基于SPI閃存和主存IAP的嵌入式平臺中文顯示系統設計

黃克亞， 陳 良

（蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215131）

0 引 言

中文顯示是嵌入式系統的普遍需求，可實現界面友好，系統易用性大幅提升。實現中文顯示存在兩條技術路線，一種方法是將漢字字模數據定義為常量數組，存儲于系統主存儲器當中，顯示時直接訪問主存，速度很快，但僅可存儲個別漢字，需要手動取模，通用性較差；另一種方法是將所有漢字包含全角英文字符，取字模后存儲于外部存儲器當中，顯示時先訪問外存獲取字模數據再調入內存完成顯示，系統通用性強，可實現任意漢字以及部分特殊字符顯示，但顯示速度較慢，對嵌入式系統實時性有一定的影響［1-2］。

因為嵌入式系統需要顯示的漢字是有限且相對固定的，本文將上述兩種技術方法組合在一起，設計了一通用嵌入式平臺中文顯示系統，在外部SPI（Serial Peripheral Interface）接口Flash 存儲器上存儲中文字庫，在片內利用IAP（In Application Programming）技術緩沖存儲常用漢字字模數據，取長補短，兼顧系統通用性和快速性，且中文顯示平臺對用戶和程序員來說是完全透明的［3-6］。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構

嵌入式系統中文顯示平臺硬件結構如圖1 所示，主控芯片選擇基于ARM Cortex-M4 內核的性能強勁的STM32F407ZET6 微控制器，168 MHz 主頻，512 KB 片內Flash ROM，完備的FSMC 接口，更快的USART 和SPI通信速度。使用靈活靜態存儲控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）連接數碼顯示器和TFT LCD兩個顯示設備，CPU 引腳資源利用率高，訪問速度快。使用SPI接口連接片外Flash ROM存儲器W25Q128。板載CMSIS-DAP 調試器支持JTAG／SWD兩種調試方式，同時還具有串口通信功能。

圖1 嵌入式平臺硬件結構

1.2 顯示設備

嵌入式平臺顯示系統硬件連接如圖2 所示，系統配備雙顯示終端，數碼顯示器為6 位共陽數碼管，PNP三極管驅動，74HC573D 鎖存；液晶顯示器為71.12 mm（2.8 in）全彩TFT LCD 顯示模塊，240 ×320 像素，ILI9341 驅動，16 位8080 并行接口。設計時使用FSMC總線的存儲塊1 子區4 連接TFT LCD，FSMC接口與LCD數據、控制信號直接相連，由FSMC 控制器產生LCD的8080 控制時序。數碼顯示器通過鎖存器與LCD復用數據線，FSMC 總線的存儲塊1 子區3 片選信號反相后作為數碼顯示器的選通信號［7-11］。

圖2 嵌入式平臺顯示設備連接電路

1.3 外部存儲器

Flash結合了ROM和RAM的長處，不僅具備電可擦編程只讀存儲器（E2PROM）的功能，還可以快速讀取數據，具有非易失性隨機訪問存儲器的優勢。為存儲字庫數據，實驗平臺擴展了一片容量為128 Mbit 的NOR Flash 存儲芯片W25Q128，連接至微控制器的SPI1 接口，硬件電路如圖3 所示。W25Q128 芯片的DO、DI、CLK 引腳分別接至微控制器的SPI1＿MISO、SPI1＿MOSI、SPI1＿SCK。微控制器的PB14 引腳連接存儲器的引腳，低電平選中。存儲芯片和引腳接VDD，即不使用寫保護和數據保持功能。

圖3 嵌入式平臺W25Q128連接電路

1.4 CMSIS-DAP調試器

CMSIS-DAP調試器硬件電路如圖4 所示，電路核心為F103T8U6 微控制器，通過運行監控程序，模擬JTAG／SWD兩種調試協議，可實現一鍵下載，單步執行、連續運行等全部調試方式。監控程序還虛擬出一個USART串行接口，用于嵌入式平臺與上位機雙向數據通信。CMSIS-DAP調試器可實現嵌入式平臺下載、調試、通信、供電功能四合一，同時還具有開源、高速、免驅動等優點。

圖4 CMSIS-DAP調試器硬件電路

2 系統軟件設計

2.1 字庫生成與存儲

要實現中文顯示，需要對每種字體制作相應的中文字庫，并將字庫存儲于片外SPI Flash當中。

2.1.1 字庫生成

中文顯示系統采用GB2312 字符集，包括漢字、全角英文及部分特殊字符共8 178 個字符，每個字符均設置4 種字體，分別為12 ×12、16 ×16、24 ×24、32 ×32，要實現中文顯示第一步就需要制作不同字體的字庫文件。

用PCtoLCD2002 軟件制作宋體16 ×16 中文字庫設置界面如圖5 所示，字模選項設置為：陰碼、逆向、逐行式，對于不同驅動芯片掃描方式會有所差別。對于其他字號取模只需修改圖5 中紅色框線標出的字寬和字高數字即可。之后單擊工具欄“導入大量文本或一個文本文件生成字庫”按鈕，保持默認選項，單擊“生成國標漢字庫”，即可生成二進制字庫文件。依據上述方法，依次生成4 種字體所對應的字庫文件。

圖5 中文字庫制作界面

2.1.2 地址分配

制作生成的中文字庫相對于微控制器主存來說是海量數據，所以系統外擴了一片SPI接口的NOR Flash存儲器W25Q128，用于存儲中文字庫信息。

W25Q128 總容量為16 MB，存儲器的訪問單位分為塊、扇區和頁。因為擦除和寫入都是以扇區為單位進行的，所以只需了解整個存儲空間劃分為4 096 個扇區，每個扇區的大小為4 096 byte，由此可知存儲器的24 位地址的高12 位表示扇區號，低12 位表示扇區內的字節地址。NOR Flash 讀和寫都可以從任意地址開始，但是寫之前一定要確保要寫入單元原來是空白（0xFF），否則一定要先擦除再寫，而要擦除必須整個扇區擦除。

嵌入式平臺片外Flash 存儲器并不只有存儲字庫一個用途，往往是其增值功能。本文制作的4 種字體中文字庫所占空間接近2 MB，考慮到其他應用習慣于從0 地址開始對存儲器頻繁讀寫，例如嵌入式課程的SPI通信實驗，所以將字庫存儲于Flash 芯片的高8 MB空間，即從0x0080 0000 地址開始，同時為了擦除和讀寫方便，字庫存儲是按扇區對齊的，字庫所占空間和詳細地址分配信息如表1 所示。

表1 字庫地址分配表

2.1.3 字庫存儲

因為字庫文件數據量遠超微控制器的SRAM 容量，無法直接讀取并寫入外存，但可以將微控制器作為中轉站，在PC機和微控制器之間建立數據傳輸通道，PC機分批發送數據，微控制器循環接收實時寫入。由此可見，字庫存儲軟件設計分為上位機軟件開發和下位機程序設計兩部分［12-16］。

（1）上位機軟件設計。上位機軟件采用可視化編程工具開發，程序首先獲取PC 機可用串口并對其進行初始化。隨后等待下位機返回Flash 芯片初始化狀態，直至下位機準備就緒，加載字庫文件，向下位機發送包含起始地址和數據長度的傳輸啟動命令。依次將字庫文件以4096 B分塊發送，每塊數據發送完成之后插入軟件延時，以等待下位機完成數據接收和存儲操作。循環發送直至字庫數據傳輸完成，整個通信過程中實時顯示下位機接收和處理數據狀態。

（2）微控制器端程序設計。微控制器要實現串口接收上位機發來的字庫數據，并將其寫入W25Q128，首先就需要對USART和SPI接口進行初始化。

串口初始化界面如圖6（a）所示，選擇USART1，異步工作模式，波特率115.2 Kb／s，數據寬度8 位，1位停止位，無奇偶校驗位，同時打開串口接收中斷。

SPI接口初始化界面如圖6（b）所示，選擇SPI1，全雙工模式，Motorola幀格式，8位數據寬度，MSB先行，預分頻系數8，波特率10 Mb／s，時鐘極為高，時鐘相位為第2邊沿跳變，NSS信號類型為軟件設置。由于系統使用的是硬件SPI，經過上述初始化之后即可調用庫函數實現字節數據的接收和發送，但是對SPI 接口Flash 芯片W25Q128的讀寫還需要編寫驅動程序。

圖6 微控制器端初始化

微控制器完成初始化之后，串口處于數據接收狀態，當監聽到上位機發來數據傳輸準備命令時，從中獲取數據存儲起始地址、長度，將存儲字庫用到的扇區全部擦除，發送應答信息。上位機確認微控制器已準備就緒時，隨即啟動數據傳輸。微控制器每收到4096 B數據，進行一次W25Q128 寫入操作，即寫入一個扇區，同時復位緩沖區數據指針。當接收到全部數據時，計算最后一幀數據長度，并將其寫入最后一個扇區。

（3）存儲操作。由圖5 取模生成的4 個字庫文件，需要根據表1 確定的起始地址分別寫入SPI Flash存儲器，在產品量產時十分麻煩且容易出錯。為此通過編程語言將4 個字庫文件合并成一個總字庫，存儲效率大幅提升，數據共享也更為方便。合成字庫扇區對齊，中間填充空白字符，末尾以回車換行符結束。

通過CMSIS-DAP 調試器連接嵌入式平臺與PC機，下載微控制器端字庫存儲程序，復位運行。啟動可視化編程工具開發的上位機通信軟件W25Qxx串口下載助手，選擇芯片：W25Q128，輸入起始地址：0x0080 0000，打開合成的字庫文件，等待下位機初始化成功后，單擊發送文件按鈕，啟動文件傳輸，經過一段時間等待之后，字庫文件的傳輸和寫入工作便已完成。

2.2 主存儲器IAP

在應用編程（In Application Programming IAP）是用戶程序在運行過程中通過內部的I-Code 指令總線或D-Code數據總線訪問內置閃存模塊，既可以通過預留的通信接口對固件程序更新升級，又可將主存部分區域作為數據存儲區，實現批量數據快速訪問。

STM32F4 的主存儲器，用來存放代碼和數據常量，共分為12 個扇區，前4 個扇區為16 KB大小，扇區4 是64 KB大小，扇區5 ～11 是128 KB 大小，不同型號的微控制器其Flash 容量也有所不同，作者所設計的嵌入式平臺配備F407ZET6 微控制器，主存儲器容量為512 KB，擁有8 個扇區。

主存數據存儲區在設置時不能與代碼區重疊，否則將會造成程序錯亂，引發未知錯誤。保險的做法是將數據區設置在主存的最后一個扇區，即F407ZET6的扇區7，其地址范圍為：0x08060000 ～0x0807FFFF，共128 KB，使用時，4 種字體緩沖區僅占用整個扇區的低96 KB，詳細地址空間分配如表2 所示。

表2 主存緩沖區存儲空間分配表

由表2 可知，每種字體單個漢字所占的存儲空間除漢字本身的字模信息而外，均附加了2 B 的索引信息，用于存放該漢字的內碼。由于本設計在主存中緩沖中文字庫信息，字模數據是隨機存儲的，為確定字模信息對應的字符，以漢字內碼作為索引信息是簡單有效的，因為在所有計算機設備當中，漢字均以內碼存儲和傳遞的。

在主存儲器中緩沖存儲中文字庫信息，包含主存IAP寫入和IAP讀取兩方面操作。主存儲器寫入可以以字、半字、字節為單位進行寫入，字寫入速度最快，字節寫入最慢。由表2 可知，每種字體字模數據附加上索引信息之后長度已經不是4 的倍數呢，但仍是2 的倍數，所以字庫信息緩沖存儲時是以半字為單位進行寫入的。字庫在主存當中是環形緩沖的，由于NOR Flash只能在空白單元寫入，所以緩沖數據是依次寫入的，當緩沖區寫滿時需要從頭開始，但此時需要將整個扇區全部擦除再寫入。

主存儲器IAP讀取相對來說比較簡單，這也是主存的典型工作狀態，中文字庫在主存中是從某一地址依次存儲的，可以采用和寫入相對應的讀取方法，即一次讀取一個漢字結構體數據到SRAM 當中，然后再進行數據處理。本文采用的方法是將字庫的起始地址轉換為字庫結構體指針，然后使用結構體數組的形式訪問，時間復雜度和空間復雜度都是最小的，體現了C語言指針的強大和靈活。

2.3 顯示系統設計

要實現液晶顯示屏信息顯示，需要驅動TFT LCD，由于LCD是掛接在FSMC總線上的，所以第1 步就是LCD的FSMC初始化設置。

2.3.1 FSMC初始化設置

TFT LCD初始化界面如圖7 所法，所有需要配置的信息在圖中均使用紅色框線標出。首先設置Mode選項，配置NOR Flash／PSRAM／SRAM／ROM／LCD 4，即選擇Bank1.Sector4 連接TFT LCD，片選信號：NE4，存儲器類型：LCD Interface，LCD 的RS 信號：A6，數據寬度：16 位。隨后配置Configuration選項內容，選擇模式A分開設置讀寫時序控制液晶顯示屏，由于LCD讀取速度要比寫入速度慢得多，所以讀時序參數需要設置大一些，寫時序則可以小一些，參考設置如圖7 所示。上述參數設置對71.12 mm TFT LCD的常規驅動芯片ILI9341 來說可以保證其穩定運行，并留有足夠的裕量。

圖7 LCD的FSMC初始化設置界面

在STM32CubeMX中配置并自動生成FSMC 初始化代碼，定義LCD 結構體、確定基地址，編寫LCD 底層驅動程序；移植顯示屏廠家提供的基礎顯示和高層應用代碼，即可實現TFT LCD顯示控制。

2.3.2 主存緩沖中文顯示系統

在完成了系統總體規劃，字庫取模及片外存儲，主存IAP讀取和寫入，LCD初始化及驅動移植等各項工作之后，即可開展基于SPI 閃存和主存IAP 的嵌入式平臺中文顯示系統設計。

中英文混合顯示主程序流程如圖8（a）所示，函數入口參數為一字符串指針，讀取其指向的第1 個元素，如果其值大于等于0x80，則為中文字符，根據不同字號調用相應中文顯示函數，返回之后指針向下偏移2位；否則為英文字符，調用英文顯示函數，返回之后指針下移1 位，如此往復直至整個字符串顯示完成。

中文字符顯示函數流程如圖8（b）所示，進入函數首先計算主存緩沖區已存漢字數量，從字庫首地址開始，以字庫結構體長度為步長，依次向后尋找直至主存空白（連續兩個字節為0xFF）結束，即可統計出已存漢字個數，統計程序僅執行一次。

圖8 中英混合顯示流程

在主存字庫存儲區依次比對顯示漢字內碼，若成功則讀取主存字模數據，完成漢字顯示。若顯示漢字不在主存緩沖區當中，需要訪問外存讀取字模信息，GB2312 字符集是一種區位碼，分為94 個區，每區94個字符，每個字符的區號和位號加上0xA1，即為漢字內碼。在制作國標字庫時是按區位號依次存放的，所以將內碼還原為區位號，然后區號乘以94，加上位號，即為該漢字在字庫的中的偏移量，由此計算出顯示漢字在W25Q128 中的絕對地址，從中讀出字模數據，完成漢字顯示。將漢字內碼作為索引信息添加到字模數據的前面，一并寫入主存已有字庫的末尾，實現該漢字的字庫緩沖存儲。

由于主存NOR Flash是非易失性的隨機訪問存儲器，且緩沖區設置較大，多數情況下是一次緩沖，始終受益的，程序員在進行系統開發時也無需關心字庫的具體存儲位置，項目設計最終為嵌入式工程師提供了高速、透明的中文顯示平臺。

3 系統運行測試

為檢驗電路功能和觀察運行效果，依據系統設計成果，完成樣品生產、組裝和測試工作。

3.1 接口性能測試

分別使用FSMC總線、GPIO并口連接TFT LCD顯示模塊，運行測試程序，使用STM32 定時器記錄LCD刷新整個屏幕時間。GPIO并口連接時需要54.62 ms，而FSMC接口僅為3.54 ms，速度提升14.4 倍。

3.2 主存緩沖測試

通過串口傳輸并寫入字庫至W25Q128，擦除主存最后一個扇區，運行基于SPI 閃存和主存IAP 的嵌入式平臺中文顯示系統。調用通用顯示函數，輸出16 號漢字“黃克亞”，通過調試器查看主存，初次顯示時，系統已將字模信息寫入主存，結果如圖9 所示。當再次輸出相同字號漢字，即使打亂輸出順序，依然可以成功顯示，且主存緩沖數據沒有變化，表明顯示程序實現既定功能。

圖9 主存緩沖存儲觀察窗口

3.3 中文顯示速度測試

編寫測試程序在TFT LCD全屏顯示24 ×24 中文漢字，通過定時器記錄顯示程序運行時間，字庫片外存儲時需要128.69 ms，字庫主存緩沖時需要16.28 ms，當系統不進行大量中文信息顯示時，在系統調試階段已完成常用漢字主存緩沖存儲，使用論文設計方法，可使中文顯示速度提升6.9 倍。

3.4 系綜綜合測試

設計一個綜合實例，系統主程序是一個電子萬年歷，實時采集現場溫度、濕度、光照等環境信息，合并實驗裝置設計信息顯示于TFT LCD顯示屏上，同時將當前時間高亮顯示于數碼管，便于遠距離觀看，測試結果如圖10 所示。

圖10 實驗裝置綜合測試圖

測試結果表明，基于SPI 閃存和主存IAP 的嵌入式平臺中文顯示系統各項顯示功能均很好完成，刷新速度快，畫面清晰流暢，系統穩定可靠，項目設計達到了預期目標。

4 結 語

本文設計了一款嵌入式平臺通用中文顯示系統。硬件上將TFT LCD 顯示模塊通過FSMC 接口連接至內部高速AHB 總線；通過SPI 接口擴展了一片NOR Flash存儲器W25Q128；CMSIS-DAP 調試器可實現嵌入式平臺下載、調試、通信、供電功能四合一。系統軟件設計工作是分階段完成的，第一階段工作是對4 種字體國標漢字取模，合成單個字庫文件，通過串口分塊發送至微控制器，以扇區為單位寫入SPI 閃存。第二階段工作是編寫通用顯示函數，如果字模數據已緩存則主存IAP 讀取顯示，否則SPI 讀取外存字模數據，LCD顯示并主存IAP緩沖寫入。測試表明，嵌入式平臺可實現全部中文顯示，顯示效果清晰流暢；LCD 刷新速度較GPIO并口連接提升14.4 倍，中文顯示速度較SPI Flash 存儲方式提高6.9 倍；主存IAP 一次緩沖，始終受益，顯示系統對程序員來說是透明的，通用性強，可移植性好。