STM32之HAL开发——FSMC控制带控制器LCD(8080时序)

STM32FSMC模拟8080接口时序

ILI9341的8080通讯接口时序可以由STM32使用普通I/O接口进行模拟，但这样效率太低，STM32提供了一种特别的控制方法——使用FSMC接口实现8080时序。
由于FSMC外设可以用于控制扩展的外部存储器，而MCU对液晶屏的操作实际上就是把显示数据写入到显存中，与控制存储器非常类似，且8080接口的通讯时序完全可以使用FSMC外设产生，因而非常适合使用FSMC控制液晶屏。
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图 1 FSMC结构图

通讯引脚

在本次示例中，控制LCD时，是使用FSMC的NOR/PSRAM模式的，而且控制LCD时使用的是NOR FLASH类型的模式B，所以我们重点分析框图中NOR FLASH控制信号线部分，控制NOR FLASH主要使用到下表的信号线：

FSMC信号名称	信号方向	功能
CLK	输出	时钟(同步突发模式使用)
A[25:0]	输出	地址总线
D[15:0]	输入/输出	双向数据总线
NE[x]	输出	片选，x = 1…4
NOE	输出	输出使能
NWE	输出	写使能
NWAIT	输入	NOR闪存要求FSMC等待的信号
NADV	输出	地址、数据线复用时作锁存信号

在控制LCD时，使用的是类似异步、地址与数据线独立的NOR FLASH控制方式，所以实际上CLK、NWAIT、NADV引脚并没有使用到。

其中比较特殊的FSMC_NE是用于控制存储器芯片的片选控制信号线，STM32具有FSMC_NE1/2/3/4号引脚，不同的引脚对应STM32内部不同的地址区域。例如，当STM32访问0x68000000-0x6BFFFFFF地址空间时，FSMC_NE3引脚会自动设置为低电平，由于它一般连接到外部存储器的片选引脚且低电平有效，所以外部存储器的片选被使能，而访问0x60000000-0x63FFFFFF地址时，FSMC_NE1会输出低电平。当使用不同的FSMC_NE引脚连接外部存储器时，STM32访问外部存储的地址不一样，从而达到控制多个外部存储器芯片的目的。各引脚对应的地址会在后面“FSMC的地址映射”小节讲解。

存储器控制器

上面不同类型的引脚是连接到FSMC内部对应的存储控制器中的。NOR/PSRAM/SRAM设备使用相同的控制器，NAND/PC卡设备使用相同的控制器，不同的控制器有专用的寄存器用于配置其工作模式。
控制NOR FLASH的有FSMC_BCR1/2/3/4控制寄存器、FSMC_BTR1/2/3/4片选时序寄存器以及FSMC_BWTR1/2/3/4写时序寄存器。每种寄存器都有4个，分别对应于4个不同的存储区域，各种寄存器介绍如下：

FSMC_BCR控制寄存器可配置要控制的存储器类型、数据线宽度以及信号有效极性能参数。
FMC_BTR时序寄存器用于配置SRAM访问时的各种时间延迟，如数据保持时间、地址保持时间等。
FMC_BWTR写时序寄存器与FMC_BTR寄存器控制的参数类似，它专门用于控制写时序的时间参数。

时钟控制逻辑

FSMC外设挂载在AHB总线上，时钟信号来自于HCLK(默认72MHz)，控制器的同步时钟输出就是由它分频得到。例如，NOR控制器的FSMC_CLK引脚输出的时钟，它可用于与同步类型的NOR FLASH芯片进行同步通讯，它的时钟频率可通过FSMC_BTR寄存器的CLKDIV位配置，可以配置为HCLK的1/2或1/3，也就是说，若它与同步类型的NOR FLASH通讯时，同步时钟最高频率为36MHz。本示例中的NOR FLASH为异步类型的存储器，不使用同步时钟信号，所以时钟分频配置不起作用。

FSMC的地址映射

FSMC连接好外部的存储器并初始化后，就可以直接通过访问地址来读写数据，这种地址访问与I2C EEPROM、SPI FLASH的不一样，后两种方式都需要控制I2C或SPI总线给存储器发送地址，然后获取数据；在程序里，这个地址和数据都需要分开使用不同的变量存储，并且访问时还需要使用代码控制发送读写命令。而使用FSMC外接存储器时，其存储单元是映射到STM3 2的内部寻址空间的；在程序里，定义一个指向这些地址的指针，然后就可以通过指针直接修改该存储单元的内容，FSMC外设会自动完成数据访问过程，读写命令之类的操作不需要程序控制。

#define Bank1_SRAM3_ADDR    ((uint32_t)(0x68000000))
/*写/读 16位数据*/
*( uint16_t*) (Bank1_SRAM3_ADDR+10 ) = (uint16_t)0xBBBB;
printf("指针访问SRAM，写入数据0xBBBB \r\n");
temp =  *( uint16_t*) (Bank1_SRAM3_ADDR+10 );
printf("读取数据：0x%X \r\n",temp);

以上代码实际上就是标准的C语言对特定地址的指针式访问，只是由于该地址被STM32映射到FSMC外设，所以访问这些地址时，FSMC会自动输出地址、数据等访问时序。

FSMC控制异步NOR FLASH的时序

FSMC外设支持输出多种不同的时序以便于控制不同的存储器，它具有ABCD四种模式，下面我们仅针对控制异步NOR FLASH使用的模式B进行讲解，见下图。
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图 2 FSMC读NOR FLASH的时序图（模式B）

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图 3 FSMC写NOR FLASH的时序图（模式B）

当内核发出访问某个指向外部存储器地址时，FSMC外设会根据配置控制信号线产生时序访问存储器，上图中的是访问外部异步NOR FLASH（模式B）时FSMC外设的读写时序。

以读时序为例，该图表示一个存储器操作周期由地址建立周期(ADDSET)、数据建立周期(DATAST)以及2个HCLK周期组成。在地址建立周期中，地址线发出要访问的地址，数据掩码信号线指示出要读取地址的高、低字节部分，片选信号使能存储器芯片；地址建立周期结束后读使能信号线发出读使能信号，接着存储器通过数据信号线把目标数据传输给FSMC，FSMC把它交给内核。

写时序类似，区别是它的一个存储器操作周期仅由地址建立周期(ADDSET)和数据建立周期(DATAST)组成，且在数据建立周期期间写使能信号线发出写信号，接着FSMC把数据通过数据线传输到存储器中。

根据STM32对寻址空间的地址映射，地址0x6000 0000 ~0x9FFF FFFF是映射到外部存储器的，而其中的0x6000 0000 ~0x6FFF FFFF则是分配给NOR FLASH、PSRAM这类可直接寻址的器件。

当FSMC外设被配置成正常工作，并且外部接了NOR FLASH时，若向0x60000000地址写入数据如0xABCD，FSMC会自动在各信号线上产生相应的电平信号，写入数据。FSMC会控制片选信号NE1选择相应的NOR 芯片，然后使用地址线A[25:0]输出0x60000000，在NWE写使能信号线上发出低电平的写使能信号，而要写入的数据信号0xABCD则从数据线D[15:0]输出，然后数据就被保存到NOR FLASH中了。

用FSMC模拟8080时序

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图 4 FSMC 模式B时序与8080时序对比（写过程）

对比FSMC NOR/PSRAM中的模式B时序与ILI9341液晶控制器芯片使用的8080时序可发现，这两个时序是十分相似的(除了FSMC的地址线A和8080的D/CX线，可以说是完全一样)，它们的信号线对比见下表。

FSMC-NOR信号线	功能	8080信号线	功能
NEx	片选信号	CSX	片选信号
NWR	写使能	WRX	写使能
NOE	读使能	RDX	读使能
D[15:0]	数据信号	D[15:0]	数据信号
A[25:0]	地址信号	D/CX	数据/命令选择

对于FSMC和8080接口，前四种信号线都是完全一样的，仅仅是FSMC的地址信号线A[25:0]与8080的数据/命令选择线D/CX有区别。而对于D/CX线，它为高电平的时候表示数值，为低电平的时候表示命令，如果能使用FSMC的A地址线根据不同的情况产生对应的电平，那么就完全可以使用FSMC来产生8080接口需要的时序了。

为了模拟出8080时序，我们可以把FSMC的A0地址线(也可以使用其它A1/A2等地址线)与ILI9341芯片8080接口的D/CX信号线连接，那么当A0为高电平时(即D/CX为高电平)，数据线D[15:0]的信号会被ILI9341理解为数值，若A0为低电平时(即D/CX为低电平)，传输的信号则会被理解为命令。
由于FSMC会自动产生地址信号，当使用FSMC向0x6xxx xxx1、0x6xxx xxx3、0x6xxx xxx5…这些奇数地址写入数据时，地址最低位的值均为1，所以它会控制地址线A0(D/CX)输出高电平，那么这时通过数据线传输的信号会被理解为数值；若向0x6xxx xxx0 、0x6xxx xxx2、0x6xxx xxx4…这些偶数地址写入数据时，地址最低位的值均为0，所以它会控制地址线A0(D/CX)输出低电平，因此这时通过数据线传输的信号会被理解为命令，如下表。

地址	地址的二进制值(仅列出低四位)	A0(D/CX)的电平	控制ILI9341时的意义
0x6xxx xxx1	000 1	1 高电平	D数值
0x6xxx xxx3	001 1	1高电平	D数值
0x6xxx xxx5	010 1	1高电平	D数值
0x6xxx xxx0	000 0	0低电平	C命令
0x6xxx xxx2	001 0	0低电平	C命令
0x6xxx xxx4	010 0	0低电平	C命令