【有那么點詳細的CW32學習筆記】IIC接口-OLED驅動

上一章我們講解了IIC的通信流程以及通信代碼，這一章就以市面上常見的IIC接口模塊——OLED屏為例教學一下IIC接口的驅動怎么寫。

第一步當然是搞清楚自己使用的OLED屏幕用的是什么驅動，說是屏幕，實際上就是密集LED點陣，所以必定有用于控制大量LED燈的驅動器，本教學使用的OLED驅動是SSD1306，該驅動器有多種通信接口，這里使用IIC接口（具體使用什么接口，數(shù)據(jù)手冊上會有詳細介紹）

根據(jù)SSD1306數(shù)據(jù)手冊的描述，該設備的從機地址取決于SA0的電平，但是我翻遍了商家給我的資料也沒找到整個模塊的硬件原理圖（也有可能遺漏了），無奈只能打開例程查看從機地址是0x78。

數(shù)據(jù)手冊詳細描述了1306的IIC接口規(guī)則，7bit的地址位+1bit的讀寫位，數(shù)據(jù)線和時鐘線描述的就是標準的IIC協(xié)議，不必過多糾結。

下面的內容是重點，需要注意的是，編寫任何一個外設的驅動，基本上都逃不開指令和數(shù)據(jù)，驅動方式可能多種多樣，但最多也就是指令與數(shù)據(jù)的排列組合，稍微復雜一些的會加上寄存器操作（也就是用單片機1號通過某種通信接口控制單片機二號），抓住本質之后，思路就能打開。

先來看看數(shù)據(jù)手冊是怎么描述的：

對閱讀比較吃力的小伙伴，我撿重點說一說：

第2條描述的就是從機地址的設置，這在前面以及提到了；

第3條說的是IIC讀寫位的定義；

第4條說的是IIC協(xié)議中應答信號的規(guī)則，這里說明了1306會對一切IIC數(shù)據(jù)（包括地址|讀寫字節(jié)）作出回應；

第5條說的是一旦主機和1306建立通訊（發(fā)送地址|讀寫字節(jié)之后），后續(xù)發(fā)送到IIC總線上的數(shù)據(jù)就會被識別成“控制字節(jié)”或“數(shù)據(jù)字節(jié)”，具體什么是控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，后文會詳細說明；

第6條說的是每個控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)都會被回應；

第7條說的是IIC協(xié)議停止位的規(guī)則；

現(xiàn)在來說明一下什么是控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。對于屏幕，我們的操作他的目的是在屏幕上面顯示內容，“顯示”是一個動作、行為，也可以叫他命令，“內容”就是一個數(shù)據(jù)。所以操控設備的時候，至少會包含一個指令和一個數(shù)據(jù)，但是指令和數(shù)據(jù)在各種通信協(xié)議中，都只是一個8bit的數(shù)，如何區(qū)分他們就成了一個很關鍵的點。

1306使用這么一種方式來區(qū)分他們：一旦通過IIC接口建立通訊，隨后接收的第0個字節(jié)（byte0）一定是用來說明下一個字節(jié)（byte1）的類型的，它用2個字節(jié)來表達一個完整的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)手冊中貼出了1306使用IIC通信的幀結構圖：

控制字節(jié)區(qū)分數(shù)據(jù)字節(jié)類型的方式，就是通過其最高的2個bit位：Co和D/C#。先說DC位，D就是data，C就是command，這個bit位為0就代表緊跟著的下一個字節(jié)是命令，如果bit位是1，那下一個緊跟著的字節(jié)就是數(shù)據(jù)。實際上只要有這么一個bit位就已經可以完成對1306的控制了，那么現(xiàn)在思考一個問題，如果我需要連續(xù)寫入大量的命令（比如100個），為了完成這100個命令的傳輸，我需要傳輸200個字節(jié)，因為每個命令都需要綁定一個控制字節(jié)。為了提高傳輸效率，Co位應運而生，如果Co位是0，且DC位也是0，那么1306就會把該控制字節(jié)之后傳入的所有數(shù)據(jù)都認定為命令，這樣一來如果要寫入100個命令，實際上只需要發(fā)送101個字節(jié)就能實現(xiàn)目的，效率幾乎是翻倍了。對于傳輸數(shù)據(jù)，也是一樣的，只需要把Co位設置為0，DC位設置為1，后續(xù)傳入的字節(jié)就全是數(shù)據(jù)了。如果沒有這種連續(xù)寫入大量同類型數(shù)據(jù)（命令/數(shù)據(jù)，括號里的數(shù)據(jù)是對屏幕顯示而言的，這個括號之前的數(shù)據(jù)是對IIC總線而言的）的需求，也可以把Co位置1以采用 “控制字節(jié)+數(shù)據(jù)字節(jié)（DC byte）”的方式實現(xiàn)功能。

下面就是代碼的編寫，我們使用聯(lián)合體直接列出需要發(fā)送的幀結構，需要發(fā)送時只需要賦值對應的位再發(fā)送value這個數(shù)組就可以了，這么寫就不需要在發(fā)送的時候進行位操作，大幅度提高代碼可讀性：

再貼一個發(fā)指令的函數(shù)，這個函數(shù)使用的是單次寫入的方式，效率不高但是方便使用，需要注意的是這個函數(shù)不具備建立IIC通信的能力，他只負責在已建立通信的情況下發(fā)出一個完整的指令。

現(xiàn)在我們擁有了建立IIC通信和發(fā)送指令的函數(shù)，實際上就已經可以用這些函數(shù)看看效果了，1306有一個指令是A5H，他的作用是強制點亮屏幕上所有的像素點，正確初始化OLED之后，再發(fā)送A5H即可。

關于OLED的初始化，模塊的資料提供了一套完整的初始化指令，簡單來說就是上電之后需要先把這一堆指令發(fā)給OLED驅動，之后屏幕才會正常工作，具體到每個指令的詳細功能，還請讀者查看1306數(shù)據(jù)手冊的指令表章節(jié)，或者直接搜索1306指令的相關資料。

話題拉回屏幕顯示這一塊，我們的目標肯定不只是把整個屏幕擦亮這么簡單，屏幕要么拿來畫畫，要么拿來寫字，他至少要能夠寫字才行?，F(xiàn)在已經知道的是，屏幕就是一個LED陣，那只要控制一批像素點按照固定的規(guī)則點亮就能顯示我們想要的內容，實現(xiàn)這個目的的過程也叫取字模，售賣屏幕的商家打包的資料都會有取字模的軟件，如果沒有也可以直接去網上下一個。將字模數(shù)據(jù)預置存儲在單片機里面，需要的時候直接發(fā)出去就能顯示，這種辦法簡單而有效。

很好，現(xiàn)在我們寫字的目標已經轉變成“在合適的位置點亮合適的像素點”，那怎么確定位置呢？屏幕有那么多像素點，現(xiàn)在空有數(shù)據(jù)，卻沒有位置。這個時候就需要簡單說明一下OLED的顯示邏輯了，整個屏幕被劃分成了多個頁，每一頁都有128列像素點，屏幕的分辨率是128x64，橫向128像素，縱向64像素，我們每次寫入的數(shù)據(jù)都是8bit的，這個8bit數(shù)據(jù)指示了某個像素頁內某一列的像素狀態(tài)。形象地說就是：8個點排一列，橫向排128列就組成了一個頁，整個屏幕一共有8個頁，這8個頁再縱向排列，最終形成了一個128*64的屏幕。

想要在正確的位置顯示內容，就得選擇正確的頁（后文直接稱page），page0-page7一共8個，每個page都有自己的物理地址，從B0H到B7H，所以我們可以以此寫一個確定光標位置的函數(shù)，這個函數(shù)可以在我們需要寫字的時候錨定一個正確的顯示位置。

前文提到字模，其實就是一批8bit數(shù)據(jù)，再結合剛剛說明的屏幕顯示原理，就不得不再次思考一個問題，像素得精細到什么程度才能看起來像一個字，在像的情況下，還要符合OLED這種一頁8行像素的特點（因為這樣會更好操作）。答案是使用8n個像素寬度的正方形來顯示字符，目前來看16*16大小的字符正好符合要求，這也是大部分小屏顯示會選擇的大小。如此一來想要顯示一個字符就需要寫2個page的若干列數(shù)據(jù)，于是就有了寫字函數(shù)，具體代碼如下圖：

該函數(shù)首先建立IIC通信，與從機建立通信后設置顯示字符的坐標，隨后直接按順序發(fā)出上半部分和下半部分的像素數(shù)據(jù)即可，這個函數(shù)可以獨立完成對字符的顯示，后續(xù)演示代碼中顯示字符串的函數(shù)基于此函數(shù)實現(xiàn)，雖然對于字符串的顯示，最佳方案是建立一次通信就完成所有數(shù)據(jù)的傳輸，但那樣的代碼會把各種功能雜糅在一起，層次不夠分明，這里這么規(guī)劃也是為了內容更好理解，關于IIC與OLED的代碼文件會附在文章最后。

所有用于像素顯示的數(shù)據(jù)都會被存到Graphic Display Data RAM(GGDRAM)中，既然是RAM，理論上在上電的時候，其存儲的數(shù)據(jù)應該都是0才對，但為了避免不必要的干擾可能造成的影響，我們還需要一個清屏函數(shù)，該函數(shù)其實就是對所有page的所有數(shù)據(jù)進行置0操作。

具備所有的前提條件，我們就可以在main函數(shù)中顯示內容了，在設備初始化中加入IIC初始化和OLED初始化，再加上字符串顯示就大功告成了。

最后貼一個圖來看看成品效果

文章末尾說一些題外話，互聯(lián)網上有很多軟件模擬IIC和OLED驅動的相關資料，除去寫字部分的應用層代碼，數(shù)據(jù)鏈路層部分的代碼建議還是自己寫，這些開源代碼的IIC總線效率實際上很低，而且容易造成誤解，編者在研究商家給的例程時，一直不理解為什么例程發(fā)0x00作為控制字節(jié)的時候能初始化成功，而我卻不行，后來仔細思考了一番是因為他們的IIC，每次建立通訊都只會發(fā)送2個字節(jié)的內容，也就是說，如果要發(fā)送20個命令，就需要建立20次IIC通信，每次都要重新發(fā)送從機地址，發(fā)送這20個命令實際上要發(fā)送60個字節(jié)（包括IIC地址字節(jié)的話），功能當然可以實現(xiàn)，但是效率很低，而且這種代碼注釋并不詳細（甚至是挪用代碼還不改注釋），如果作為學習使用但不加說明的話很容易造成誤解（至少我被誤解了），讀者如果真的有學習需求而不是單純的挪用需求，最好還是以手冊描述的內容為準。

審核編輯 黃宇