從一張示波器截圖談FIFO

概要：SPI外設具有協(xié)議通用性強，高速串行通訊，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。本文講述了在使用SPI外設驅動(dòng)LCD屏時(shí)，由于FIFO功能遇到的“異步”發(fā)送數據，導致LCD屏驅動(dòng)異常，從而屏幕顯示失敗的問(wèn)題。借助示波器觀(guān)察引腳信號，分析信號時(shí)序等方法的解決過(guò)程，并最終實(shí)現SPI外設驅動(dòng)LCD屏。

本人的一個(gè)項目，項目使用NXP公司的LPC11U68微處理器作為主控芯片，其設計功能之一是驅動(dòng)TFT LCD屏。TFT LCD屏為SPI接口，于是使用LPC11U68芯片的SSP0外設接口來(lái)驅動(dòng)。

很簡(jiǎn)單的三兩行字，卻讓我在調試的時(shí)候一度深陷困境。先上一張示波器截圖，我們慢慢道來(lái)。

這張示波器截圖對應的是下面這段代碼實(shí)現：

void ssp0_send_byte(uint8_t data)

{

uint16_t tmp = data;

LCD_DESELECT();

LCD_CMD();

while((Chip_SSP_GetStatus(LPC_SSP0, SSP_STAT_TNF) == RESET));

Chip_SSP_SendFrame(LPC_SSP0, tmp);

while((Chip_SSP_GetStatus(LPC_SSP0, SSP_STAT_TFE) != SET));

LCD_SELECT();

}

LCD驅動(dòng)對于寄存器或數據的寫(xiě)入流程還是比較清晰、簡(jiǎn)單。如上述源代碼所示：

step1：將片選CS信號拉低

step2：配置本條發(fā)送數據是命令or數據

step3：發(fā)送8位串行數據

step4：將片選CS信號拉高

上圖為T(mén)FT LCD驅動(dòng)datasheet中的引腳時(shí)序參考圖。代碼的編寫(xiě)也是完全符號時(shí)序的要求?？墒蔷褪沁@么簡(jiǎn)單的6行代碼出現了問(wèn)題！

我將代碼編譯后燒錄入LPC11U68芯片后開(kāi)始運行，發(fā)現LCD屏驅動(dòng)異常，屏幕沒(méi)有任何顯示。

考慮到代碼是從示例程序移植過(guò)來(lái)，也不排除出現問(wèn)題——也許原例程亦無(wú)法實(shí)現呢！我將代碼更換為GPIO模擬SPI方式實(shí)現驅動(dòng)LCD屏——這次顯示成功了，只是頁(yè)面刷新要慢好多了。再次換回SPI外設方式，故障依舊——這也充分說(shuō)明了硬件是完好的，而問(wèn)題就出在了軟件設計上面了。

剛剛開(kāi)始以為配置LPC11U68芯片的SSP0外設出現了問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復驗證后，也未能定位原因所在。在軟件分析無(wú)果后，請出來(lái)了示波器，便有了文章開(kāi)頭的那一張截圖。

截圖中，藍線(xiàn)CH1為SPI外設的SCK引腳，黃線(xiàn)CH2為L(cháng)CD的片選CS信號。從示波器上面可以清晰看到片選CS信號并沒(méi)有在發(fā)送一幀數據后才拉高，而是提前拉高了。當片選CS引腳為高時(shí)，LCD屏忽略SDA上面傳輸的數據，自然LCD屏不會(huì )有正確的顯示。

通過(guò)示波器的 介入，我們觀(guān)察到了控制信號與數據信號的傳輸過(guò)程，并發(fā)現了LCD屏未能正確的顯示的癥結所在。下面我們就分析一下其中的原因。

示例的例程是基于STM32系列單片機，閱讀兩者的datasheet，對比所使用的微處理器LPC11U68的SPI外設，可以看到STM32系列單片機沒(méi)有發(fā)送FIFO。那發(fā)送FIFO為何物呢？

“FIFO是先進(jìn)先出的意思，隊列的方式?！?/span>

“FIFO是一個(gè)硬件環(huán)形的緩沖隊列，物理上不可尋址，不可見(jiàn)，僅SSPDR這個(gè)FIFO出口可見(jiàn)?！?/span>

“SSP接口向SPI總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)，數據先存到SSPDR當中，由Tx FIFO的狀態(tài)及總線(xiàn)是否空閑決定已經(jīng)存入到SSPDR當中的數據何時(shí)進(jìn)行發(fā)送?！?/span>

“因為T(mén)x FIFO的深度是有限的，每次發(fā)送過(guò)程中都是將現有FIFO中所有數據一起發(fā)送，所以SSPDR可以理解為發(fā)送過(guò)程當中的數據緩沖寄存器?！?/span>

以上我從網(wǎng)絡(luò )上面摘錄下來(lái)的。通過(guò)FIFO的介紹可以得出，當程序執行到Chip_SSP_SendFrame()時(shí)，僅將數據“塞入”FIFO，并在成功“塞入”后即返回。而此時(shí)數據并未成功發(fā)送，但片選CS信號 卻在Chip_SSP_SendFrame()返回后，誤認為其成功執行而對片選CS信號進(jìn)行了釋放拉高操作，待SPI外設真正發(fā)送數據時(shí)，此時(shí)片選CS信號已經(jīng)釋放，LCD驅動(dòng)芯片也就不會(huì )再接收其數據了。沒(méi)有了正確的輸入數據，屏幕也就“漆黑一片”了。

分析問(wèn)題已經(jīng)完成，那么下面我們就著(zhù)手解決問(wèn)題。

通過(guò)閱讀官方技術(shù)手冊，可以查詢(xún)到BUSY標志位代表SPI外設正在發(fā)送操作，所以我們僅需要在此標志位清零后再執行片選CS釋放即可。源代碼如下：

void ssp0_send_byte(uint8_t data)

{

uint16_t tmp = data;

LCD_DESELECT();

LCD_CMD();

while((Chip_SSP_GetStatus(LPC_SSP0, SSP_STAT_TNF) == RESET));

Chip_SSP_SendFrame(LPC_SSP0, tmp);

while((Chip_SSP_GetStatus(LPC_SSP0, SSP_STAT_TFE) != SET));

while((Chip_SSP_GetStatus(LPC_SSP0, SSP_STAT_BSY) == SET));

LCD_SELECT();

}

NXP公司旗下LPC系列微處理器對外設增加FIFO可以減少數據中斷的調用，提高整體通訊效率，而這也恰恰營(yíng)造了一種“異步”指令處理的環(huán)境。這時(shí)，也就出現了我們的微處理器在代碼執行順序上面出現了沒(méi)有按“順序”執行的問(wèn)題。

在增加了等待指令后，軟件的操作順序與期望順序一致，TFT LCD驅動(dòng)顯示正常。我們在軟件設計時(shí)，合理使用硬件外設提供的FIFO功能，充分利用其優(yōu)勢，規避其使用過(guò)程中的副作用。雖然本次FIFO帶來(lái)了一些困擾，但從整體的系統角度來(lái)講，仍然提升了我們的系統效率。