从一张示波器截图谈FIFO

概要：SPI外设具有协议通用性强，高速串行通讯，操作简便等优点。本文讲述了在使用SPI外设驱动LCD屏时，由于FIFO功能遇到的“异步”发送数据，导致LCD屏驱动异常，从而屏幕显示失败的问题。借助示波器观察引脚信号，分析信号时序等方法的解决过程，并最终实现SPI外设驱动LCD屏。

本人的一个项目，项目使用NXP公司的LPC11U68微处理器作为主控芯片，其设计功能之一是驱动TFT LCD屏。TFT LCD屏为SPI接口，于是使用LPC11U68芯片的SSP0外设接口来驱动。

很简单的三两行字，却让我在调试的时候一度深陷困境。先上一张示波器截图，我们慢慢道来。

这张示波器截图对应的是下面这段代码实现：

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驱动对于寄存器或数据的写入流程还是比较清晰、简单。如上述源代码所示：

step1：将片选CS信号拉低

step2：配置本条发送数据是命令or数据

step3：发送8位串行数据

step4：将片选CS信号拉高

上图为TFT LCD驱动datasheet中的引脚时序参考图。代码的编写也是完全符号时序的要求。可是就是这么简单的6行代码出现了问题！

我将代码编译后烧录入LPC11U68芯片后开始运行，发现LCD屏驱动异常，屏幕没有任何显示。

考虑到代码是从示例程序移植过来，也不排除出现问题——也许原例程亦无法实现呢！我将代码更换为GPIO模拟SPI方式实现驱动LCD屏——这次显示成功了，只是页面刷新要慢好多了。再次换回SPI外设方式，故障依旧——这也充分说明了硬件是完好的，而问题就出在了软件设计上面了。

刚刚开始以为配置LPC11U68芯片的SSP0外设出现了问题，经过反复验证后，也未能定位原因所在。在软件分析无果后，请出来了示波器，便有了文章开头的那一张截图。

截图中，蓝线CH1为SPI外设的SCK引脚，黄线CH2为LCD的片选CS信号。从示波器上面可以清晰看到片选CS信号并没有在发送一帧数据后才拉高，而是提前拉高了。当片选CS引脚为高时，LCD屏忽略SDA上面传输的数据，自然LCD屏不会有正确的显示。

通过示波器的 介入，我们观察到了控制信号与数据信号的传输过程，并发现了LCD屏未能正确的显示的症结所在。下面我们就分析一下其中的原因。

示例的例程是基于STM32系列单片机，阅读两者的datasheet，对比所使用的微处理器LPC11U68的SPI外设，可以看到STM32系列单片机没有发送FIFO。那发送FIFO为何物呢？

“FIFO是先进先出的意思，队列的方式。”

“FIFO是一个硬件环形的缓冲队列，物理上不可寻址，不可见，仅SSPDR这个FIFO出口可见。”

“SSP接口向SPI总线发送数据时，数据先存到SSPDR当中，由Tx FIFO的状态及总线是否空闲决定已经存入到SSPDR当中的数据何时进行发送。”

“因为Tx FIFO的深度是有限的，每次发送过程中都是将现有FIFO中所有数据一起发送，所以SSPDR可以理解为发送过程当中的数据缓冲寄存器。”

以上我从网络上面摘录下来的。通过FIFO的介绍可以得出，当程序执行到Chip_SSP_SendFrame()时，仅将数据“塞入”FIFO，并在成功“塞入”后即返回。而此时数据并未成功发送，但片选CS信号 却在Chip_SSP_SendFrame()返回后，误认为其成功执行而对片选CS信号进行了释放拉高操作，待SPI外设真正发送数据时，此时片选CS信号已经释放，LCD驱动芯片也就不会再接收其数据了。没有了正确的输入数据，屏幕也就“漆黑一片”了。

分析问题已经完成，那么下面我们就着手解决问题。

通过阅读官方技术手册，可以查询到BUSY标志位代表SPI外设正在发送操作，所以我们仅需要在此标志位清零后再执行片选CS释放即可。源代码如下：

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系列微处理器对外设增加FIFO可以减少数据中断的调用，提高整体通讯效率，而这也恰恰营造了一种“异步”指令处理的环境。这时，也就出现了我们的微处理器在代码执行顺序上面出现了没有按“顺序”执行的问题。

在增加了等待指令后，软件的操作顺序与期望顺序一致，TFT LCD驱动显示正常。我们在软件设计时，合理使用硬件外设提供的FIFO功能，充分利用其优势，规避其使用过程中的副作用。虽然本次FIFO带来了一些困扰，但从整体的系统角度来讲，仍然提升了我们的系统效率。