4、SPI与并行接口详解：SPI协议时序、4线/3线SPI驱动LCD、8080并行接口驱动、DMA加速传输

好，咱们今天来聊聊LCD驱动里最核心的两个接口——SPI和8080并行接口。说实话，这两个接口我几乎每天都在打交道。你想想看，不管是小尺寸的OLED屏，还是大尺寸的TFT彩屏，总得有个方式让单片机把数据送过去。SPI省引脚，并行接口快，各有各的脾气。

我个人习惯是：128x64以下的单色屏，用SPI就够了；320x240以上的彩色屏，必须上8080并行接口，否则刷新率会让你崩溃。嗯，这里要注意，选错了接口方案，后面调试起来真的很痛苦。

4.1 SPI协议时序——看似简单，坑不少

SPI，全称Serial Peripheral Interface，说白了就是四根线搞定通信。哪四根？SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。驱动LCD时，我们一般只用三根——因为LCD只需要接收数据，不需要回传，所以MISO可以省掉。

时序上，SPI有四种模式，由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）决定。我刚开始学的时候，总觉得这俩参数很抽象。后来我总结了一个笨办法：

  • CPOL=0：空闲时时钟是低电平
  • CPOL=1：空闲时时钟是高电平
  • CPHA=0：在时钟的第一个边沿采样数据
  • CPHA=1：在时钟的第二个边沿采样数据

驱动LCD时，绝大多数芯片用的是模式0（CPOL=0, CPHA=0）或模式3（CPOL=1, CPHA=1）。为什么？因为这两种模式都是在时钟的上升沿采样，下降沿变化，时序上最干净。

避坑指南：我曾经在一个项目里，ST7735S的LCD死活不显示。查了两天，最后发现是SPI模式配错了。芯片手册上写的是“Data is latched on the rising edge of SCLK”，我配成了模式1（上升沿变化，下降沿采样）。嗯，从此以后，我拿到任何LCD芯片，第一件事就是翻时序图，确认采样边沿。

4.2 4线SPI与3线SPI驱动LCD

先说说4线SPI。这里的“4线”指的是：CS、SCLK、MOSI、DC（数据/命令选择线）。DC线是LCD驱动特有的，用来区分发送的是命令还是数据。DC=0时发命令，DC=1时发数据。

代码示例（STM32 HAL库）：

// 4线SPI写命令
void LCD_WriteCmd(uint8_t cmd) {
    LCD_DC_LOW();   // DC拉低，表示命令
    LCD_CS_LOW();   // 片选使能
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, 100);
    LCD_CS_HIGH();  // 片选释放
}

// 4线SPI写数据
void LCD_WriteData(uint8_t data) {
    LCD_DC_HIGH();  // DC拉高，表示数据
    LCD_CS_LOW();
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &data, 1, 100);
    LCD_CS_HIGH();
}

那3线SPI呢？说白了就是把DC线省掉，通过协议来区分命令和数据。怎么区分？在发送每个字节之前，先发一个额外的bit：0表示命令，1表示数据。这样，原本8bit的数据变成了9bit传输。

我个人不太喜欢3线SPI，为什么？因为很多单片机的SPI硬件不支持9bit模式，你得用软件模拟，速度一下就掉下来了。我建议：只要引脚够用，就用4线SPI，别给自己找麻烦。

小技巧：如果你非要用3线SPI，可以用SPI的8bit模式配合一个额外的GPIO来模拟第9位。具体做法是：先发一个字节（高7位为0，最低位表示命令/数据），再发真正的数据字节。虽然效率低一点，但至少不用改硬件。

4.3 8080并行接口驱动——速度的王者

8080接口，也叫Intel Bus，是驱动彩色LCD最常用的并行接口。它需要多少根线？最少16根数据线（8位或16位），加上WR（写使能）、RD（读使能）、CS（片选）、DC（命令/数据选择）、RESET（复位）。

你想想看，SPI一次只能传1bit，8080一次能传8bit或16bit。同样是16MHz的时钟，SPI的吞吐量是2MB/s，而8080接口可以达到32MB/s以上。这就是为什么大尺寸彩屏必须用8080接口。

时序上，8080接口其实很简单：

  • 拉低CS，选中芯片
  • 设置DC电平（命令或数据）
  • 把数据放到数据线上
  • 拉低WR，产生一个写脉冲
  • 拉高WR，数据被锁存

代码示例（GPIO模拟8080时序）：

// 8080接口写数据（16位）
void LCD_WriteData16(uint16_t data) {
    LCD_CS_LOW();
    LCD_DC_HIGH();  // 数据模式
    
    // 数据线赋值
    GPIO->ODR = (GPIO->ODR & 0xFFFF0000) | data;
    
    // 产生写脉冲
    LCD_WR_LOW();
    // 这里需要几个nop延时，根据LCD芯片速度调整
    __NOP(); __NOP();
    LCD_WR_HIGH();
    
    LCD_CS_HIGH();
}

注意：8080接口的时序对延时很敏感。我曾经遇到过一个问题：WR低电平保持时间不够，导致数据写不进去。后来用示波器一量，发现低电平只有10ns，而芯片要求至少20ns。加两个NOP指令就解决了。所以，如果你发现LCD显示花屏或颜色不对，先查WR脉冲宽度。

4.4 DMA加速传输——让CPU喘口气

好了，前面讲的都是怎么把数据发出去。但你想过没有，如果每次发数据都要CPU亲自操作，那CPU啥也别干了。尤其是刷全屏的时候，320x240的屏幕，16位色，一帧就是153600字节。用SPI发，就算2MB/s的速度，也要70多ms。这期间CPU一直在等SPI传输完成。

DMA（Direct Memory Access）就是来解决这个问题的。它可以让数据在内存和外设之间直接传输，不需要CPU干预。你只需要告诉DMA：数据从哪里来，要发到哪里去，发多少字节。然后DMA自己搞定，发完了给你一个中断。

代码示例（STM32 SPI + DMA发送）：

// 使用DMA发送一帧数据
void LCD_DrawFrame(uint16_t *frameBuffer) {
    // 先设置窗口，准备刷屏
    LCD_SetWindow(0, 0, 239, 319);
    
    // 启动DMA传输
    // 源地址：frameBuffer，目标地址：SPI数据寄存器
    // 传输长度：320*240 = 76800个半字（16位）
    HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, (uint8_t *)frameBuffer, 320*240*2);
    
    // CPU可以去做其他事情了
    // DMA传输完成后，会调用回调函数
}

// DMA传输完成回调
void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    if(hspi->Instance == SPI1) {
        // 刷屏完成，可以更新下一帧或做其他处理
        frameReady = 1;
    }
}

用了DMA之后，刷一帧的时间从70ms降到了不到20ms（假设SPI时钟18MHz）。而且这20ms里，CPU几乎不参与，可以处理触摸、传感器、通信等任务。

我的经验：DMA虽然好，但有个坑——缓存一致性问题。有些单片机（比如STM32F4）有Cache，DMA直接访问内存，而CPU可能还在Cache里操作数据。结果就是DMA发出去的是旧数据。解决办法很简单：在启动DMA之前，调用SCB_CleanDCache()刷新Cache。我因为这个bug调了整整一个下午，最后发现是Cache没刷。

4.5 接口选型建议

最后，我根据实际项目经验，给一个接口选型的参考表：

屏幕类型 推荐接口 引脚数 最大刷新率 适用场景
128x64 单色OLED 3线/4线SPI 4-5 30fps 手表、小仪表盘
160x128 彩屏 4线SPI 5 25fps MP3播放器、遥控器
320x240 彩屏 8080 8位 12 40fps 智能家居面板
480x320 彩屏 8080 16位 20 55fps 手持设备、工控屏
800x480 以上 RGB/MIPI 24+ 60fps HMI、车载

嗯，总结一下：SPI省引脚，适合小屏；8080接口速度快，适合中大屏；DMA是必须的，否则CPU会被刷屏任务拖死。下一章我们会讲LVGL的移植和配置，到时候这些接口知识都会用上。

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