從一張示波器截圖談FIFO

概要：SPI外設具有協議通用性強，高速串行通訊，操作簡便等優點。本文講述了在使用SPI外設驅動LCD屏時，由于FIFO功能遇到的“異步”發送數據，導致LCD屏驅動異常，從而屏幕顯示失敗的問題。借助示波器觀察引腳信號，分析信號時序等方法的解決過程，并最終實現SPI外設驅動LCD屏。

本人的一個項目，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TFT LCD屏。TFT LCD屏為SPI接口，于是使用LPC11U68芯片的SSP0外設接口來驅動。

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

這張示波器截圖對應的是下面這段代碼實現：

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驅動對于寄存器或數據的寫入流程還是比較清晰、簡單。如上述源代碼所示：

step1：將片選CS信號拉低

step2：配置本條發送數據是命令or數據

step3：發送8位串行數據

step4：將片選CS信號拉高

上圖為TFT LCD驅動datasheet中的引腳時序參考圖。代碼的編寫也是完全符號時序的要求。可是就是這么簡單的6行代碼出現了問題！

我將代碼編譯后燒錄入LPC11U68芯片后開始運行，發現LCD屏驅動異常，屏幕沒有任何顯示。

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

剛剛開始以為配置LPC11U68芯片的SSP0外設出現了問題，經過反復驗證后，也未能定位原因所在。在軟件分析無果后，請出來了示波器，便有了文章開頭的那一張截圖。

截圖中，藍線CH1為SPI外設的SCK引腳，黃線CH2為LCD的片選CS信號。從示波器上面可以清晰看到片選CS信號并沒有在發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，LCD屏忽略SDA上面傳輸的數據，自然LCD屏不會有正確的顯示。

通過示波器的 介入，我們觀察到了控制信號與數據信號的傳輸過程，并發現了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系列單片機沒有發送FIFO。那發送FIFO為何物呢？

“FIFO是先進先出的意思，隊列的方式。”

“FIFO是一個硬件環形的緩沖隊列，物理上不可尋址，不可見，僅SSPDR這個FIFO出口可見。”

“SSP接口向SPI總線發送數據時，數據先存到SSPDR當中，由Tx FIFO的狀態及總線是否空閑決定已經存入到SSPDR當中的數據何時進行發送。”

“因為Tx FIFO的深度是有限的，每次發送過程中都是將現有FIFO中所有數據一起發送，所以SSPDR可以理解為發送過程當中的數據緩沖寄存器。”

以上我從網絡上面摘錄下來的。通過FIFO的介紹可以得出，當程序執行到Chip_SSP_SendFrame()時，僅將數據“塞入”FIFO，并在成功“塞入”后即返回。而此時數據并未成功發送，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信號進行了釋放拉高操作，待SPI外設真正發送數據時，此時片選CS信號已經釋放，LCD驅動芯片也就不會再接收其數據了。沒有了正確的輸入數據，屏幕也就“漆黑一片”了。

分析問題已經完成，那么下面我們就著手解決問題。

通過閱讀官方技術手冊，可以查詢到BUSY標志位代表SPI外設正在發送操作，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，而這也恰恰營造了一種“異步”指令處理的環境。這時，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有按“順序”執行的問題。

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驅動顯示正常。我們在軟件設計時，合理使用硬件外設提供的FIFO功能，充分利用其優勢，規避其使用過程中的副作用。雖然本次FIFO帶來了一些困擾，但從整體的系統角度來講，仍然提升了我們的系統效率。