STM32CubeMX | 32-使用硬件FMC驱动TFT-LCD屏幕（MCU屏）

本篇详细的记录了如何使用STM32CubeMX配置 STM32F767IGT6 的硬件FMC外设驱动TFT-LCD屏幕。

1. 准备工作

硬件准备

• 开发板
  首先需要准备一个开发板，这里我准备的是STM32F767IGT6的核心板+底板。

• TFT-LCD
  开发板底板接正点原子4.3寸TFT-LCD。

2. STM32 FMC外设概述

2.1. 什么是FMC

FMC全称Flexible Memory Controller，灵活的内存控制器，顾名思义，其主要作用是：负责向外部扩展的存储类设备提供控制信号。

FMC内存控制器支持的存储设备有：

• Nor Flash、SRAM、PSRAM
• Nand Flash
• SDRAM
• 网卡DM9000（类存储设备）

此外，FMC外设还可以通过配置与LCD控制器连接，它提供Intel 8080并口模式和Motorola 6080并口模式，并且可以灵活的配置为指定的LCD接口类型。

2.2. FMC外设的功能框图

2.3. 外部设备的地址映射（重点）

从FMC的角度来看，外部的存储设备被分为几个固定大小的Bank，每个bank 256 MB。

整个FMC外设映射地址的划分如图：

2.3.1. Bank1

BANK1子分区配置

Bank1的地址空间为：0x6000 0000 - 0x6FFF FFFF，支持外接Nor Flash、PSRAM、SRAM等设备，还可以外接DM9000等类存储设备。

整个Bank1的地址空间被划分为四个子bank，每个子bank的大小为64MB，刚好对应FMC外设的地址总线（FMC_A[0:25]）有26条（2^26=64MB）。

FMC还有两条内部总线ADDR[27:26]，用这两路控制片选信号，如下表：

综合一下如下表：

BANK1控制时序模型

接下来讲述BANK1控制外部存储器的时序模式，BANK1又称为Nor Flash/SRAM/PSRAM控制器，后续暂且叫它SRAM控制器。

SRAM控制器支持两种控制模式：

• 同步模式
• 异步模式

对于异步模式，FMC主要设置三个时序参数：

• 地址建立时间：ADDSET
• 数据建立时间：DATASET
• 地址保持时间：ADDHLD

根据SRAM、PSRAM、Nor Flash的综合特点，FMC定义了四种不同的异步时序模型，如下表：

本文中控制TFT-LCD使用的就是异步ModeA时序模型。

异步ModeA时序模型

模式A时序模型的优势在于：支持独立的读写时序控制。这一点对于控制TFT-LCD来说，非常符合。因为TFT-LCD在读的时候，一般比较慢，而在写入的时候一般比较快。

模式A的读操作时序如图：

模式A的写操作时序如图：

图中ADDSET和DATASET两个时序的值，后续配置的时候会详细讲述。

2.3.2. Bank3

只能外接Nand Flash设备。

2.3.3. SDRAM Bank

只能外接SDRAM设备。

3. 使用STM32CubeMX生成工程

选择芯片型号

打开STM32CubeMX，打开MCU选择器：

搜索并选中芯片STM32F767IGT6:

配置时钟源

• 如果选择使用外部高速时钟（HSE），则需要在System Core中配置RCC；
• 如果使用默认内部时钟（HSI），这一步可以略过；

这里我都使用外部时钟：

配置串口

开发板板载了一个CH340换串口，连接到USART1，但是引脚不是默认引脚，需要手动修改。

接下来开始配置USART1并修改引脚：

配置FMC外设

本文所使用的开发板中，将TFT-LCD当做SRAM来操作，连接在FMC的BANK1的第一个区域。
知识点：为什么TFT-LCD可以当做SRAM来控制？
因为TFT-LCD和SRAM相比，同样需要D0-D15数据线，WR、RD、CS控制线，唯一不同的就是TFT-LCD需要一条RS信号线（用于控制传输的是命令还是数据），而SRAM则需要一堆地址线，所以可以巧妙的使用任意一条地址线来当做RS信号。

FMC接口基本配置

开发板上TFT-LCD接口如图：

该接口的原理图如下：

通过原理图可以看出：

• LCD D0-D15：使用了16bit：FMC D0 - FMC D15；
• LCD_RS：使用FMC A18来控制向LCD写入数据还是命令（0-命令，1-数据）；
• LCD_BL：背光控制，对应PB5；
• LCD_CS：LCD片选信号，对应PD7，FMC_NE1；
• LCD_WR ：LCD写使能，对应PD5，FMC_NWE；
• LCD_RD：LCD读使能，对应PD4，FMC_NOE；
• RESET：LCD复位信号，直接与单片机复位信号接在一起；

根据这些信息，在STM32CubeMX中先配置BANK1第一个分区的基本设置：

SRAM时序参数配置

本文中使用的LCD控制器为NT35510控制器，找到其数据手册，查看：

其中主要的时序参数配置方法如下。

读时序配置

① HCLK

时序参数都是以HCLK的周期为单位的，在本文中HCLK=216Mhz，所以一个周期为4.63ns。

② 地址建立时间：Address setup time（ADDSET）

该时序的最大值的15个HCLK，从图中可以看出，NT35110控制器要求读的时候最小为10ns，,所以设为3即可，3x4.63=13.89ns。

③ 数据持续时间：Data setup time(DATASET)

读时序比较慢，该时序的最大值为255个HCLK，从图中可以看出，NT35510控制器要求的数据建立时间最小为15ns，但因为读时序比较慢，所以设为5，5x4.63=23.15ns。

写时序配置

① HCLK

时序参数都是以HCLK的周期为单位的，在本文中HCLK=216Mhz，所以一个周期为4.63ns。

② 地址建立时间：Address setup time（ADDSET）

该时序的最大值为15个HCLK，NT35110控制器要求写的时候最小为0，,所以设为0即可。

③ 数据持续时间：Data setup time(DATASET)

写时序比较快，该时序的最大值为255个HCLK，图中可以看出，NT35510控制器要求的数据建立时间最小为15ns，所以设为4，4x4.63=18.52ns。

综合上述计算，配置如下：

配置额外的GPIO

在查看TFT-LCD原理图的时候，除了与FMC外设相连的引脚外，还有一些其它的控制引脚，比如LCD背光控制：

配置时钟树

STM32F767IG的最高主频到216M，使HCLK = 216Mhz即可：

生成工程设置

代码生成设置

最后设置生成独立的初始化文件：

生成代码

点击GENERATE CODE即可生成MDK-V5工程：

4. 编写TFT-LCD驱动（测试是否可以正常读写ID）

封装底层发送/读取函数

LCD的底层无非就是两个API：发送命令、发送数据，（有的还需要从屏幕读取数据），读取接下来使用FMC外设的 HAL 库API，封装出这两个底层API。

之前查看原理图的时候，表示命令或者数据的LCD_RS控制引脚接在FMC_A18上，也就是说地址数据的第18位，所以在头文件lcd-fmc.h中先定义如下的数据类型：

typedef struct lcd_fmc_address_st {
    uint16_t lcd_reg;
    uint16_t lcd_ram;
} lcd_fmc_address_t;

然后定义一个全局变量指针指向LCD的操作地址，巧妙的让硬件控制所有信号：

/*
    作用：
    - 操作 LCD->lcd_reg 地址处的数据，则FMC外设发出信号时，A18=0，即LCD_RS=0
    - 操作 LCD->lcd_ram 地址处的数据，则FMC外设发出信号时，A18=1，即LCD_RS=1
*/
#define LCD_BASE    ((uint32_t)(0x60000000 | 0x0007FFFE))
#define LCD         ((lcd_fmc_address_t*)LCD_BASE)

接着开始封装两个（三个）底层操作函数：

① 发送命令函数：

static void lcd_write_cmd(volatile uint16_t cmd)
{
    cmd = cmd;      //make compiler happy
    LCD->lcd_reg = cmd;
}

② 发送数据函数：

static void lcd_write_data(volatile uint16_t data)
{
    data = data;    //make compiler happy
    LCD->lcd_ram = data;
}

③ 读取数据函数：

static uint16_t lcd_read_data(void)
{
    volatile uint16_t data;
    
    data = LCD->lcd_ram;
    
    return data;
}

基于这三个底层API，还可以封装出读写LCD内部寄存器的函数，为了减少一层函数栈调用，我们不调用之前封装的函数，直接操作：

static void lcd_write_reg(uint16_t reg, uint16_t data)
{
    LCD->lcd_reg = reg;
    LCD->lcd_ram = data;
}

static uint16_t lcd_read_reg(uint16_t reg)
{
    uint16_t data;
    
    LCD->lcd_reg = reg;
    HAL_Delay(1);
    data = LCD->lcd_ram;
    
    return data;
}

MPU配置函数

首先在头文件lcd_fmc.h中定义MPU保护参数：

/* LCD MPU保护参数 */
#define LCD_REGION_NUMBER		MPU_REGION_NUMBER0		//LCD使用region0
#define LCD_ADDRESS_START		(0X60000000)			//LCD区的首地址
#define LCD_REGION_SIZE			MPU_REGION_SIZE_256MB   //LCD区大小

然后在lcd_fmc.c中编写MPU配置函数：

static void lcd_mpu_config(void)
{	
	MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;

    /* 配置之前先关闭MPU */
	HAL_MPU_Disable();
    
	/* 配置MPU */
	MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_Initure.Number=LCD_REGION_NUMBER;
	MPU_Initure.BaseAddress=LCD_ADDRESS_START;
	MPU_Initure.Size=LCD_REGION_SIZE;
	MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00;
	MPU_Initure.TypeExtField=MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_Initure.AccessPermission=MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_Initure.DisableExec=MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
	MPU_Initure.IsShareable=MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
	MPU_Initure.IsCacheable=MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
	MPU_Initure.IsBufferable=MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);
    
    /* 开启MPU */
	HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

LCD控制参数结构体

为了方便驱动不同的IC，保存不同的控制参数，在lcd_fmc.h中封装如下数据类型：

/**
 * @brief    保存LCD屏幕参数
 * @param    lcd_width     LCD屏幕宽度
 * @param    lcd_height    LCD屏幕高度
 * @param    lcd_id        LCD 驱动IC ID
 * @param    lcd_direction LCD横屏显示还是竖屏显示，0-竖屏，1-横屏
 * @param    wram_cmd      开始写gram指令
 * @param    set_x_cmd     设置x坐标指令
 * @param    set_y_cmd     设置y坐标指令
*/
typedef struct lcd_params_st {
    uint16_t lcd_width;
    uint16_t lcd_height;
    uint16_t lcd_id;
    uint8_t  lcd_direction;
    uint16_t wram_cmd;
    uint16_t set_x_cmd;
    uint16_t set_y_cmd;
} lcd_params_t;

然后在头文件中声明外部变量定义，方便其他程序访问：

extern lcd_params_t lcd_params;

在lcd_fmc.c中定义此变量为全局变量：

lcd_params_t lcd_params;

LCD驱动打印日志的处理

为了方便程序开发，难免要打印一些日志，但是如果printf没有被重定向，则会导致LCD驱动卡死。为了避免这个问题，我们使用宏开关的方式来控制是否打印。

在lcd_fmc.h中定义此宏开关：

/* 使能此驱动是否打印调试日志（需要printf支持） */
#define LCD_LOG_ENABLE          1

接着可以定义一个日志打印函数：

#if LCD_LOG_ENABLE
#include <stdio.h>
#define LCD_LOG printf
#else
#define LCD_LOG(format,...)
#endif

之后所以需要打印的地方使用LCD_LOG代替printf即可。

编写LCD控制器ID读取函数

通过主动读取此控制器ID，可以自动检测出是哪种类型的控制器，然后执行不同的驱动代码：

static int lcd_read_id(void)
{
    /* 尝试执行ILI9341控制器ID的读取流程 */
    lcd_write_cmd(0XD3);				   
	lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();
	lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();
	lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();				   
	lcd_params.lcd_id <<= 8;
	lcd_params.lcd_id |= lcd_read_data();
    /* 如果正常读到，则返回成功 */
    if (lcd_params.lcd_id == 0x9341) {
        return 0;
    }
    
    /* 尝试执行NT35310控制器ID的读取流程 */
    lcd_write_cmd(0XD4);				   
    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();
    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();
    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();
    lcd_params.lcd_id <<= 8;	 
    lcd_params.lcd_id |= lcd_read_data();
    /* 如果正常读到，则返回成功 */
    if (lcd_params.lcd_id == 0x5310) {
        return 0;
    }
    
    /* 尝试执行NT35510控制器ID的读取流程 */
    lcd_write_cmd(0XDA00);	
    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();
    lcd_write_cmd(0XDB00);	
    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();
    lcd_params.lcd_id <<= 8;	 
    lcd_write_cmd(0XDC00);	
    lcd_params.lcd_id |= lcd_read_data();
    /* 如果正常读到，则返回成功 */
    if (lcd_params.lcd_id == 0x8000) {
        lcd_params.lcd_id = 0x5510;
        return 0;
    }
   
    /* 驱动IC不支持 */
    lcd_params.lcd_id = 0;
    return -1;
}

编写LCD初始化函数

LCD初始化需要发送大量的命令和数据，本文限于篇幅，只给出读LCD 控制IC的ID的部分，用来测试LCD是否能正常读写足矣。

void lcd_init(void)
{ 	
    /* 初始化FMC接口 */
    MX_FMC_Init();
    
    /* 开启背光 */
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_BL_GPIO_Port, LCD_BL_Pin, GPIO_PIN_SET);
    
    /* 配置MPU */
    lcd_mpu_config();
	
 	HAL_Delay(50); 
	
 	/* 读取LCD控制器IC */
    if (lcd_read_id() == -1) {
        LCD_LOG("Not Support LCD IC!\r\n");
        return;
    } else {
        LCD_LOG("LCD IC ID is:%#x\r\n", lcd_params.lcd_id);  
    }
	
	return;
}

在lcd_fmc.h中声明该函数：

void lcd_init(void);

测试是否可以正常操作LCD

在main.c中包含进来头文件：

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include "lcd_fmc.h"
/* USER CODE END Includes */

然后在man函数中调用：

/* USER CODE BEGIN 2 */
printf("4.3' TFT-LCD Driver Test By Mculover666\r\n");
lcd_init();
/* USER CODE END 2 */

编译，下载，在串口助手中查看结果：

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