如何使用FPGA驱动SPI屏幕

一. 简介

相信大家都玩过屏幕，在FPGA上使用最多的就是VGA/HDMI接口的显示器了，这两种显示器的优点就不用说了，缺点就是体积比较大，而且价格比较贵，对于追求便携/价格低的我来说，SPI接口的屏幕才是我的首要选择,而且一般是可以带触摸的哦。

此为图像处理的基础，后面图像处理相关的代码都会基于此屏幕哦！

二. SPI屏幕驱动(驱动芯片ST7789V)

1. SPI模式

SPI时序就不介绍了，很重要且必须要掌握的协议。要想驱动屏幕，最关系的肯定是使用那种模式来驱动了，答案就在这里，数据在SCL时钟的上升沿被采样，数据在SCL时钟的下降沿切换（空闲的时候对SCL的电平不作要求),对应的模式为0和3。

2. 初始化

摸清楚SPI的模式之后，就可以开始初始化屏幕了，最简单高效的方法当然是参考C语言的现实。

可以看出，初始化的过程就是依次发送命令和数据即可。那么如何辨别命令和数据呢？

通过下图可以清楚的知道，是通过DC信号线的电平来区别的(低电平表示当前发送的数据为命令)。

弄懂了上述问题之后，就可以按照C语言实现依葫芦画瓢，依次将命令和数据发送出去即可。另外有两点需要注意的是：

两条命令不能连续发送，中间需要停顿数个时钟周期；而数据则不需要。

命令到数据，或者数据到命令，是不能连续，中间需要停顿数个时钟周期。

另外这三个命令需要注意一下0x36，0x2A,0x2B,它们分别是设置显示的方向(还有就是数据是RGB还是BGR)、列地址和行地址。0x36涉及到的东西比较多，需要详细了解的可以自行去翻阅数据手册。

经过上面的初始化，如果成功了，屏幕上显示出杂乱无章的图案。

3. 显示数据

C语言的实现如下，设置要显示X,Y的范围，也就是矩形的左上角和右下角的值，然后发送要显示的数据即可。非常简单。

三. FPGA实现

有了C语言作为参考，FPGA端的实现那还不是小菜一碟，总共只需要分为如下的三个模块:

SPI主机模块: 用来和屏幕进行数据交互

屏幕初始化模块: 将初始化数据依次通过SPI主机模块发送给模块

屏幕刷新模块: 将显示数据依次通过SPI主机模块发送给模块

模块框图如下，有点小哈()

SPI主机模块和初始化模块非常简单，就不作说明啦！重点来说说刷新模块。

刷新模块不会像单片机中那样，调用的时候才会进行刷新，而且在初始化完成之后，就一直在对整个屏幕进行刷新了，

1. 模块状态跳转

模块由如下四个在状态组成，在发送前11个数据的时候，需要进入打啊奥延时状态，原因是这11个数据中既有命令也有数据(此数据，懂?), 后面则一直在DATA态，它只包括显示数据，所以不需要延时。最后一个显示数据发送完成后，就进入帧同步状态，表示一帧数据发送完成。

2. 图像显示数据

很easy！发送完前面的命令和数据后，剩下的全部都是显示数据了，都丢在default里面就可以了。这里暂时写死了(后面会将显示的数据修改为模块输入的数据)。

3. 模块端口

端口信号如下，着重关注用户接口的三个信号即可，非常easy！

四. 模块封装

spi模块top模块的接口如下，很明显不够完美，无法知道当前显示的像素坐标，而且图像数据一般为16bit的，而这个模块的输入为8bit的数据，另外在替换VGA接口的屏幕时候，也不能简单高效的替换下来，所以需要经过一次封装，将其与外部进行交互的端口信号封装为VGA接口的信号(近似)。

封装后的模块端口信号如下，其内部实现类似于VGA驱动。

五. 上板测试

测试代码如下，显示四个方块，是不是感觉so easy！。

测试图片如下，显示效果完美！！！！

审核编辑：汤梓红