動(dòng)OLED屏幕（SSD1306）完整教程)
做ZYNQ開(kāi)發(fā)這幾年被問(wèn)得最多的一個(gè)問(wèn)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(duì)時(shí)序不算太苛刻的外設(shè)很多人覺(jué)得直接用硬核SPI不就行了。但真正在項(xiàng)目里踩過(guò)坑的人都明白情況遠(yuǎn)沒(méi)那么簡(jiǎn)單。芯片的SPI引腳可能被其他功能占用硬件布線繞不過(guò)去或者你同時(shí)掛了多個(gè)SPI設(shè)備但片選不夠用更別提有些IP在Linux驅(qū)動(dòng)層還一堆配置問(wèn)題。這時(shí)候GPIO模擬SPI簡(jiǎn)直是救場(chǎng)神器。這篇文章我手把手帶你把整個(gè)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(shí)序驅(qū)動(dòng)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(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境是Vivado 2020.2老版本也沒(méi)問(wèn)題操作流程幾乎一樣。軟件模擬SPI的思路有一個(gè)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(huì)把整個(gè)工程目錄結(jié)構(gòu)和使用說(shuō)明一并列出包括調(diào)試中遇到的奇葩問(wèn)題和對(duì)應(yīng)的排查方法這些東西在官方文檔里基本找不到。1. 項(xiàng)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(shí)集成了兩個(gè)SPI控制器名字叫SPI0和SPI1理論上你可以直接通過(guò)MIO引腳把它們引出來(lái)用。但實(shí)際開(kāi)發(fā)中你會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題:第一是引腳沖突。MIO的管教功能是復(fù)用的同一個(gè)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(shuō)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(hào)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(huì)繞得很遠(yuǎn)這對(duì)SPI的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)說(shuō)是個(gè)隱患特別是頻率稍高一點(diǎn)的時(shí)候信號(hào)反射和串?dāng)_能讓你查到懷疑人生。第三是驅(qū)動(dòng)輪子的成本。如果你后面打算跑Linux硬件SPI在設(shè)備樹(shù)里要配置中斷要處理DMA要調(diào)試一套組合拳下來(lái)可能大半天就過(guò)去了。而GPIO模擬SPI在裸機(jī)下就是個(gè)延時(shí)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(kù)也能快速實(shí)現(xiàn)幾乎沒(méi)有學(xué)習(xí)成本。所以我一直強(qiáng)調(diào)一個(gè)觀點(diǎn)如果外設(shè)速率要求不高OLED的SPI時(shí)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(shí)序的控制權(quán)完全握在自己手里出了問(wèn)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(shuō)清楚GPIO模擬SPI不是萬(wàn)能的它有自己的適用范圍和性能邊界。適合用GPIO模擬的場(chǎng)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(yàn)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(chǔ)器低速模式下都屬于這一類。我甚至用GPIO模擬SPI驅(qū)動(dòng)過(guò)TFT液晶屏雖然刷新率不算高但做簡(jiǎn)單的狀態(tài)顯示完全夠用。不適合的場(chǎng)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(gè)bit都要CPU親自翻轉(zhuǎn)電平以常見(jiàn)的CPU主頻來(lái)算模擬SPI的實(shí)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(dòng)的是SD卡、高速ADC或者需要連續(xù)刷屏的視頻輸出老老實(shí)實(shí)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(gè)容易忽略的問(wèn)題GPIO模擬SPI沒(méi)有硬件FIFO做緩沖也沒(méi)有硬件片選管理所有時(shí)序完全依賴軟件延時(shí)因此它不適合對(duì)時(shí)序抖動(dòng)極其敏感的外設(shè)。但OLED的SSD1306控制芯片是個(gè)例外它對(duì)時(shí)序的要求非常寬松只要滿足基本的建立時(shí)間和保持時(shí)間慢一點(diǎn)完全沒(méi)問(wèn)題甚至可以說(shuō)越慢越穩(wěn)。所以O(shè)LED用GPIO模擬SPI驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(jiàn)某寶上十幾塊錢以及若干杜邦線。這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)選屏幕的時(shí)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(gè)引腳做SPI實(shí)驗(yàn)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(huì)把BS0、BS1兩個(gè)配置引腳引出來(lái)通過(guò)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(shuō)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(hào)通過(guò)EMIO從PS端引到PL端再?gòu)腜L端的引腳綁定到板子的物理引腳上。原因有兩個(gè)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(gè)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(hào)ZYNQ引腳Bank 500Vivado中引腳名說(shuō)明D0 (SCLK)R18GPIO_0[0]SPI時(shí)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(hào)差異很大這張表的物理位置對(duì)你的板子不一定適用但原理完全一樣。你打開(kāi)板卡的原理圖手冊(cè)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(wàn)別接5V。2.2 Vivado工程創(chuàng)建與PS側(cè)配置打開(kāi)Vivado創(chuàng)建一個(gè)新的RTL工程。在創(chuàng)建過(guò)程中選擇你的開(kāi)發(fā)板對(duì)應(yīng)的型號(hào)如果是7020一般選xc7z020clg400-1。工程創(chuàng)建好之后第一步是點(diǎn)擊Create Block Design然后添加一個(gè)ZYNQ7 Processing System IP核。雙擊這個(gè)IP核進(jìn)行配置。其中我建議重點(diǎn)配置三塊在PS-PL Configuration頁(yè)面里把UART1打開(kāi)用來(lái)打印調(diào)試信息配置為MIO 48/49不同板子串口對(duì)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?yàn)槲覀冋靡?個(gè)EMIO引腳分別是GPIO_0[0]到GPIO_0[4]加上UART用掉一個(gè)。實(shí)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(yè)面選擇你板子上實(shí)際使用的DDR顆粒型號(hào)。選錯(cuò)的話輕則內(nèi)存不穩(wěn)定重則啟動(dòng)不了這塊務(wù)必對(duì)照板卡手冊(cè)確認(rèn)。在其他配置頁(yè)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(kāi)。配置完成后點(diǎn)擊工具條上的Run Block Automation如果你勾選了自動(dòng)連接或者手動(dòng)連線把PS端的FCLK_CLK0連接到整個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)初學(xué)者常犯的錯(cuò)誤很多人會(huì)忘記連接FCLK_RESET0_N引腳。連接時(shí)建議用Processor System Reset IP核連接到外部否則后面綜合時(shí)會(huì)出現(xiàn)一堆詭異的時(shí)序報(bào)錯(cuò)。我的習(xí)慣是無(wú)論電路是否用到PL邏輯都要加上這個(gè)復(fù)位邏輯有備無(wú)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(hào)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(huì)在設(shè)計(jì)頂層暴露出一組名為GPIO_0_tri_io的引腳。接下來(lái)創(chuàng)建一個(gè)XDC約束文件把GPIO_0_tri_io[0]到[4]這五個(gè)信號(hào)分別綁定到你在原理圖上選好的引腳并設(shè)置IOSTANDARD為L(zhǎng)VCMOS33。舉個(gè)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(kāi)發(fā)板的PL端IO都接的是3.3V所以IOSTANDARD選LVCMOS33沒(méi)問(wèn)題。如果你的板子某個(gè)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(huì)工作不正常OLED無(wú)法識(shí)別信號(hào)。約束寫好后點(diǎn)擊Generate Bitstream。生成成功后菜單欄File - Export Hardware勾選Include bitstream導(dǎo)出一個(gè).xsa文件。這個(gè)文件包含了硬件信息接下來(lái)SDK/Vitis要用它來(lái)創(chuàng)建軟件工程。如果你在生成比特流時(shí)遇到routed design中有未連接的引腳之類的錯(cuò)誤多半是XDC里的引腳綁錯(cuò)了或者漏綁了回頭檢查一下約束文件有沒(méi)有覆蓋所有Make External出來(lái)的引腳。我見(jiàn)過(guò)不少人卡在這一步以為自己寫代碼有問(wèn)題其實(shí)只是XDC沒(méi)寫完整。3. OLED屏幕與SPI協(xié)議核心原理3.1 SSD1306驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片。這是一顆單芯片的OLED驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部帶128x64 bit的GRAM顯存你往顯存里寫1對(duì)應(yīng)的像素就點(diǎn)亮寫0就熄滅。因此驅(qū)動(dòng)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(guò)SPI接口往它的GRAM里搬運(yùn)數(shù)據(jù)。SSD1306支持6800/8080并行、SPI和I2C四種接口實(shí)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(gè)從設(shè)備需要MCU主動(dòng)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(shí)鐘極性和相位對(duì)于軟件模擬來(lái)說(shuō)我們只要保證時(shí)序邏輯一致即可硬件兼容性其實(shí)很好。這顆芯片的命令集不算復(fù)雜最常用的無(wú)非是設(shè)置顯示開(kāi)關(guān)0xAE/0xAF、設(shè)置顯示時(shí)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(yè)地址0x22、設(shè)置對(duì)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(guò)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(shí)寫入的是命令DC為高時(shí)寫入的是顯存數(shù)據(jù)。這是整個(gè)驅(qū)動(dòng)中最容易出錯(cuò)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?。3.2 SPI協(xié)議與GPIO模擬的核心思想如果對(duì)SPI還不熟悉我用最簡(jiǎn)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(shí)鐘、MOSI主出從入、MISO主入從出、CS片選。通信時(shí)主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)數(shù)據(jù)在時(shí)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(shuō)白了就是軟件按照SPI協(xié)議規(guī)定的時(shí)間順序去翻轉(zhuǎn)GPIO電平。以SPI Mode 0為例CPOL0CPHA0時(shí)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)偽代碼邏輯是拉低CS表示開(kāi)始通信循環(huán)8次每次從最高位開(kāi)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(shí)一小段時(shí)間保證建立時(shí)間再把SCLK拉高此時(shí)從設(shè)備會(huì)采樣MOSI線上的數(shù)據(jù)再延時(shí)一小段時(shí)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(jiǎn)單但正是這簡(jiǎn)單的時(shí)序欺騙了很多人以為模擬SPI的程序隨便寫寫就行。實(shí)際上真正的坑都藏在延時(shí)和電平轉(zhuǎn)換的邊界處。比如數(shù)據(jù)信號(hào)要提前于時(shí)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(huì)錯(cuò)位。又比如CS的拉低要早于第一個(gè)時(shí)鐘沿否則從設(shè)備不認(rèn)為通信開(kāi)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(kù)不一樣更接近寄存器級(jí)操作。PS端GPIO由XGpioPs驅(qū)動(dòng)提供核心用法就幾個(gè)函數(shù)XGpioPs_LookupConfig查找設(shè)備配置、XGpioPs_CfgInitialize初始化驅(qū)動(dòng)、XGpioPs_SetDirectionDirection設(shè)置引腳方向、XGpioPs_WritePin寫引腳電平、XGpioPs_ReadPin讀引腳電平。對(duì)于EMIO引腳編號(hào)是固定的。EMIO GPIO從引腳號(hào)54開(kāi)始MIO占0~53我用的五個(gè)引腳分別對(duì)應(yīng)GPIO_0[0]到GPIO_0[4]在驅(qū)動(dòng)里的實(shí)際引腳號(hào)就是54、55、56、57、58。如果你開(kāi)的是MIO引腳則直接用對(duì)應(yīng)的MIO編號(hào)即可。有個(gè)細(xì)節(jié)值得注意XGpioPs_SetDirection第二個(gè)參數(shù)是按Bank設(shè)置的掩碼不是按單個(gè)引腳。你說(shuō)把第54腳設(shè)為輸出會(huì)寫成XGpioPs_SetDirection(Gpio, GPIO_BANK(54), 1)其中GPIO_BANK(54)是54號(hào)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(gè)引腳為輸出就得把掩碼按位或起來(lái)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(gè)引腳能輸出其余怎么都不動(dòng)的詭異現(xiàn)象。4. 裸機(jī)驅(qū)動(dòng)代碼實(shí)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(gè)Application Project平臺(tái)選擇你導(dǎo)出的.xsa文件模板隨便選Empty Application就行因?yàn)槲覀円耆约簩懘a。我的習(xí)慣是把代碼劃分成三個(gè)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(shí)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(diǎn)、顯示字符串等功能最上層就是main.c調(diào)用驅(qū)動(dòng)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(gè)函數(shù)OLED相關(guān)的代碼幾乎可以原封不動(dòng)搬過(guò)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(gè)循環(huán)每隔一定時(shí)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(shí)序模擬實(shí)現(xiàn)底層的GPIO初始化代碼如下這段代碼放到任何一個(gè)ZYNQ裸機(jī)工程中都能直接運(yùn)行#include xgpiops.h XGpioPs Gpio; // OLED引腳編號(hào)EMIO從54開(kāi)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(shí)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(gè)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(shí)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(chǎng)景下每一次寫操作都會(huì)多出一次讀寄存器的開(kāi)銷雖然影響不大但如果你對(duì)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(lái)是SPI模擬的核心時(shí)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(shí)間 Delay_us(1); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 1); // 數(shù)據(jù)保持時(shí)間 Delay_us(1); data 1; } XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); }這里數(shù)據(jù)從高位開(kāi)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(lái)就是鏡像的。關(guān)于延時(shí)我的經(jīng)驗(yàn)是1us夠了SSD1306的SPI最小時(shí)鐘周期是100ns級(jí)別1us屬于留了充足余量。如果OLED用的是超長(zhǎng)飛線或者屏幕老化嚴(yán)重可以加大到5us對(duì)穩(wěn)定性有利但屏幕刷新會(huì)肉眼可見(jiàn)地變慢。命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送函數(shù)其實(shí)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(wèn)題。OLED模塊只有一個(gè)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(gè)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(shí)一定要給一小段時(shí)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(shí)間精度高軟件片選依賴代碼調(diào)用順序稍不留神就會(huì)出現(xiàn)毛刺。但在OLED這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)場(chǎng)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(kāi)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(lái)并做簡(jiǎn)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(shí)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(kāi)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(duì)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(kāi)顯示 }這段代碼里的0x8D 0x14開(kāi)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(dòng)電壓這顆芯片內(nèi)部集成了升壓電路需要軟件主動(dòng)開(kāi)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(yè)組織的128x64像素被分成8頁(yè)page0~page7每頁(yè)代表8行像素每個(gè)字節(jié)代表8個(gè)垂直排列的像素。這就帶來(lái)一個(gè)慣性思維陷阱你在內(nèi)存里連續(xù)寫入的每個(gè)字節(jié)在屏幕上對(duì)應(yīng)的是豎直方向的8個(gè)點(diǎn)而不是水平方向。所以很多從LCD公版驅(qū)動(dòng)移植過(guò)來(lái)的代碼直接往顯存里填數(shù)據(jù)顯示出來(lái)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(shí)使用列行式取模方式。4.4 完整驅(qū)動(dòng)代碼與顯示效果測(cè)試現(xiàn)在我們寫一個(gè)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(gè)字符對(duì)應(yīng)一組字節(jié)數(shù)組每一個(gè)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(kāi)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(jì)算字符所在頁(yè) u8 offset y % 8; u8 row; // 設(shè)置頁(yè)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(jiǎn)化起見(jiàn)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(duì)或者花屏多半是頁(yè)地址和列地址的計(jì)算出錯(cuò)。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(jì)算時(shí)別寫錯(cuò)。另外寫數(shù)據(jù)到GRAM時(shí)地址會(huì)自動(dòng)遞增只有當(dāng)你需要跨頁(yè)或者跳列顯示時(shí)才需要重新設(shè)置地址。main函數(shù)寫完整個(gè)流程后燒錄到板子上。正常情況下屏幕會(huì)顯示你指定的字符和數(shù)字。如果遇到屏幕完全沒(méi)有反應(yīng)先別急著檢查代碼先用萬(wàn)用表量一下OLED的VCC和GND之間有沒(méi)有3.3V再量一下RES引腳在初始化時(shí)有沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)脈沖。顯示問(wèn)題八成出在硬件連接或初始化時(shí)序上代碼的問(wèn)題反而好排查。5. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄5.1 屏幕完全不亮或只有背光這個(gè)問(wèn)題排名第一。我總結(jié)的原因無(wú)非幾種一是電壓?jiǎn)栴}。OLED模塊的VCC接錯(cuò)或者電源紋波過(guò)大導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)芯片保護(hù)。換一根質(zhì)量好一點(diǎn)的杜邦線或者外接獨(dú)立3.3V供電能解決掉一半的屏幕不亮問(wèn)題。尤其是那種用了很長(zhǎng)的母對(duì)母杜邦線的場(chǎng)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(shí)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(guò)去了芯片可能沒(méi)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(méi)開(kāi)。前面提到過(guò)OLED驅(qū)動(dòng)需要內(nèi)部升壓0x8D和0x14這兩個(gè)命令必須成對(duì)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(duì)。如果DC引腳在初始化時(shí)序中保持高電平芯片會(huì)把所有命令字節(jié)當(dāng)作顯存數(shù)據(jù)來(lái)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(wèn)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(duì)或者顯示區(qū)域偏移?；ㄆ恋拇蠖鄶?shù)原因是顯存地址錯(cuò)亂。SSD1306有幾種尋址模式水平尋址、垂直尋址和頁(yè)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(dòng)加1到127之后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一行起始掃描順序符合大多數(shù)人的直覺(jué)。如果你之前用的是頁(yè)尋址模式那么每寫一頁(yè)數(shù)據(jù)必須重新設(shè)置頁(yè)地址否則數(shù)據(jù)會(huì)全部堆在同一頁(yè)里。鏡像問(wèn)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(méi)有絕對(duì)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(shí)是因?yàn)槎嗦窂?fù)用比設(shè)置不對(duì)。128x64的屏幕寫0x3F是對(duì)的如果你錯(cuò)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(gè)問(wèn)題在1.3寸的OLED上更常見(jiàn)因?yàn)?.3寸屏用的往往是SH1106而不是SSD1306初始化的參數(shù)會(huì)有一點(diǎn)差異。所以買屏幕之前先確認(rèn)驅(qū)動(dòng)芯片不要看到OLED就套代碼。5.3 時(shí)序問(wèn)題與性能優(yōu)化最后一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題屏幕能工作但是刷新很慢或者偶發(fā)閃爍。對(duì)于軟件模擬SPI來(lái)說(shuō)瓶頸幾乎都在延時(shí)函數(shù)上。我上文中的代碼每次翻轉(zhuǎn)時(shí)鐘都延時(shí)1us發(fā)送一個(gè)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(lái)大概16毫秒。也就是說(shuō)理論最高幀率60幀左右實(shí)際因?yàn)檫€有地址設(shè)置和邏輯處理的開(kāi)銷做到30幀就已經(jīng)很流暢了。如果你覺(jué)得刷新速度不夠可以做的優(yōu)化有幾個(gè)方向一是去掉延時(shí)或者把延時(shí)縮小到100ns級(jí)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(kāi)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(huì)很可觀而且OLED長(zhǎng)時(shí)間高亮度顯示會(huì)有燒屏風(fēng)險(xiǎn)。做產(chǎn)品的時(shí)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(duì)硬件的保護(hù)也是設(shè)計(jì)成熟度的體現(xiàn)。另外我實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)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?yàn)閮?nèi)部走線不同翻轉(zhuǎn)時(shí)間會(huì)有幾十納秒的差異。這個(gè)差異在SPI時(shí)序上幾乎沒(méi)有影響但在某些對(duì)時(shí)序要求特別嚴(yán)格的總線上可能會(huì)埋雷。如果之后你想把同一套代碼用來(lái)驅(qū)動(dòng)更敏感的SPI設(shè)備建議在關(guān)鍵翻轉(zhuǎn)點(diǎn)之間預(yù)留足夠大的時(shí)間余量。5.4 移植到其他平臺(tái)的小技巧這套軟件模擬SPI驅(qū)動(dòng)OLED的思路不止適用于ZYNQ。我后來(lái)把它原封不動(dòng)地移植到了STM32的HAL庫(kù)工程上又移植到了ESP32-IDF環(huán)境里移植過(guò)程總共不到半小時(shí)。核心思路是把引腳操作摳出來(lái)一個(gè)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(shí)函數(shù)從自定義Delay替換成HAL_Delay或者DWT等精密延時(shí)其余代碼幾乎不用動(dòng)。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(dòng)代碼只是底層的電平翻轉(zhuǎn)換來(lái)?yè)Q去。這里給大家一個(gè)建議把這一套代碼保存成你自己的工具庫(kù)放到GitHub或者私有倉(cāng)庫(kù)里以后凡是遇到SPI接口的屏幕、傳感器都能很快地跑起來(lái)。我在實(shí)際項(xiàng)目中已經(jīng)因此節(jié)省了大把的時(shí)間尤其是原型驗(yàn)證階段很多需求就是先看看這塊屏能不能用這時(shí)候有現(xiàn)成的底層驅(qū)動(dòng)半天就能給出結(jié)論非常有效率。最后再分享一個(gè)小技巧。調(diào)試SPI時(shí)序出問(wèn)題時(shí)不要急著看邏輯分析儀更不用上昂貴的示波器用最簡(jiǎn)單的辦法在SPI_WriteByte函數(shù)里發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后把一個(gè)空閑的GPIO翻轉(zhuǎn)一次然后用邏輯分析儀或者示波器去測(cè)這個(gè)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(duì)不對(duì)、數(shù)據(jù)的建立時(shí)間和保持時(shí)間是否合理。這種軟件打點(diǎn)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(dòng)OLED屏幕（SSD1306）完整教程
做ZYNQ開(kāi)發(fā)這幾年被問(wèn)得最多的一個(gè)問(wèn)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(duì)時(shí)序不算太苛刻的外設(shè)很多人覺(jué)得直接用硬核SPI不就行了。但真正在項(xiàng)目里踩過(guò)坑的人都明白情況遠(yuǎn)沒(méi)那么簡(jiǎn)單。芯片的SPI引腳可能被其他功能占用硬件布線繞不過(guò)去或者你同時(shí)掛了多個(gè)SPI設(shè)備但片選不夠用更別提有些IP在Linux驅(qū)動(dòng)層還一堆配置問(wèn)題。這時(shí)候GPIO模擬SPI簡(jiǎn)直是救場(chǎng)神器。這篇文章我手把手帶你把整個(gè)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(shí)序驅(qū)動(dòng)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(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境是Vivado 2020.2老版本也沒(méi)問(wèn)題操作流程幾乎一樣。軟件模擬SPI的思路有一個(gè)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(huì)把整個(gè)工程目錄結(jié)構(gòu)和使用說(shuō)明一并列出包括調(diào)試中遇到的奇葩問(wèn)題和對(duì)應(yīng)的排查方法這些東西在官方文檔里基本找不到。1. 項(xiàng)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(shí)集成了兩個(gè)SPI控制器名字叫SPI0和SPI1理論上你可以直接通過(guò)MIO引腳把它們引出來(lái)用。但實(shí)際開(kāi)發(fā)中你會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題:第一是引腳沖突。MIO的管教功能是復(fù)用的同一個(gè)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(shuō)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(hào)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(huì)繞得很遠(yuǎn)這對(duì)SPI的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)說(shuō)是個(gè)隱患特別是頻率稍高一點(diǎn)的時(shí)候信號(hào)反射和串?dāng)_能讓你查到懷疑人生。第三是驅(qū)動(dòng)輪子的成本。如果你后面打算跑Linux硬件SPI在設(shè)備樹(shù)里要配置中斷要處理DMA要調(diào)試一套組合拳下來(lái)可能大半天就過(guò)去了。而GPIO模擬SPI在裸機(jī)下就是個(gè)延時(shí)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(kù)也能快速實(shí)現(xiàn)幾乎沒(méi)有學(xué)習(xí)成本。所以我一直強(qiáng)調(diào)一個(gè)觀點(diǎn)如果外設(shè)速率要求不高OLED的SPI時(shí)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(shí)序的控制權(quán)完全握在自己手里出了問(wèn)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(shuō)清楚GPIO模擬SPI不是萬(wàn)能的它有自己的適用范圍和性能邊界。適合用GPIO模擬的場(chǎng)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(yàn)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(chǔ)器低速模式下都屬于這一類。我甚至用GPIO模擬SPI驅(qū)動(dòng)過(guò)TFT液晶屏雖然刷新率不算高但做簡(jiǎn)單的狀態(tài)顯示完全夠用。不適合的場(chǎng)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(gè)bit都要CPU親自翻轉(zhuǎn)電平以常見(jiàn)的CPU主頻來(lái)算模擬SPI的實(shí)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(dòng)的是SD卡、高速ADC或者需要連續(xù)刷屏的視頻輸出老老實(shí)實(shí)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(gè)容易忽略的問(wèn)題GPIO模擬SPI沒(méi)有硬件FIFO做緩沖也沒(méi)有硬件片選管理所有時(shí)序完全依賴軟件延時(shí)因此它不適合對(duì)時(shí)序抖動(dòng)極其敏感的外設(shè)。但OLED的SSD1306控制芯片是個(gè)例外它對(duì)時(shí)序的要求非常寬松只要滿足基本的建立時(shí)間和保持時(shí)間慢一點(diǎn)完全沒(méi)問(wèn)題甚至可以說(shuō)越慢越穩(wěn)。所以O(shè)LED用GPIO模擬SPI驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(jiàn)某寶上十幾塊錢以及若干杜邦線。這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)選屏幕的時(shí)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(gè)引腳做SPI實(shí)驗(yàn)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(huì)把BS0、BS1兩個(gè)配置引腳引出來(lái)通過(guò)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(shuō)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(hào)通過(guò)EMIO從PS端引到PL端再?gòu)腜L端的引腳綁定到板子的物理引腳上。原因有兩個(gè)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(gè)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(hào)ZYNQ引腳Bank 500Vivado中引腳名說(shuō)明D0 (SCLK)R18GPIO_0[0]SPI時(shí)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(hào)差異很大這張表的物理位置對(duì)你的板子不一定適用但原理完全一樣。你打開(kāi)板卡的原理圖手冊(cè)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(wàn)別接5V。2.2 Vivado工程創(chuàng)建與PS側(cè)配置打開(kāi)Vivado創(chuàng)建一個(gè)新的RTL工程。在創(chuàng)建過(guò)程中選擇你的開(kāi)發(fā)板對(duì)應(yīng)的型號(hào)如果是7020一般選xc7z020clg400-1。工程創(chuàng)建好之后第一步是點(diǎn)擊Create Block Design然后添加一個(gè)ZYNQ7 Processing System IP核。雙擊這個(gè)IP核進(jìn)行配置。其中我建議重點(diǎn)配置三塊在PS-PL Configuration頁(yè)面里把UART1打開(kāi)用來(lái)打印調(diào)試信息配置為MIO 48/49不同板子串口對(duì)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?yàn)槲覀冋靡?個(gè)EMIO引腳分別是GPIO_0[0]到GPIO_0[4]加上UART用掉一個(gè)。實(shí)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(yè)面選擇你板子上實(shí)際使用的DDR顆粒型號(hào)。選錯(cuò)的話輕則內(nèi)存不穩(wěn)定重則啟動(dòng)不了這塊務(wù)必對(duì)照板卡手冊(cè)確認(rèn)。在其他配置頁(yè)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(kāi)。配置完成后點(diǎn)擊工具條上的Run Block Automation如果你勾選了自動(dòng)連接或者手動(dòng)連線把PS端的FCLK_CLK0連接到整個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)初學(xué)者常犯的錯(cuò)誤很多人會(huì)忘記連接FCLK_RESET0_N引腳。連接時(shí)建議用Processor System Reset IP核連接到外部否則后面綜合時(shí)會(huì)出現(xiàn)一堆詭異的時(shí)序報(bào)錯(cuò)。我的習(xí)慣是無(wú)論電路是否用到PL邏輯都要加上這個(gè)復(fù)位邏輯有備無(wú)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(hào)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(huì)在設(shè)計(jì)頂層暴露出一組名為GPIO_0_tri_io的引腳。接下來(lái)創(chuàng)建一個(gè)XDC約束文件把GPIO_0_tri_io[0]到[4]這五個(gè)信號(hào)分別綁定到你在原理圖上選好的引腳并設(shè)置IOSTANDARD為L(zhǎng)VCMOS33。舉個(gè)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(kāi)發(fā)板的PL端IO都接的是3.3V所以IOSTANDARD選LVCMOS33沒(méi)問(wèn)題。如果你的板子某個(gè)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(huì)工作不正常OLED無(wú)法識(shí)別信號(hào)。約束寫好后點(diǎn)擊Generate Bitstream。生成成功后菜單欄File - Export Hardware勾選Include bitstream導(dǎo)出一個(gè).xsa文件。這個(gè)文件包含了硬件信息接下來(lái)SDK/Vitis要用它來(lái)創(chuàng)建軟件工程。如果你在生成比特流時(shí)遇到routed design中有未連接的引腳之類的錯(cuò)誤多半是XDC里的引腳綁錯(cuò)了或者漏綁了回頭檢查一下約束文件有沒(méi)有覆蓋所有Make External出來(lái)的引腳。我見(jiàn)過(guò)不少人卡在這一步以為自己寫代碼有問(wèn)題其實(shí)只是XDC沒(méi)寫完整。3. OLED屏幕與SPI協(xié)議核心原理3.1 SSD1306驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片。這是一顆單芯片的OLED驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部帶128x64 bit的GRAM顯存你往顯存里寫1對(duì)應(yīng)的像素就點(diǎn)亮寫0就熄滅。因此驅(qū)動(dòng)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(guò)SPI接口往它的GRAM里搬運(yùn)數(shù)據(jù)。SSD1306支持6800/8080并行、SPI和I2C四種接口實(shí)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(gè)從設(shè)備需要MCU主動(dòng)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(shí)鐘極性和相位對(duì)于軟件模擬來(lái)說(shuō)我們只要保證時(shí)序邏輯一致即可硬件兼容性其實(shí)很好。這顆芯片的命令集不算復(fù)雜最常用的無(wú)非是設(shè)置顯示開(kāi)關(guān)0xAE/0xAF、設(shè)置顯示時(shí)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(yè)地址0x22、設(shè)置對(duì)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(guò)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(shí)寫入的是命令DC為高時(shí)寫入的是顯存數(shù)據(jù)。這是整個(gè)驅(qū)動(dòng)中最容易出錯(cuò)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?。3.2 SPI協(xié)議與GPIO模擬的核心思想如果對(duì)SPI還不熟悉我用最簡(jiǎn)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(shí)鐘、MOSI主出從入、MISO主入從出、CS片選。通信時(shí)主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)數(shù)據(jù)在時(shí)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(shuō)白了就是軟件按照SPI協(xié)議規(guī)定的時(shí)間順序去翻轉(zhuǎn)GPIO電平。以SPI Mode 0為例CPOL0CPHA0時(shí)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)偽代碼邏輯是拉低CS表示開(kāi)始通信循環(huán)8次每次從最高位開(kāi)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(shí)一小段時(shí)間保證建立時(shí)間再把SCLK拉高此時(shí)從設(shè)備會(huì)采樣MOSI線上的數(shù)據(jù)再延時(shí)一小段時(shí)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(jiǎn)單但正是這簡(jiǎn)單的時(shí)序欺騙了很多人以為模擬SPI的程序隨便寫寫就行。實(shí)際上真正的坑都藏在延時(shí)和電平轉(zhuǎn)換的邊界處。比如數(shù)據(jù)信號(hào)要提前于時(shí)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(huì)錯(cuò)位。又比如CS的拉低要早于第一個(gè)時(shí)鐘沿否則從設(shè)備不認(rèn)為通信開(kāi)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(kù)不一樣更接近寄存器級(jí)操作。PS端GPIO由XGpioPs驅(qū)動(dòng)提供核心用法就幾個(gè)函數(shù)XGpioPs_LookupConfig查找設(shè)備配置、XGpioPs_CfgInitialize初始化驅(qū)動(dòng)、XGpioPs_SetDirectionDirection設(shè)置引腳方向、XGpioPs_WritePin寫引腳電平、XGpioPs_ReadPin讀引腳電平。對(duì)于EMIO引腳編號(hào)是固定的。EMIO GPIO從引腳號(hào)54開(kāi)始MIO占0~53我用的五個(gè)引腳分別對(duì)應(yīng)GPIO_0[0]到GPIO_0[4]在驅(qū)動(dòng)里的實(shí)際引腳號(hào)就是54、55、56、57、58。如果你開(kāi)的是MIO引腳則直接用對(duì)應(yīng)的MIO編號(hào)即可。有個(gè)細(xì)節(jié)值得注意XGpioPs_SetDirection第二個(gè)參數(shù)是按Bank設(shè)置的掩碼不是按單個(gè)引腳。你說(shuō)把第54腳設(shè)為輸出會(huì)寫成XGpioPs_SetDirection(Gpio, GPIO_BANK(54), 1)其中GPIO_BANK(54)是54號(hào)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(gè)引腳為輸出就得把掩碼按位或起來(lái)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(gè)引腳能輸出其余怎么都不動(dòng)的詭異現(xiàn)象。4. 裸機(jī)驅(qū)動(dòng)代碼實(shí)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(gè)Application Project平臺(tái)選擇你導(dǎo)出的.xsa文件模板隨便選Empty Application就行因?yàn)槲覀円耆约簩懘a。我的習(xí)慣是把代碼劃分成三個(gè)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(shí)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(diǎn)、顯示字符串等功能最上層就是main.c調(diào)用驅(qū)動(dòng)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(gè)函數(shù)OLED相關(guān)的代碼幾乎可以原封不動(dòng)搬過(guò)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(gè)循環(huán)每隔一定時(shí)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(shí)序模擬實(shí)現(xiàn)底層的GPIO初始化代碼如下這段代碼放到任何一個(gè)ZYNQ裸機(jī)工程中都能直接運(yùn)行#include xgpiops.h XGpioPs Gpio; // OLED引腳編號(hào)EMIO從54開(kāi)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(shí)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(gè)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(shí)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(chǎng)景下每一次寫操作都會(huì)多出一次讀寄存器的開(kāi)銷雖然影響不大但如果你對(duì)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(lái)是SPI模擬的核心時(shí)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(shí)間 Delay_us(1); XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 1); // 數(shù)據(jù)保持時(shí)間 Delay_us(1); data 1; } XGpioPs_WritePin(Gpio, OLED_SCLK_PIN, 0); }這里數(shù)據(jù)從高位開(kāi)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(lái)就是鏡像的。關(guān)于延時(shí)我的經(jīng)驗(yàn)是1us夠了SSD1306的SPI最小時(shí)鐘周期是100ns級(jí)別1us屬于留了充足余量。如果OLED用的是超長(zhǎng)飛線或者屏幕老化嚴(yán)重可以加大到5us對(duì)穩(wěn)定性有利但屏幕刷新會(huì)肉眼可見(jiàn)地變慢。命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送函數(shù)其實(shí)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(wèn)題。OLED模塊只有一個(gè)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(gè)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(shí)一定要給一小段時(shí)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(shí)間精度高軟件片選依賴代碼調(diào)用順序稍不留神就會(huì)出現(xiàn)毛刺。但在OLED這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)場(chǎng)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(kāi)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(lái)并做簡(jiǎn)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(shí)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(kāi)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(duì)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(kāi)顯示 }這段代碼里的0x8D 0x14開(kāi)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(dòng)電壓這顆芯片內(nèi)部集成了升壓電路需要軟件主動(dòng)開(kāi)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(yè)組織的128x64像素被分成8頁(yè)page0~page7每頁(yè)代表8行像素每個(gè)字節(jié)代表8個(gè)垂直排列的像素。這就帶來(lái)一個(gè)慣性思維陷阱你在內(nèi)存里連續(xù)寫入的每個(gè)字節(jié)在屏幕上對(duì)應(yīng)的是豎直方向的8個(gè)點(diǎn)而不是水平方向。所以很多從LCD公版驅(qū)動(dòng)移植過(guò)來(lái)的代碼直接往顯存里填數(shù)據(jù)顯示出來(lái)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(shí)使用列行式取模方式。4.4 完整驅(qū)動(dòng)代碼與顯示效果測(cè)試現(xiàn)在我們寫一個(gè)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(gè)字符對(duì)應(yīng)一組字節(jié)數(shù)組每一個(gè)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(kāi)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(jì)算字符所在頁(yè) u8 offset y % 8; u8 row; // 設(shè)置頁(yè)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(jiǎn)化起見(jiàn)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(duì)或者花屏多半是頁(yè)地址和列地址的計(jì)算出錯(cuò)。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(jì)算時(shí)別寫錯(cuò)。另外寫數(shù)據(jù)到GRAM時(shí)地址會(huì)自動(dòng)遞增只有當(dāng)你需要跨頁(yè)或者跳列顯示時(shí)才需要重新設(shè)置地址。main函數(shù)寫完整個(gè)流程后燒錄到板子上。正常情況下屏幕會(huì)顯示你指定的字符和數(shù)字。如果遇到屏幕完全沒(méi)有反應(yīng)先別急著檢查代碼先用萬(wàn)用表量一下OLED的VCC和GND之間有沒(méi)有3.3V再量一下RES引腳在初始化時(shí)有沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)脈沖。顯示問(wèn)題八成出在硬件連接或初始化時(shí)序上代碼的問(wèn)題反而好排查。5. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄5.1 屏幕完全不亮或只有背光這個(gè)問(wèn)題排名第一。我總結(jié)的原因無(wú)非幾種一是電壓?jiǎn)栴}。OLED模塊的VCC接錯(cuò)或者電源紋波過(guò)大導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)芯片保護(hù)。換一根質(zhì)量好一點(diǎn)的杜邦線或者外接獨(dú)立3.3V供電能解決掉一半的屏幕不亮問(wèn)題。尤其是那種用了很長(zhǎng)的母對(duì)母杜邦線的場(chǎng)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(shí)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(guò)去了芯片可能沒(méi)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(méi)開(kāi)。前面提到過(guò)OLED驅(qū)動(dòng)需要內(nèi)部升壓0x8D和0x14這兩個(gè)命令必須成對(duì)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(duì)。如果DC引腳在初始化時(shí)序中保持高電平芯片會(huì)把所有命令字節(jié)當(dāng)作顯存數(shù)據(jù)來(lái)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(wèn)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(duì)或者顯示區(qū)域偏移?；ㄆ恋拇蠖鄶?shù)原因是顯存地址錯(cuò)亂。SSD1306有幾種尋址模式水平尋址、垂直尋址和頁(yè)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(dòng)加1到127之后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一行起始掃描順序符合大多數(shù)人的直覺(jué)。如果你之前用的是頁(yè)尋址模式那么每寫一頁(yè)數(shù)據(jù)必須重新設(shè)置頁(yè)地址否則數(shù)據(jù)會(huì)全部堆在同一頁(yè)里。鏡像問(wèn)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(méi)有絕對(duì)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(shí)是因?yàn)槎嗦窂?fù)用比設(shè)置不對(duì)。128x64的屏幕寫0x3F是對(duì)的如果你錯(cuò)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(gè)問(wèn)題在1.3寸的OLED上更常見(jiàn)因?yàn)?.3寸屏用的往往是SH1106而不是SSD1306初始化的參數(shù)會(huì)有一點(diǎn)差異。所以買屏幕之前先確認(rèn)驅(qū)動(dòng)芯片不要看到OLED就套代碼。5.3 時(shí)序問(wèn)題與性能優(yōu)化最后一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題屏幕能工作但是刷新很慢或者偶發(fā)閃爍。對(duì)于軟件模擬SPI來(lái)說(shuō)瓶頸幾乎都在延時(shí)函數(shù)上。我上文中的代碼每次翻轉(zhuǎn)時(shí)鐘都延時(shí)1us發(fā)送一個(gè)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(lái)大概16毫秒。也就是說(shuō)理論最高幀率60幀左右實(shí)際因?yàn)檫€有地址設(shè)置和邏輯處理的開(kāi)銷做到30幀就已經(jīng)很流暢了。如果你覺(jué)得刷新速度不夠可以做的優(yōu)化有幾個(gè)方向一是去掉延時(shí)或者把延時(shí)縮小到100ns級(jí)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(kāi)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(huì)很可觀而且OLED長(zhǎng)時(shí)間高亮度顯示會(huì)有燒屏風(fēng)險(xiǎn)。做產(chǎn)品的時(shí)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(duì)硬件的保護(hù)也是設(shè)計(jì)成熟度的體現(xiàn)。另外我實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)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?yàn)閮?nèi)部走線不同翻轉(zhuǎn)時(shí)間會(huì)有幾十納秒的差異。這個(gè)差異在SPI時(shí)序上幾乎沒(méi)有影響但在某些對(duì)時(shí)序要求特別嚴(yán)格的總線上可能會(huì)埋雷。如果之后你想把同一套代碼用來(lái)驅(qū)動(dòng)更敏感的SPI設(shè)備建議在關(guān)鍵翻轉(zhuǎn)點(diǎn)之間預(yù)留足夠大的時(shí)間余量。5.4 移植到其他平臺(tái)的小技巧這套軟件模擬SPI驅(qū)動(dòng)OLED的思路不止適用于ZYNQ。我后來(lái)把它原封不動(dòng)地移植到了STM32的HAL庫(kù)工程上又移植到了ESP32-IDF環(huán)境里移植過(guò)程總共不到半小時(shí)。核心思路是把引腳操作摳出來(lái)一個(gè)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(shí)函數(shù)從自定義Delay替換成HAL_Delay或者DWT等精密延時(shí)其余代碼幾乎不用動(dòng)。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(dòng)代碼只是底層的電平翻轉(zhuǎn)換來(lái)?yè)Q去。這里給大家一個(gè)建議把這一套代碼保存成你自己的工具庫(kù)放到GitHub或者私有倉(cāng)庫(kù)里以后凡是遇到SPI接口的屏幕、傳感器都能很快地跑起來(lái)。我在實(shí)際項(xiàng)目中已經(jīng)因此節(jié)省了大把的時(shí)間尤其是原型驗(yàn)證階段很多需求就是先看看這塊屏能不能用這時(shí)候有現(xiàn)成的底層驅(qū)動(dòng)半天就能給出結(jié)論非常有效率。最后再分享一個(gè)小技巧。調(diào)試SPI時(shí)序出問(wèn)題時(shí)不要急著看邏輯分析儀更不用上昂貴的示波器用最簡(jiǎn)單的辦法在SPI_WriteByte函數(shù)里發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后把一個(gè)空閑的GPIO翻轉(zhuǎn)一次然后用邏輯分析儀或者示波器去測(cè)這個(gè)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(duì)不對(duì)、數(shù)據(jù)的建立時(shí)間和保持時(shí)間是否合理。這種軟件打點(diǎn)的習(xí)慣能讓你在嵌入式調(diào)試中少走很多彎路。