基于SPI闪存和主存IAP的嵌入式平台中文显示系统设计

黄克亚， 陈 良

（苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215131）

0 引 言

中文显示是嵌入式系统的普遍需求，可实现界面友好，系统易用性大幅提升。实现中文显示存在两条技术路线，一种方法是将汉字字模数据定义为常量数组，存储于系统主存储器当中，显示时直接访问主存，速度很快，但仅可存储个别汉字，需要手动取模，通用性较差；另一种方法是将所有汉字包含全角英文字符，取字模后存储于外部存储器当中，显示时先访问外存获取字模数据再调入内存完成显示，系统通用性强，可实现任意汉字以及部分特殊字符显示，但显示速度较慢，对嵌入式系统实时性有一定的影响［1-2］。

因为嵌入式系统需要显示的汉字是有限且相对固定的，本文将上述两种技术方法组合在一起，设计了一通用嵌入式平台中文显示系统，在外部SPI（Serial Peripheral Interface）接口Flash 存储器上存储中文字库，在片内利用IAP（In Application Programming）技术缓冲存储常用汉字字模数据，取长补短，兼顾系统通用性和快速性，且中文显示平台对用户和程序员来说是完全透明的［3-6］。

1 系统硬件设计

1.1 系统结构

嵌入式系统中文显示平台硬件结构如图1 所示，主控芯片选择基于ARM Cortex-M4 内核的性能强劲的STM32F407ZET6 微控制器，168 MHz 主频，512 KB 片内Flash ROM，完备的FSMC 接口，更快的USART 和SPI通信速度。使用灵活静态存储控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）连接数码显示器和TFT LCD两个显示设备，CPU 引脚资源利用率高，访问速度快。使用SPI接口连接片外Flash ROM存储器W25Q128。板载CMSIS-DAP 调试器支持JTAG／SWD两种调试方式，同时还具有串口通信功能。

图1 嵌入式平台硬件结构

1.2 显示设备

嵌入式平台显示系统硬件连接如图2 所示，系统配备双显示终端，数码显示器为6 位共阳数码管，PNP三极管驱动，74HC573D 锁存；液晶显示器为71.12 mm（2.8 in）全彩TFT LCD 显示模块，240 ×320 像素，ILI9341 驱动，16 位8080 并行接口。设计时使用FSMC总线的存储块1 子区4 连接TFT LCD，FSMC接口与LCD数据、控制信号直接相连，由FSMC 控制器产生LCD的8080 控制时序。数码显示器通过锁存器与LCD复用数据线，FSMC 总线的存储块1 子区3 片选信号反相后作为数码显示器的选通信号［7-11］。

图2 嵌入式平台显示设备连接电路

1.3 外部存储器

Flash结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电可擦编程只读存储器（E2PROM）的功能，还可以快速读取数据，具有非易失性随机访问存储器的优势。为存储字库数据，实验平台扩展了一片容量为128 Mbit 的NOR Flash 存储芯片W25Q128，连接至微控制器的SPI1 接口，硬件电路如图3 所示。W25Q128 芯片的DO、DI、CLK 引脚分别接至微控制器的SPI1＿MISO、SPI1＿MOSI、SPI1＿SCK。微控制器的PB14 引脚连接存储器的引脚，低电平选中。存储芯片和引脚接VDD，即不使用写保护和数据保持功能。

图3 嵌入式平台W25Q128连接电路

1.4 CMSIS-DAP调试器

CMSIS-DAP调试器硬件电路如图4 所示，电路核心为F103T8U6 微控制器，通过运行监控程序，模拟JTAG／SWD两种调试协议，可实现一键下载，单步执行、连续运行等全部调试方式。监控程序还虚拟出一个USART串行接口，用于嵌入式平台与上位机双向数据通信。CMSIS-DAP调试器可实现嵌入式平台下载、调试、通信、供电功能四合一，同时还具有开源、高速、免驱动等优点。

图4 CMSIS-DAP调试器硬件电路

2 系统软件设计

2.1 字库生成与存储

要实现中文显示，需要对每种字体制作相应的中文字库，并将字库存储于片外SPI Flash当中。

2.1.1 字库生成

中文显示系统采用GB2312 字符集，包括汉字、全角英文及部分特殊字符共8 178 个字符，每个字符均设置4 种字体，分别为12 ×12、16 ×16、24 ×24、32 ×32，要实现中文显示第一步就需要制作不同字体的字库文件。

用PCtoLCD2002 软件制作宋体16 ×16 中文字库设置界面如图5 所示，字模选项设置为：阴码、逆向、逐行式，对于不同驱动芯片扫描方式会有所差别。对于其他字号取模只需修改图5 中红色框线标出的字宽和字高数字即可。之后单击工具栏“导入大量文本或一个文本文件生成字库”按钮，保持默认选项，单击“生成国标汉字库”，即可生成二进制字库文件。依据上述方法，依次生成4 种字体所对应的字库文件。

图5 中文字库制作界面

2.1.2 地址分配

制作生成的中文字库相对于微控制器主存来说是海量数据，所以系统外扩了一片SPI接口的NOR Flash存储器W25Q128，用于存储中文字库信息。

W25Q128 总容量为16 MB，存储器的访问单位分为块、扇区和页。因为擦除和写入都是以扇区为单位进行的，所以只需了解整个存储空间划分为4 096 个扇区，每个扇区的大小为4 096 byte，由此可知存储器的24 位地址的高12 位表示扇区号，低12 位表示扇区内的字节地址。NOR Flash 读和写都可以从任意地址开始，但是写之前一定要确保要写入单元原来是空白（0xFF），否则一定要先擦除再写，而要擦除必须整个扇区擦除。

嵌入式平台片外Flash 存储器并不只有存储字库一个用途，往往是其增值功能。本文制作的4 种字体中文字库所占空间接近2 MB，考虑到其他应用习惯于从0 地址开始对存储器频繁读写，例如嵌入式课程的SPI通信实验，所以将字库存储于Flash 芯片的高8 MB空间，即从0x0080 0000 地址开始，同时为了擦除和读写方便，字库存储是按扇区对齐的，字库所占空间和详细地址分配信息如表1 所示。

表1 字库地址分配表

2.1.3 字库存储

因为字库文件数据量远超微控制器的SRAM 容量，无法直接读取并写入外存，但可以将微控制器作为中转站，在PC机和微控制器之间建立数据传输通道，PC机分批发送数据，微控制器循环接收实时写入。由此可见，字库存储软件设计分为上位机软件开发和下位机程序设计两部分［12-16］。

（1）上位机软件设计。上位机软件采用可视化编程工具开发，程序首先获取PC 机可用串口并对其进行初始化。随后等待下位机返回Flash 芯片初始化状态，直至下位机准备就绪，加载字库文件，向下位机发送包含起始地址和数据长度的传输启动命令。依次将字库文件以4096 B分块发送，每块数据发送完成之后插入软件延时，以等待下位机完成数据接收和存储操作。循环发送直至字库数据传输完成，整个通信过程中实时显示下位机接收和处理数据状态。

（2）微控制器端程序设计。微控制器要实现串口接收上位机发来的字库数据，并将其写入W25Q128，首先就需要对USART和SPI接口进行初始化。

串口初始化界面如图6（a）所示，选择USART1，异步工作模式，波特率115.2 Kb／s，数据宽度8 位，1位停止位，无奇偶校验位，同时打开串口接收中断。

SPI接口初始化界面如图6（b）所示，选择SPI1，全双工模式，Motorola帧格式，8位数据宽度，MSB先行，预分频系数8，波特率10 Mb／s，时钟极为高，时钟相位为第2边沿跳变，NSS信号类型为软件设置。由于系统使用的是硬件SPI，经过上述初始化之后即可调用库函数实现字节数据的接收和发送，但是对SPI 接口Flash 芯片W25Q128的读写还需要编写驱动程序。

图6 微控制器端初始化

微控制器完成初始化之后，串口处于数据接收状态，当监听到上位机发来数据传输准备命令时，从中获取数据存储起始地址、长度，将存储字库用到的扇区全部擦除，发送应答信息。上位机确认微控制器已准备就绪时，随即启动数据传输。微控制器每收到4096 B数据，进行一次W25Q128 写入操作，即写入一个扇区，同时复位缓冲区数据指针。当接收到全部数据时，计算最后一帧数据长度，并将其写入最后一个扇区。

（3）存储操作。由图5 取模生成的4 个字库文件，需要根据表1 确定的起始地址分别写入SPI Flash存储器，在产品量产时十分麻烦且容易出错。为此通过编程语言将4 个字库文件合并成一个总字库，存储效率大幅提升，数据共享也更为方便。合成字库扇区对齐，中间填充空白字符，末尾以回车换行符结束。

通过CMSIS-DAP 调试器连接嵌入式平台与PC机，下载微控制器端字库存储程序，复位运行。启动可视化编程工具开发的上位机通信软件W25Qxx串口下载助手，选择芯片：W25Q128，输入起始地址：0x0080 0000，打开合成的字库文件，等待下位机初始化成功后，单击发送文件按钮，启动文件传输，经过一段时间等待之后，字库文件的传输和写入工作便已完成。

2.2 主存储器IAP

在应用编程（In Application Programming IAP）是用户程序在运行过程中通过内部的I-Code 指令总线或D-Code数据总线访问内置闪存模块，既可以通过预留的通信接口对固件程序更新升级，又可将主存部分区域作为数据存储区，实现批量数据快速访问。

STM32F4 的主存储器，用来存放代码和数据常量，共分为12 个扇区，前4 个扇区为16 KB大小，扇区4 是64 KB大小，扇区5 ～11 是128 KB 大小，不同型号的微控制器其Flash 容量也有所不同，作者所设计的嵌入式平台配备F407ZET6 微控制器，主存储器容量为512 KB，拥有8 个扇区。

主存数据存储区在设置时不能与代码区重叠，否则将会造成程序错乱，引发未知错误。保险的做法是将数据区设置在主存的最后一个扇区，即F407ZET6的扇区7，其地址范围为：0x08060000 ～0x0807FFFF，共128 KB，使用时，4 种字体缓冲区仅占用整个扇区的低96 KB，详细地址空间分配如表2 所示。

表2 主存缓冲区存储空间分配表

由表2 可知，每种字体单个汉字所占的存储空间除汉字本身的字模信息而外，均附加了2 B 的索引信息，用于存放该汉字的内码。由于本设计在主存中缓冲中文字库信息，字模数据是随机存储的，为确定字模信息对应的字符，以汉字内码作为索引信息是简单有效的，因为在所有计算机设备当中，汉字均以内码存储和传递的。

在主存储器中缓冲存储中文字库信息，包含主存IAP写入和IAP读取两方面操作。主存储器写入可以以字、半字、字节为单位进行写入，字写入速度最快，字节写入最慢。由表2 可知，每种字体字模数据附加上索引信息之后长度已经不是4 的倍数呢，但仍是2 的倍数，所以字库信息缓冲存储时是以半字为单位进行写入的。字库在主存当中是环形缓冲的，由于NOR Flash只能在空白单元写入，所以缓冲数据是依次写入的，当缓冲区写满时需要从头开始，但此时需要将整个扇区全部擦除再写入。

主存储器IAP读取相对来说比较简单，这也是主存的典型工作状态，中文字库在主存中是从某一地址依次存储的，可以采用和写入相对应的读取方法，即一次读取一个汉字结构体数据到SRAM 当中，然后再进行数据处理。本文采用的方法是将字库的起始地址转换为字库结构体指针，然后使用结构体数组的形式访问，时间复杂度和空间复杂度都是最小的，体现了C语言指针的强大和灵活。

2.3 显示系统设计

要实现液晶显示屏信息显示，需要驱动TFT LCD，由于LCD是挂接在FSMC总线上的，所以第1 步就是LCD的FSMC初始化设置。

2.3.1 FSMC初始化设置

TFT LCD初始化界面如图7 所法，所有需要配置的信息在图中均使用红色框线标出。首先设置Mode选项，配置NOR Flash／PSRAM／SRAM／ROM／LCD 4，即选择Bank1.Sector4 连接TFT LCD，片选信号：NE4，存储器类型：LCD Interface，LCD 的RS 信号：A6，数据宽度：16 位。随后配置Configuration选项内容，选择模式A分开设置读写时序控制液晶显示屏，由于LCD读取速度要比写入速度慢得多，所以读时序参数需要设置大一些，写时序则可以小一些，参考设置如图7 所示。上述参数设置对71.12 mm TFT LCD的常规驱动芯片ILI9341 来说可以保证其稳定运行，并留有足够的裕量。

图7 LCD的FSMC初始化设置界面

在STM32CubeMX中配置并自动生成FSMC 初始化代码，定义LCD 结构体、确定基地址，编写LCD 底层驱动程序；移植显示屏厂家提供的基础显示和高层应用代码，即可实现TFT LCD显示控制。

2.3.2 主存缓冲中文显示系统

在完成了系统总体规划，字库取模及片外存储，主存IAP读取和写入，LCD初始化及驱动移植等各项工作之后，即可开展基于SPI 闪存和主存IAP 的嵌入式平台中文显示系统设计。

中英文混合显示主程序流程如图8（a）所示，函数入口参数为一字符串指针，读取其指向的第1 个元素，如果其值大于等于0x80，则为中文字符，根据不同字号调用相应中文显示函数，返回之后指针向下偏移2位；否则为英文字符，调用英文显示函数，返回之后指针下移1 位，如此往复直至整个字符串显示完成。

中文字符显示函数流程如图8（b）所示，进入函数首先计算主存缓冲区已存汉字数量，从字库首地址开始，以字库结构体长度为步长，依次向后寻找直至主存空白（连续两个字节为0xFF）结束，即可统计出已存汉字个数，统计程序仅执行一次。

图8 中英混合显示流程

在主存字库存储区依次比对显示汉字内码，若成功则读取主存字模数据，完成汉字显示。若显示汉字不在主存缓冲区当中，需要访问外存读取字模信息，GB2312 字符集是一种区位码，分为94 个区，每区94个字符，每个字符的区号和位号加上0xA1，即为汉字内码。在制作国标字库时是按区位号依次存放的，所以将内码还原为区位号，然后区号乘以94，加上位号，即为该汉字在字库的中的偏移量，由此计算出显示汉字在W25Q128 中的绝对地址，从中读出字模数据，完成汉字显示。将汉字内码作为索引信息添加到字模数据的前面，一并写入主存已有字库的末尾，实现该汉字的字库缓冲存储。

由于主存NOR Flash是非易失性的随机访问存储器，且缓冲区设置较大，多数情况下是一次缓冲，始终受益的，程序员在进行系统开发时也无需关心字库的具体存储位置，项目设计最终为嵌入式工程师提供了高速、透明的中文显示平台。

3 系统运行测试

为检验电路功能和观察运行效果，依据系统设计成果，完成样品生产、组装和测试工作。

3.1 接口性能测试

分别使用FSMC总线、GPIO并口连接TFT LCD显示模块，运行测试程序，使用STM32 定时器记录LCD刷新整个屏幕时间。GPIO并口连接时需要54.62 ms，而FSMC接口仅为3.54 ms，速度提升14.4 倍。

3.2 主存缓冲测试

通过串口传输并写入字库至W25Q128，擦除主存最后一个扇区，运行基于SPI 闪存和主存IAP 的嵌入式平台中文显示系统。调用通用显示函数，输出16 号汉字“黄克亚”，通过调试器查看主存，初次显示时，系统已将字模信息写入主存，结果如图9 所示。当再次输出相同字号汉字，即使打乱输出顺序，依然可以成功显示，且主存缓冲数据没有变化，表明显示程序实现既定功能。

图9 主存缓冲存储观察窗口

3.3 中文显示速度测试

编写测试程序在TFT LCD全屏显示24 ×24 中文汉字，通过定时器记录显示程序运行时间，字库片外存储时需要128.69 ms，字库主存缓冲时需要16.28 ms，当系统不进行大量中文信息显示时，在系统调试阶段已完成常用汉字主存缓冲存储，使用论文设计方法，可使中文显示速度提升6.9 倍。

3.4 系综综合测试

设计一个综合实例，系统主程序是一个电子万年历，实时采集现场温度、湿度、光照等环境信息，合并实验装置设计信息显示于TFT LCD显示屏上，同时将当前时间高亮显示于数码管，便于远距离观看，测试结果如图10 所示。

图10 实验装置综合测试图

测试结果表明，基于SPI 闪存和主存IAP 的嵌入式平台中文显示系统各项显示功能均很好完成，刷新速度快，画面清晰流畅，系统稳定可靠，项目设计达到了预期目标。

4 结 语

本文设计了一款嵌入式平台通用中文显示系统。硬件上将TFT LCD 显示模块通过FSMC 接口连接至内部高速AHB 总线；通过SPI 接口扩展了一片NOR Flash存储器W25Q128；CMSIS-DAP 调试器可实现嵌入式平台下载、调试、通信、供电功能四合一。系统软件设计工作是分阶段完成的，第一阶段工作是对4 种字体国标汉字取模，合成单个字库文件，通过串口分块发送至微控制器，以扇区为单位写入SPI 闪存。第二阶段工作是编写通用显示函数，如果字模数据已缓存则主存IAP 读取显示，否则SPI 读取外存字模数据，LCD显示并主存IAP缓冲写入。测试表明，嵌入式平台可实现全部中文显示，显示效果清晰流畅；LCD 刷新速度较GPIO并口连接提升14.4 倍，中文显示速度较SPI Flash 存储方式提高6.9 倍；主存IAP 一次缓冲，始终受益，显示系统对程序员来说是透明的，通用性强，可移植性好。