只有一行代碼的區(qū)別void OLED_WriteCmd(u8 cmd) { XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_DC_PIN, 0); // DC低電平表示命令 SPI_WriteByte(cmd); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 1); } void OLED_WriteData(u8 dat) { XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_DC_PIN, 1); // DC高電平表示數(shù)據(jù) SPI_WriteByte(dat); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 1); }這里再嘮叨一句片選的問題。OLED模塊只有一個CS引腳所以在每次傳輸之前拉低、傳輸結(jié)束拉高是標(biāo)準(zhǔn)的操作習(xí)慣。但如果你手頭有多個SPI設(shè)備共享MOSI和SCLK那么片選管理就要格外小心切換設(shè)備時一定要給一小段時間的緩沖避免總線沖突。軟件拉片選和硬件片選的主要區(qū)別就在這里硬件片選在硬件控制器層面管理時間精度高軟件片選依賴代碼調(diào)用順序稍不留神就會出現(xiàn)毛刺。但在OLED這種點對點場景中軟件片選完全夠用。4.3 SSD1306初始化序列與顯示緩沖管理SSD1306上電后不能直接開始顯示必須按照官方規(guī)定的序列初始化。初始化序列看似是一堆魔術(shù)數(shù)字但每一條都有明確意義。我把常用的初始化序列貼出來并做簡單注釋void OLED_Init(void) { Delay_ms(100); // 等待屏幕內(nèi)部復(fù)位完成 // 硬件復(fù)位 XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_RES_PIN, 0); Delay_ms(100); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_RES_PIN, 1); Delay_ms(100); OLED_WriteCmd(0xAE); // 關(guān)閉顯示 OLED_WriteCmd(0xD5); OLED_WriteCmd(0x80); // 設(shè)置顯示時鐘分頻/振蕩器頻率 OLED_WriteCmd(0xA8); OLED_WriteCmd(0x3F); // 設(shè)置多路復(fù)用比128x64屏這里是63 OLED_WriteCmd(0xD3); OLED_WriteCmd(0x00); // 設(shè)置顯示偏移為0 OLED_WriteCmd(0x40); // 設(shè)置顯示起始行為0 OLED_WriteCmd(0x8D); OLED_WriteCmd(0x14); // 開啟充電泵內(nèi)部升壓 OLED_WriteCmd(0x20); OLED_WriteCmd(0x00); // 水平尋址模式 OLED_WriteCmd(0xA1); // 段重映射左右方向修正 OLED_WriteCmd(0xC8); // 掃描方向從上到下 OLED_WriteCmd(0xDA); OLED_WriteCmd(0x12); // COM引腳硬件配置 OLED_WriteCmd(0x81); OLED_WriteCmd(0xCF); // 對比度設(shè)置 OLED_WriteCmd(0xD9); OLED_WriteCmd(0xF1); // 預(yù)充電周期 OLED_WriteCmd(0xDB); OLED_WriteCmd(0x40); // VCOMH電壓選擇 OLED_WriteCmd(0xA4); // 恢復(fù)RAM內(nèi)容顯示 OLED_WriteCmd(0xA6); // 正常顯示非反色 OLED_WriteCmd(0xAF); // 打開顯示 }這段代碼里的0x8D 0x14開啟充電泵是很多人栽跟頭的地方。SSD1306如果要正常工作需要較高的驅(qū)動電壓這顆芯片內(nèi)部集成了升壓電路需要軟件主動開啟。如果你忘了配置或者設(shè)置成0x10關(guān)閉充電泵屏幕大概率就是一片黑。顯示緩沖管理方面由于SSD1306的GRAM是按頁組織的128x64像素被分成8頁page0~page7每頁代表8行像素每個字節(jié)代表8個垂直排列的像素。這就帶來一個慣性思維陷阱你在內(nèi)存里連續(xù)寫入的每個字節(jié)在屏幕上對應(yīng)的是豎直方向的8個點而不是水平方向。所以很多從LCD公版驅(qū)動移植過來的代碼直接往顯存里填數(shù)據(jù)顯示出來的文字就是豎著的。正確做法是建立一塊128x8的顯存緩沖在緩沖里操作好后再整塊刷新到OLED或者在采樣字模時使用列行式取模方式。4.4 完整驅(qū)動代碼與顯示效果測試現(xiàn)在我們寫一個具體的顯示函數(shù)在屏幕上顯示一行文字。字符顯示的原理是查表每個字符對應(yīng)一組字節(jié)數(shù)組每一個字節(jié)代表字符的一部分像素。我用的字模是6x8大小的ASCII字符集取模方式是先列后行、從低字節(jié)開始。const unsigned char F6x8[][6] { {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}, // sp {0x00, 0x00, 0x00, 0x2f, 0x00, 0x00}, // ! {0x00, 0x00, 0x07, 0x00, 0x07, 0x00}, // // 其他字符略 }; void OLED_ShowChar(u8 x, u8 y, char c) { u8 i; u8 y0 y; u8 page y / 8; // 計算字符所在頁 u8 offset y % 8; u8 row; // 設(shè)置頁地址和列地址 OLED_WriteCmd(0xB0 page); OLED_WriteCmd(0x00 (x 0x0F)); OLED_WriteCmd(0x10 ((x 4) 0x0F)); // 寫6字節(jié)顯存數(shù)據(jù) for (i 0; i 6; i) { // 這里需要根據(jù)offset做移位處理簡化起見假設(shè)offset為0 OLED_WriteData(F6x8[c - ][i]); } }如果你發(fā)現(xiàn)文字顯示位置不對或者花屏多半是頁地址和列地址的計算出錯。SSD1306的列地址可以直接指定范圍是0~127但要注意它的列地址設(shè)置分兩次低4位和高4位分別寫入邏輯或計算時別寫錯。另外寫數(shù)據(jù)到GRAM時地址會自動遞增只有當(dāng)你需要跨頁或者跳列顯示時才需要重新設(shè)置地址。main函數(shù)寫完整個流程后燒錄到板子上。正常情況下屏幕會顯示你指定的字符和數(shù)字。如果遇到屏幕完全沒有反應(yīng)先別急著檢查代碼先用萬用表量一下OLED的VCC和GND之間有沒有3.3V再量一下RES引腳在初始化時有沒有產(chǎn)生負(fù)脈沖。顯示問題八成出在硬件連接或初始化時序上代碼的問題反而好排查。5. 常見問題與排查技巧實錄5.1 屏幕完全不亮或只有背光這個問題排名第一。我總結(jié)的原因無非幾種一是電壓問題。OLED模塊的VCC接錯或者電源紋波過大導(dǎo)致驅(qū)動芯片保護(hù)。換一根質(zhì)量好一點的杜邦線或者外接獨立3.3V供電能解決掉一半的屏幕不亮問題。尤其是那種用了很長的母對母杜邦線的場景接觸電阻和線間電容可能讓供電瞬間掉壓。二是復(fù)位時序。SSD1306的RES引腳要求低電平復(fù)位而且復(fù)位脈沖的最低寬度有要求。如果你的代碼里復(fù)位脈沖一下子就過去了芯片可能沒有完成內(nèi)部初始化。我習(xí)慣的做法是復(fù)位低電平保持至少100ms然后拉高再等100ms確保芯片完全蘇醒。三是充電泵沒開。前面提到過OLED驅(qū)動需要內(nèi)部升壓0x8D和0x14這兩個命令必須成對出現(xiàn)。如果你在初始化序列里把它們注釋掉了屏幕自然不亮。四是DC引腳狀態(tài)不對。如果DC引腳在初始化時序中保持高電平芯片會把所有命令字節(jié)當(dāng)作顯存數(shù)據(jù)來處理界面自然一片混亂。用示波器量一下DC引腳的電平變化很快就能定位問題。5.2 屏幕能亮但顯示花屏或鏡像花屏的情況比較典型初始化正常、背光亮了但顯示內(nèi)容亂碼或者文字方向不對或者顯示區(qū)域偏移。花屏的大多數(shù)原因是顯存地址錯亂。SSD1306有幾種尋址模式水平尋址、垂直尋址和頁尋址各有各的地址遞增規(guī)則。我默認(rèn)用水平尋址模式0x20, 0x00這種模式下寫完一行數(shù)據(jù)列地址自動加1到127之后自動跳轉(zhuǎn)到下一行起始掃描順序符合大多數(shù)人的直覺。如果你之前用的是頁尋址模式那么每寫一頁數(shù)據(jù)必須重新設(shè)置頁地址否則數(shù)據(jù)會全部堆在同一頁里。鏡像問題則和段重映射以及COM掃描方向相關(guān)。A1命令段重映射控制水平方向的映射C8命令掃描方向控制垂直方向的遞增順序。如果你的顯示內(nèi)容左右顛倒把A1改成A0上下顛倒把C8改成C0。這塊沒有絕對的正確答案取決于你的OLED模組的內(nèi)部電路連接方式同樣一塊屏幕不同廠家出貨的模組引腳和內(nèi)部走線可能有差異。顯示區(qū)域偏移有時是因為多路復(fù)用比設(shè)置不對。128x64的屏幕寫0x3F是對的如果你錯誤地設(shè)成0x1F屏幕只工作一半下半部分要么是黑的要么是殘影。這個問題在1.3寸的OLED上更常見因為1.3寸屏用的往往是SH1106而不是SSD1306初始化的參數(shù)會有一點差異。所以買屏幕之前先確認(rèn)驅(qū)動芯片不要看到OLED就套代碼。5.3 時序問題與性能優(yōu)化最后一個常見問題屏幕能工作但是刷新很慢或者偶發(fā)閃爍。對于軟件模擬SPI來說瓶頸幾乎都在延時函數(shù)上。我上文中的代碼每次翻轉(zhuǎn)時鐘都延時1us發(fā)送一個字節(jié)大概16us刷新一幀128x64的顯存需要發(fā)送1024字節(jié)算下來大概16毫秒。也就是說理論最高幀率60幀左右實際因為還有地址設(shè)置和邏輯處理的開銷做到30幀就已經(jīng)很流暢了。如果你覺得刷新速度不夠可以做的優(yōu)化有幾個方向一是去掉延時或者把延時縮小到100ns級別配合GPIO直接寄存器操作速度可以提升好幾倍二是只刷新變化區(qū)域而不是每次把整塊顯存都推給屏幕三是把顯存緩沖改成128字節(jié)一行的結(jié)構(gòu)避免逐字節(jié)設(shè)置地址的開銷。但這里要奉勸一句OLED不適合高刷新率應(yīng)用。如果連續(xù)大量刷新耗電量會很可觀而且OLED長時間高亮度顯示會有燒屏風(fēng)險。做產(chǎn)品的時候能靜態(tài)顯示就靜態(tài)顯示能局部刷新就局部刷新這不僅是對硬件的保護(hù)也是設(shè)計成熟度的體現(xiàn)。另外我實測中發(fā)現(xiàn)一個很有意思的現(xiàn)象ZYNQ的EMIO引腳翻轉(zhuǎn)速度并不是完全一致的不同的引腳因為內(nèi)部走線不同翻轉(zhuǎn)時間會有幾十納秒的差異。這個差異在SPI時序上幾乎沒有影響但在某些對時序要求特別嚴(yán)格的總線上可能會埋雷。如果之后你想把同一套代碼用來驅(qū)動更敏感的SPI設(shè)備建議在關(guān)鍵翻轉(zhuǎn)點之間預(yù)留足夠大的時間余量。5.4 移植到其他平臺的小技巧這套軟件模擬SPI驅(qū)動OLED的思路不止適用于ZYNQ。我后來把它原封不動地移植到了STM32的HAL庫工程上又移植到了ESP32-IDF環(huán)境里移植過程總共不到半小時。核心思路是把引腳操作摳出來一個抽象層上層全部用宏或者函數(shù)指針去調(diào)用。在STM32上最底層操作就是HAL_GPIO_WritePin把XGpioPs_WritePin替換掉延時函數(shù)從自定義Delay替換成HAL_Delay或者DWT等精密延時其余代碼幾乎不用動。在ESP32上用gpio_set_level就能搞定。甚至你在Linux用戶態(tài)用sysfs的gpio接口也能用著一模一樣的SSD1306驅(qū)動代碼只是底層的電平翻轉(zhuǎn)換來換去。這里給大家一個建議把這一套代碼保存成你自己的工具庫放到GitHub或者私有倉庫里以后凡是遇到SPI接口的屏幕、傳感器都能很快地跑起來。我在實際項目中已經(jīng)因此節(jié)省了大把的時間尤其是原型驗證階段很多需求就是先看看這塊屏能不能用這時候有現(xiàn)成的底層驅(qū)動半天就能給出結(jié)論非常有效率。最后再分享一個小技巧。調(diào)試SPI時序出問題時不要急著看邏輯分析儀更不用上昂貴的示波器用最簡單的辦法在SPI_WriteByte函數(shù)里發(fā)送完一個字節(jié)后把一個空閑的GPIO翻轉(zhuǎn)一次然后用邏輯分析儀或者示波器去測這個GPIO和SCLK、MOSI的波形關(guān)系。你很快就能看出SCLK是否有了預(yù)期的脈沖、MOSI的電平對不對、數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間是否合理。這種軟件打點的習(xí)慣能讓你在嵌入式調(diào)試中少走很多彎路。 ZYNQ GPIO模擬SPI驅(qū)動OLED屏幕（SSD1306）完整教程
做ZYNQ開發(fā)這幾年被問得最多的一個問題是片上的SPI控制器不是現(xiàn)成的嗎為什么要用GPIO去模擬SPI尤其是碰上OLED這種對時序不算太苛刻的外設(shè)很多人覺得直接用硬核SPI不就行了。但真正在項目里踩過坑的人都明白情況遠(yuǎn)沒那么簡單。芯片的SPI引腳可能被其他功能占用硬件布線繞不過去或者你同時掛了多個SPI設(shè)備但片選不夠用更別提有些IP在Linux驅(qū)動層還一堆配置問題。這時候GPIO模擬SPI簡直是救場神器。這篇文章我手把手帶你把整個流程走一遍從Vivado工程搭建、PS端GPIO配置到裸機(jī)代碼模擬SPI時序驅(qū)動SSD1306控制的OLED屏幕全部干貨照著做就能亮屏。我用的硬件是ZYNQ-7020平臺開發(fā)環(huán)境是Vivado 2020.2老版本也沒問題操作流程幾乎一樣。軟件模擬SPI的思路有一個巨大的好處——引腳隨意映射幾乎不受硬件約束在調(diào)試初期可以極大降低排線難度。文章最后我會把整個工程目錄結(jié)構(gòu)和使用說明一并列出包括調(diào)試中遇到的奇葩問題和對應(yīng)的排查方法這些東西在官方文檔里基本找不到。1. 項目背景與方案選型1.1 為什么不用ZYNQ的硬件SPI控制器ZYNQ的PS端Processing System確實集成了兩個SPI控制器名字叫SPI0和SPI1理論上你可以直接通過MIO引腳把它們引出來用。但實際開發(fā)中你會發(fā)現(xiàn)幾個非?，F(xiàn)實的問題:第一是引腳沖突。MIO的管教功能是復(fù)用的同一個引腳經(jīng)常要在UART、SPI、I2C、SDIO之間做選擇。比如你的板子已經(jīng)用掉了一路UART做調(diào)試打印又用了一路SDIO掛SD卡那剩下的MIO引腳很可能不夠湊齊一組完整的SPI接口更別說OLED屏幕加上DC數(shù)據(jù)/命令選擇線和RST復(fù)位線之后足足需要6根信號線。第二是硬件布線。就算引腳夠用板子的物理走線也可能讓你很頭疼。MIO引腳的位置是固定的如果你的OLED屏幕在板子的另一側(cè)飛線會繞得很遠(yuǎn)這對SPI的時鐘信號來說是個隱患特別是頻率稍高一點的時候信號反射和串?dāng)_能讓你查到懷疑人生。第三是驅(qū)動輪子的成本。如果你后面打算跑Linux硬件SPI在設(shè)備樹里要配置中斷要處理DMA要調(diào)試一套組合拳下來可能大半天就過去了。而GPIO模擬SPI在裸機(jī)下就是個延時函數(shù)的事幾十行代碼搞定在Linux下用gpio sysfs接口或者新版的gpiod庫也能快速實現(xiàn)幾乎沒有學(xué)習(xí)成本。所以我一直強(qiáng)調(diào)一個觀點如果外設(shè)速率要求不高OLED的SPI時鐘通常幾MHz就夠GPIO模擬SPI不是妥協(xié)而恰恰是工程上的最優(yōu)解。它把通信時序的控制權(quán)完全握在自己手里出了問題可以用示波器一根線一根線地看邏輯清晰得多。1.2 方案選型GPIO模擬SPI的適用范圍和邊界當(dāng)然我也得說清楚GPIO模擬SPI不是萬能的它有自己的適用范圍和性能邊界。適合用GPIO模擬的場景包括器件通信速率不高10MHz以下引腳數(shù)目緊張需要靈活映射或者處于快速原型驗證階段需要最小化工程量。OLED屏幕、溫濕度傳感器、ADC采樣芯片、Flash存儲器低速模式下都屬于這一類。我甚至用GPIO模擬SPI驅(qū)動過TFT液晶屏雖然刷新率不算高但做簡單的狀態(tài)顯示完全夠用。不適合的場景就一句話高速、大批量數(shù)據(jù)傳輸。用GPIO模擬SPI每發(fā)送一個bit都要CPU親自翻轉(zhuǎn)電平以常見的CPU主頻來算模擬SPI的實際吞吐量撐死也就幾Mbps而且期間CPU被完全占住什么別的事都干不了。如果你要驅(qū)動的是SD卡、高速ADC或者需要連續(xù)刷屏的視頻輸出老老實實用硬件SPI、QSPI甚至并行接口別在這上面跟物理規(guī)律較勁。另外還有一個容易忽略的問題GPIO模擬SPI沒有硬件FIFO做緩沖也沒有硬件片選管理所有時序完全依賴軟件延時因此它不適合對時序抖動極其敏感的外設(shè)。但OLED的SSD1306控制芯片是個例外它對時序的要求非常寬松只要滿足基本的建立時間和保持時間慢一點完全沒問題甚至可以說越慢越穩(wěn)。所以O(shè)LED用GPIO模擬SPI驅(qū)動幾乎是最完美的搭配。2. 硬件準(zhǔn)備與Vivado工程搭建2.1 硬件清單與接線方案你需要準(zhǔn)備的東西不復(fù)雜一塊ZYNQ開發(fā)板7020、7010都可以一塊IIC/SPI接口的OLED屏幕我用的是一塊0.96寸、128x64分辨率的白色屏非常常見某寶上十幾塊錢以及若干杜邦線。這里有個關(guān)鍵點選屏幕的時候看清楚是SPI接口還是I2C接口。市面上很多小的OLED模塊是I2C接口只有4個引腳做SPI實驗的話你需要買那種7腳的版本。7腳OLED的引腳定義一般是GND、VCC、D0SCLK、D1MOSI、RES、DC、CS。有的屏幕還會把BS0、BS1兩個配置引腳引出來通過它們的上下拉組合選擇接口模式SPI模式一般要求BS0接地、BS1接高具體以你買的模塊的絲印和說明書為準(zhǔn)。再看ZYNQ端。我們這次不做復(fù)雜的PL邏輯走的是純PS端GPIO操作但我建議把OLED的信號通過EMIO從PS端引到PL端再從PL端的引腳綁定到板子的物理引腳上。原因有兩個第一PS端的MIO引腳很多被板卡功能占用不一定方便引出第二EMIO方式下GPIO控制代碼和MIO幾乎一樣但引腳選擇靈活得多可以隨意綁定到PL端任何一個引腳后續(xù)就算換板子也只需要改約束文件。我這次的引腳分配表如下OLED信號ZYNQ引腳Bank 500Vivado中引腳名說明D0 (SCLK)R18GPIO_0[0]SPI時鐘D1 (MOSI)N16GPIO_0[1]SPI數(shù)據(jù)DCP15GPIO_0[2]命令/數(shù)據(jù)選擇高電平為數(shù)據(jù)RESP16GPIO_0[3]復(fù)位低電平有效CSR14GPIO_0[4]片選低電平有效不同板卡的引腳編號差異很大這張表的物理位置對你的板子不一定適用但原理完全一樣。你打開板卡的原理圖手冊找到一組空閑的PL端引腳把USB轉(zhuǎn)UART的收發(fā)接上用于SDK里的串口打印剩下就是把OLED的VCC接3.3VGND接GND千萬別接5V。2.2 Vivado工程創(chuàng)建與PS側(cè)配置打開Vivado創(chuàng)建一個新的RTL工程。在創(chuàng)建過程中選擇你的開發(fā)板對應(yīng)的型號如果是7020一般選xc7z020clg400-1。工程創(chuàng)建好之后第一步是點擊Create Block Design然后添加一個ZYNQ7 Processing System IP核。雙擊這個IP核進(jìn)行配置。其中我建議重點配置三塊在PS-PL Configuration頁面里把UART1打開用來打印調(diào)試信息配置為MIO 48/49不同板子串口對應(yīng)的MIO不一樣去原理圖查一下。GPIO那欄的EMIO GPIO寬度填6因為我們正好要用6個EMIO引腳分別是GPIO_0[0]到GPIO_0[4]加上UART用掉一個。實際上填2的倍數(shù)比較規(guī)范填8也行多余的不用就行。在DDR Configuration頁面選擇你板子上實際使用的DDR顆粒型號。選錯的話輕則內(nèi)存不穩(wěn)定重則啟動不了這塊務(wù)必對照板卡手冊確認(rèn)。在其他配置頁面里保持默認(rèn)即可。M_AXI_GP0這些接口我們用不到可以不打開。配置完成后點擊工具條上的Run Block Automation如果你勾選了自動連接或者手動連線把PS端的FCLK_CLK0連接到整個設(shè)計然后右鍵生成輸出產(chǎn)物包括約束文件。這里要特別提醒一個初學(xué)者常犯的錯誤很多人會忘記連接FCLK_RESET0_N引腳。連接時建議用Processor System Reset IP核連接到外部否則后面綜合時會出現(xiàn)一堆詭異的時序報錯。我的習(xí)慣是無論電路是否用到PL邏輯都要加上這個復(fù)位邏輯有備無患。2.3 EMIO引腳約束與比特流生成Block Design內(nèi)部的連接做完后我們需要把GPIO信號引到芯片的物理引腳上。這一步在Vivado里叫做接口約束XDC文件。做法是右鍵Block Design里的GPIO_0端口選擇Make External這樣就會在設(shè)計頂層暴露出一組名為GPIO_0_tri_io的引腳。接下來創(chuàng)建一個XDC約束文件把GPIO_0_tri_io[0]到[4]這五個信號分別綁定到你在原理圖上選好的引腳并設(shè)置IOSTANDARD為LVCMOS33。舉個例子set_property PACKAGE_PIN R18 [get_ports {GPIO_0_tri_io[0]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {GPIO_0_tri_io[0]}] set_property PACKAGE_PIN N16 [get_ports {GPIO_0_tri_io[1]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {GPIO_0_tri_io[1]}] # 其余引腳類似注意檢查Bank的電壓。大多數(shù)開發(fā)板的PL端IO都接的是3.3V所以IOSTANDARD選LVCMOS33沒問題。如果你的板子某個Bank是2.5V或者1.8V供電電平標(biāo)準(zhǔn)要相應(yīng)地改否則IO口會工作不正常OLED無法識別信號。約束寫好后點擊Generate Bitstream。生成成功后菜單欄File - Export Hardware勾選Include bitstream導(dǎo)出一個.xsa文件。這個文件包含了硬件信息接下來SDK/Vitis要用它來創(chuàng)建軟件工程。如果你在生成比特流時遇到routed design中有未連接的引腳之類的錯誤多半是XDC里的引腳綁錯了或者漏綁了回頭檢查一下約束文件有沒有覆蓋所有Make External出來的引腳。我見過不少人卡在這一步以為自己寫代碼有問題其實只是XDC沒寫完整。3. OLED屏幕與SPI協(xié)議核心原理3.1 SSD1306驅(qū)動芯片與SPI工作模式市面上絕大多數(shù)0.96寸OLED屏幕內(nèi)部用的都是Solomon Systech公司的SSD1306驅(qū)動芯片。這是一顆單芯片的OLED驅(qū)動控制器內(nèi)部帶128x64 bit的GRAM顯存你往顯存里寫1對應(yīng)的像素就點亮寫0就熄滅。因此驅(qū)動這顆屏幕的核心工作可以概括為兩件事正確初始化SSD1306以及通過SPI接口往它的GRAM里搬運數(shù)據(jù)。SSD1306支持6800/8080并行、SPI和I2C四種接口實際模塊上引出的引腳就決定了它工作在哪種模式。我們這里用SPI模式。SPI模式下SSD1306是一個從設(shè)備需要MCU主動發(fā)起通信。值得注意的是SSD1306 SPI模式只支持Mode 0和Mode 3兩者的區(qū)別只是時鐘極性和相位對于軟件模擬來說我們只要保證時序邏輯一致即可硬件兼容性其實很好。這顆芯片的命令集不算復(fù)雜最常用的無非是設(shè)置顯示開關(guān)0xAE/0xAF、設(shè)置顯示時鐘分頻0xD5、設(shè)置多路復(fù)用比0xA8、設(shè)置顯示偏移0xD3、設(shè)置起始行0x40、設(shè)置內(nèi)存尋址模式0x20、設(shè)置列地址0x21、設(shè)置頁地址0x22、設(shè)置對比度0x81、設(shè)置充電泵0x8D等十幾條。由于SPI是串行協(xié)議每一次通信只能傳輸8位。SSD1306在SPI模式下通過DC引腳區(qū)分當(dāng)前字節(jié)是命令還是數(shù)據(jù)DC為低時寫入的是命令DC為高時寫入的是顯存數(shù)據(jù)。這是整個驅(qū)動中最容易出錯的地方——命令和數(shù)據(jù)順序搞反輕則屏幕不亮重則顯示異?；ㄆ痢?.2 SPI協(xié)議與GPIO模擬的核心思想如果對SPI還不熟悉我用最簡單的話幫你把本質(zhì)抓住SPI是一種主從式、同步、全雙工的串行通信協(xié)議總共有四根線——SCLK時鐘、MOSI主出從入、MISO主入從出、CS片選。通信時主機(jī)產(chǎn)生時鐘信號數(shù)據(jù)在時鐘邊沿進(jìn)行采樣。OLED這種純顯示設(shè)備不需要向主機(jī)回傳數(shù)據(jù)所以MISO這根線可以不接只需要SCLK、MOSI、CS三根加上控制用的DC和RES共五根線。GPIO模擬SPI的原理說白了就是軟件按照SPI協(xié)議規(guī)定的時間順序去翻轉(zhuǎn)GPIO電平。以SPI Mode 0為例CPOL0CPHA0時鐘空閑為低電平數(shù)據(jù)在上升沿采樣在下降沿變化發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)偽代碼邏輯是拉低CS表示開始通信循環(huán)8次每次從最高位開始取一位數(shù)據(jù)先把SCLK拉低然后把這一位數(shù)據(jù)放到MOSI上延時一小段時間保證建立時間再把SCLK拉高此時從設(shè)備會采樣MOSI線上的數(shù)據(jù)再延時一小段時間循環(huán)結(jié)束后拉高CS通信結(jié)束。這段邏輯是不是很簡單但正是這簡單的時序欺騙了很多人以為模擬SPI的程序隨便寫寫就行。實際上真正的坑都藏在延時和電平轉(zhuǎn)換的邊界處。比如數(shù)據(jù)信號要提前于時鐘上升沿建立好否則從設(shè)備采到的是上一次的電平數(shù)據(jù)就會錯位。又比如CS的拉低要早于第一個時鐘沿否則從設(shè)備不認(rèn)為通信開始了。3.3 ZYNQ GPIO的寄存器操作方式在ZYNQ上操作GPIO和STM32的HAL庫不一樣更接近寄存器級操作。PS端GPIO由XGpioPs驅(qū)動提供核心用法就幾個函數(shù)XGpioPs_LookupConfig查找設(shè)備配置、XGpioPs_CfgInitialize初始化驅(qū)動、XGpioPs_SetDirectionDirection設(shè)置引腳方向、XGpioPs_WritePin寫引腳電平、XGpioPs_ReadPin讀引腳電平。對于EMIO引腳編號是固定的。EMIO GPIO從引腳號54開始MIO占0~53我用的五個引腳分別對應(yīng)GPIO_0[0]到GPIO_0[4]在驅(qū)動里的實際引腳號就是54、55、56、57、58。如果你開的是MIO引腳則直接用對應(yīng)的MIO編號即可。有個細(xì)節(jié)值得注意XGpioPs_SetDirection第二個參數(shù)是按Bank設(shè)置的掩碼不是按單個引腳。你說把第54腳設(shè)為輸出會寫成XGpioPs_SetDirection(Gpio, GPIO_BANK(54), 1)其中GPIO_BANK(54)是54號引腳所屬的Bank掩碼1表示該Bank的第0位設(shè)為輸出。如果一次要設(shè)置多個引腳為輸出就得把掩碼按位或起來例如0x1F就是把低5位都設(shè)為輸出。這塊不搞清楚容易出現(xiàn)只有一個引腳能輸出其余怎么都不動的詭異現(xiàn)象。4. 裸機(jī)驅(qū)動代碼實現(xiàn)4.1 整體代碼框架與模塊劃分在Vitis2020.2以后叫Vitis之前叫SDK里新建一個Application Project平臺選擇你導(dǎo)出的.xsa文件模板隨便選Empty Application就行因為我們要完全自己寫代碼。我的習(xí)慣是把代碼劃分成三個層次最底層是spi_gpio.c負(fù)責(zé)GPIO初始化和最原始的翻轉(zhuǎn)電平操作中間層是ssd1306.c實現(xiàn)SPI發(fā)送字節(jié)、發(fā)送命令、發(fā)送數(shù)據(jù)、初始化序列、清屏、畫點、顯示字符串等功能最上層就是main.c調(diào)用驅(qū)動接口展示顯示效果。這樣分層的結(jié)構(gòu)以后想移植到STM32或者ESP32上只需要改最底層的幾個函數(shù)OLED相關(guān)的代碼幾乎可以原封不動搬過去。在main.c里要做的事情包括初始化UART用于串口打印、初始化GPIO、初始化OLED、然后進(jìn)入一個循環(huán)每隔一定時間刷新或者變換屏幕上顯示的內(nèi)容。4.2 底層GPIO初始化與SPI時序模擬實現(xiàn)底層的GPIO初始化代碼如下這段代碼放到任何一個ZYNQ裸機(jī)工程中都能直接運行#include xgpiops.h XGpioPs Gpio; // OLED引腳編號EMIO從54開始 #define OLED_SCLK_PIN 54 // GPIO_0[0] #define OLED_MOSI_PIN 55 // GPIO_0[1] #define OLED_DC_PIN 56 // GPIO_0[2] #define OLED_RES_PIN 57 // GPIO_0[3] #define OLED_CS_PIN 58 // GPIO_0[4] void GPIO_Init(void) { XGpioPs_Config *ConfigPtr; u32 Bank; ConfigPtr XGpioPs_LookupConfig(XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID); XGpioPs_CfgInitialize(Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr-BaseAddr); // 設(shè)置所有用到的EMIO引腳為輸出掩碼按位或 Bank GPIO_BANK(OLED_SCLK_PIN); XGpioPs_SetDirection(Gpio, Bank, 0x1F); // 低5位輸出 XGpioPs_SetOutputEnable(Gpio, Bank, 0x1F); // 初始電平時鐘低片選高復(fù)位高DC低 XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_MOSI_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 1); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_DC_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_RES_PIN, 1); }這里有一個很重要但容易被忽略的細(xì)節(jié)XGpioPs_WritePin的置位操作內(nèi)部實際上是先讀再寫不是直接寫寄存器。在模擬SPI這種頻繁翻轉(zhuǎn)電平的場景下每一次寫操作都會多出一次讀寄存器的開銷雖然影響不大但如果你對性能有極致要求可以直接操作寄存器用Xil_In32和Xil_Out32去改寫DATA寄存器速度能快不少。接下來是SPI模擬的核心時序函數(shù)void SPI_WriteByte(u8 data) { int i; for (i 0; i 8; i) { XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); if (data 0x80) XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_MOSI_PIN, 1); else XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_MOSI_PIN, 0); // 數(shù)據(jù)建立時間 Delay_us(1); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 1); // 數(shù)據(jù)保持時間 Delay_us(1); data 1; } XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); }這里數(shù)據(jù)從高位開始發(fā)送。為什么從高位這是SSD1306的約定它的SPI傳輸順序是MSB first如果你從低位發(fā)送顯示出來就是鏡像的。關(guān)于延時我的經(jīng)驗是1us夠了SSD1306的SPI最小時鐘周期是100ns級別1us屬于留了充足余量。如果OLED用的是超長飛線或者屏幕老化嚴(yán)重可以加大到5us對穩(wěn)定性有利但屏幕刷新會肉眼可見地變慢。命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送函數(shù)其實只有一行代碼的區(qū)別void OLED_WriteCmd(u8 cmd) { XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_DC_PIN, 0); // DC低電平表示命令 SPI_WriteByte(cmd); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 1); } void OLED_WriteData(u8 dat) { XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 0); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_DC_PIN, 1); // DC高電平表示數(shù)據(jù) SPI_WriteByte(dat); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_CS_PIN, 1); }這里再嘮叨一句片選的問題。OLED模塊只有一個CS引腳所以在每次傳輸之前拉低、傳輸結(jié)束拉高是標(biāo)準(zhǔn)的操作習(xí)慣。但如果你手頭有多個SPI設(shè)備共享MOSI和SCLK那么片選管理就要格外小心切換設(shè)備時一定要給一小段時間的緩沖避免總線沖突。軟件拉片選和硬件片選的主要區(qū)別就在這里硬件片選在硬件控制器層面管理時間精度高軟件片選依賴代碼調(diào)用順序稍不留神就會出現(xiàn)毛刺。但在OLED這種點對點場景中軟件片選完全夠用。4.3 SSD1306初始化序列與顯示緩沖管理SSD1306上電后不能直接開始顯示必須按照官方規(guī)定的序列初始化。初始化序列看似是一堆魔術(shù)數(shù)字但每一條都有明確意義。我把常用的初始化序列貼出來并做簡單注釋void OLED_Init(void) { Delay_ms(100); // 等待屏幕內(nèi)部復(fù)位完成 // 硬件復(fù)位 XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_RES_PIN, 0); Delay_ms(100); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_RES_PIN, 1); Delay_ms(100); OLED_WriteCmd(0xAE); // 關(guān)閉顯示 OLED_WriteCmd(0xD5); OLED_WriteCmd(0x80); // 設(shè)置顯示時鐘分頻/振蕩器頻率 OLED_WriteCmd(0xA8); OLED_WriteCmd(0x3F); // 設(shè)置多路復(fù)用比128x64屏這里是63 OLED_WriteCmd(0xD3); OLED_WriteCmd(0x00); // 設(shè)置顯示偏移為0 OLED_WriteCmd(0x40); // 設(shè)置顯示起始行為0 OLED_WriteCmd(0x8D); OLED_WriteCmd(0x14); // 開啟充電泵內(nèi)部升壓 OLED_WriteCmd(0x20); OLED_WriteCmd(0x00); // 水平尋址模式 OLED_WriteCmd(0xA1); // 段重映射左右方向修正 OLED_WriteCmd(0xC8); // 掃描方向從上到下 OLED_WriteCmd(0xDA); OLED_WriteCmd(0x12); // COM引腳硬件配置 OLED_WriteCmd(0x81); OLED_WriteCmd(0xCF); // 對比度設(shè)置 OLED_WriteCmd(0xD9); OLED_WriteCmd(0xF1); // 預(yù)充電周期 OLED_WriteCmd(0xDB); OLED_WriteCmd(0x40); // VCOMH電壓選擇 OLED_WriteCmd(0xA4); // 恢復(fù)RAM內(nèi)容顯示 OLED_WriteCmd(0xA6); // 正常顯示非反色 OLED_WriteCmd(0xAF); // 打開顯示 }這段代碼里的0x8D 0x14開啟充電泵是很多人栽跟頭的地方。SSD1306如果要正常工作需要較高的驅(qū)動電壓這顆芯片內(nèi)部集成了升壓電路需要軟件主動開啟。如果你忘了配置或者設(shè)置成0x10關(guān)閉充電泵屏幕大概率就是一片黑。顯示緩沖管理方面由于SSD1306的GRAM是按頁組織的128x64像素被分成8頁page0~page7每頁代表8行像素每個字節(jié)代表8個垂直排列的像素。這就帶來一個慣性思維陷阱你在內(nèi)存里連續(xù)寫入的每個字節(jié)在屏幕上對應(yīng)的是豎直方向的8個點而不是水平方向。所以很多從LCD公版驅(qū)動移植過來的代碼直接往顯存里填數(shù)據(jù)顯示出來的文字就是豎著的。正確做法是建立一塊128x8的顯存緩沖在緩沖里操作好后再整塊刷新到OLED或者在采樣字模時使用列行式取模方式。4.4 完整驅(qū)動代碼與顯示效果測試現(xiàn)在我們寫一個具體的顯示函數(shù)在屏幕上顯示一行文字。字符顯示的原理是查表每個字符對應(yīng)一組字節(jié)數(shù)組每一個字節(jié)代表字符的一部分像素。我用的字模是6x8大小的ASCII字符集取模方式是先列后行、從低字節(jié)開始。const unsigned char F6x8[][6] { {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}, // sp {0x00, 0x00, 0x00, 0x2f, 0x00, 0x00}, // ! {0x00, 0x00, 0x07, 0x00, 0x07, 0x00}, // // 其他字符略 }; void OLED_ShowChar(u8 x, u8 y, char c) { u8 i; u8 y0 y; u8 page y / 8; // 計算字符所在頁 u8 offset y % 8; u8 row; // 設(shè)置頁地址和列地址 OLED_WriteCmd(0xB0 page); OLED_WriteCmd(0x00 (x 0x0F)); OLED_WriteCmd(0x10 ((x 4) 0x0F)); // 寫6字節(jié)顯存數(shù)據(jù) for (i 0; i 6; i) { // 這里需要根據(jù)offset做移位處理簡化起見假設(shè)offset為0 OLED_WriteData(F6x8[c - ][i]); } }如果你發(fā)現(xiàn)文字顯示位置不對或者花屏多半是頁地址和列地址的計算出錯。SSD1306的列地址可以直接指定范圍是0~127但要注意它的列地址設(shè)置分兩次低4位和高4位分別寫入邏輯或計算時別寫錯。另外寫數(shù)據(jù)到GRAM時地址會自動遞增只有當(dāng)你需要跨頁或者跳列顯示時才需要重新設(shè)置地址。main函數(shù)寫完整個流程后燒錄到板子上。正常情況下屏幕會顯示你指定的字符和數(shù)字。如果遇到屏幕完全沒有反應(yīng)先別急著檢查代碼先用萬用表量一下OLED的VCC和GND之間有沒有3.3V再量一下RES引腳在初始化時有沒有產(chǎn)生負(fù)脈沖。顯示問題八成出在硬件連接或初始化時序上代碼的問題反而好排查。5. 常見問題與排查技巧實錄5.1 屏幕完全不亮或只有背光這個問題排名第一。我總結(jié)的原因無非幾種一是電壓問題。OLED模塊的VCC接錯或者電源紋波過大導(dǎo)致驅(qū)動芯片保護(hù)。換一根質(zhì)量好一點的杜邦線或者外接獨立3.3V供電能解決掉一半的屏幕不亮問題。尤其是那種用了很長的母對母杜邦線的場景接觸電阻和線間電容可能讓供電瞬間掉壓。二是復(fù)位時序。SSD1306的RES引腳要求低電平復(fù)位而且復(fù)位脈沖的最低寬度有要求。如果你的代碼里復(fù)位脈沖一下子就過去了芯片可能沒有完成內(nèi)部初始化。我習(xí)慣的做法是復(fù)位低電平保持至少100ms然后拉高再等100ms確保芯片完全蘇醒。三是充電泵沒開。前面提到過OLED驅(qū)動需要內(nèi)部升壓0x8D和0x14這兩個命令必須成對出現(xiàn)。如果你在初始化序列里把它們注釋掉了屏幕自然不亮。四是DC引腳狀態(tài)不對。如果DC引腳在初始化時序中保持高電平芯片會把所有命令字節(jié)當(dāng)作顯存數(shù)據(jù)來處理界面自然一片混亂。用示波器量一下DC引腳的電平變化很快就能定位問題。5.2 屏幕能亮但顯示花屏或鏡像花屏的情況比較典型初始化正常、背光亮了但顯示內(nèi)容亂碼或者文字方向不對或者顯示區(qū)域偏移。花屏的大多數(shù)原因是顯存地址錯亂。SSD1306有幾種尋址模式水平尋址、垂直尋址和頁尋址各有各的地址遞增規(guī)則。我默認(rèn)用水平尋址模式0x20, 0x00這種模式下寫完一行數(shù)據(jù)列地址自動加1到127之后自動跳轉(zhuǎn)到下一行起始掃描順序符合大多數(shù)人的直覺。如果你之前用的是頁尋址模式那么每寫一頁數(shù)據(jù)必須重新設(shè)置頁地址否則數(shù)據(jù)會全部堆在同一頁里。鏡像問題則和段重映射以及COM掃描方向相關(guān)。A1命令段重映射控制水平方向的映射C8命令掃描方向控制垂直方向的遞增順序。如果你的顯示內(nèi)容左右顛倒把A1改成A0上下顛倒把C8改成C0。這塊沒有絕對的正確答案取決于你的OLED模組的內(nèi)部電路連接方式同樣一塊屏幕不同廠家出貨的模組引腳和內(nèi)部走線可能有差異。顯示區(qū)域偏移有時是因為多路復(fù)用比設(shè)置不對。128x64的屏幕寫0x3F是對的如果你錯誤地設(shè)成0x1F屏幕只工作一半下半部分要么是黑的要么是殘影。這個問題在1.3寸的OLED上更常見因為1.3寸屏用的往往是SH1106而不是SSD1306初始化的參數(shù)會有一點差異。所以買屏幕之前先確認(rèn)驅(qū)動芯片不要看到OLED就套代碼。5.3 時序問題與性能優(yōu)化最后一個常見問題屏幕能工作但是刷新很慢或者偶發(fā)閃爍。對于軟件模擬SPI來說瓶頸幾乎都在延時函數(shù)上。我上文中的代碼每次翻轉(zhuǎn)時鐘都延時1us發(fā)送一個字節(jié)大概16us刷新一幀128x64的顯存需要發(fā)送1024字節(jié)算下來大概16毫秒。也就是說理論最高幀率60幀左右實際因為還有地址設(shè)置和邏輯處理的開銷做到30幀就已經(jīng)很流暢了。如果你覺得刷新速度不夠可以做的優(yōu)化有幾個方向一是去掉延時或者把延時縮小到100ns級別配合GPIO直接寄存器操作速度可以提升好幾倍二是只刷新變化區(qū)域而不是每次把整塊顯存都推給屏幕三是把顯存緩沖改成128字節(jié)一行的結(jié)構(gòu)避免逐字節(jié)設(shè)置地址的開銷。但這里要奉勸一句OLED不適合高刷新率應(yīng)用。如果連續(xù)大量刷新耗電量會很可觀而且OLED長時間高亮度顯示會有燒屏風(fēng)險。做產(chǎn)品的時候能靜態(tài)顯示就靜態(tài)顯示能局部刷新就局部刷新這不僅是對硬件的保護(hù)也是設(shè)計成熟度的體現(xiàn)。另外我實測中發(fā)現(xiàn)一個很有意思的現(xiàn)象ZYNQ的EMIO引腳翻轉(zhuǎn)速度并不是完全一致的不同的引腳因為內(nèi)部走線不同翻轉(zhuǎn)時間會有幾十納秒的差異。這個差異在SPI時序上幾乎沒有影響但在某些對時序要求特別嚴(yán)格的總線上可能會埋雷。如果之后你想把同一套代碼用來驅(qū)動更敏感的SPI設(shè)備建議在關(guān)鍵翻轉(zhuǎn)點之間預(yù)留足夠大的時間余量。5.4 移植到其他平臺的小技巧這套軟件模擬SPI驅(qū)動OLED的思路不止適用于ZYNQ。我后來把它原封不動地移植到了STM32的HAL庫工程上又移植到了ESP32-IDF環(huán)境里移植過程總共不到半小時。核心思路是把引腳操作摳出來一個抽象層上層全部用宏或者函數(shù)指針去調(diào)用。在STM32上最底層操作就是HAL_GPIO_WritePin把XGpioPs_WritePin替換掉延時函數(shù)從自定義Delay替換成HAL_Delay或者DWT等精密延時其余代碼幾乎不用動。在ESP32上用gpio_set_level就能搞定。甚至你在Linux用戶態(tài)用sysfs的gpio接口也能用著一模一樣的SSD1306驅(qū)動代碼只是底層的電平翻轉(zhuǎn)換來換去。這里給大家一個建議把這一套代碼保存成你自己的工具庫放到GitHub或者私有倉庫里以后凡是遇到SPI接口的屏幕、傳感器都能很快地跑起來。我在實際項目中已經(jīng)因此節(jié)省了大把的時間尤其是原型驗證階段很多需求就是先看看這塊屏能不能用這時候有現(xiàn)成的底層驅(qū)動半天就能給出結(jié)論非常有效率。最后再分享一個小技巧。調(diào)試SPI時序出問題時不要急著看邏輯分析儀更不用上昂貴的示波器用最簡單的辦法在SPI_WriteByte函數(shù)里發(fā)送完一個字節(jié)后把一個空閑的GPIO翻轉(zhuǎn)一次然后用邏輯分析儀或者示波器去測這個GPIO和SCLK、MOSI的波形關(guān)系。你很快就能看出SCLK是否有了預(yù)期的脈沖、MOSI的電平對不對、數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間是否合理。這種軟件打點的習(xí)慣能讓你在嵌入式調(diào)試中少走很多彎路。