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STM32H7 驱动 ST7789V 的高阶玩法：用 LTDC 玩转 SPI 屏幕

你有没有遇到过这种情况？明明主控是 STM32H7，主频跑到了 480MHz，FPU、DMA、浮点运算样样不缺，结果一接上一块常见的ST7789V 驱动的小 TFT 屏（比如 1.3” 或 2.4”），UI 就卡得像老式诺基亚？

问题出在哪？不是芯片性能不行，而是我们“杀鸡用了宰牛刀”——把高性能 MCU 当成了普通单片机来用。

传统做法是靠 CPU 轮询 + SPI 发数据，每刷一次屏就得阻塞几十毫秒。GUI 框架（如 LVGL）刚画完一帧，还没来得及响应触摸，下一帧又开始了……画面撕裂、延迟严重、系统卡顿，用户体验直接归零。

那有没有办法让这块小屏幕也“享受”到 H7 级别的图形待遇？答案是：有！而且不需要外挂 GPU，也不需要 FPGA。

本文将带你深入实践一种“非典型但高效”的方案：利用 STM32H7 内置的 LTDC 外设，间接驱动原本只支持 SPI 接口的 ST7789V 显示屏。通过构建“逻辑显存 + 物理同步”的混合架构，实现接近 RGB 屏级别的刷新体验。

为什么 ST7789V 不该被“慢待”？

ST7789V 是目前最流行的 TFT-LCD 驱动 IC 之一，广泛用于各种圆形、方形小尺寸彩屏模块（240×240、240×320）。它体积小、成本低、接口灵活，非常适合嵌入式设备。

但它的问题也很明显：

• 使用SPI 四线制通信（SCK、MOSI、CS、DC），带宽有限；
• 没有硬件 VSYNC 输入引脚，难以精确同步；
• 刷新依赖主机逐像素发送数据，CPU 占用高；
• 全屏刷新一次动辄十几甚至几十毫秒，动画根本谈不上流畅。

于是很多人退而求其次，只能做静态界面，或者牺牲帧率保响应。

但其实，这并不是 ST7789V 的错，而是我们没把它放在正确的系统架构里。

LTDC：被低估的“图形引擎”

STM32H7 系列最大的优势之一，就是集成了一个真正的LCD-TFT 显示控制器（LTDC）。这个外设本意是用来驱动带有 RGB 并行接口的大屏，比如 480×272、800×480 的工业显示屏。

它的能力非常强：

• 自主生成 HSYNC、VSYNC、PIXCLK、DE 等时序信号；
• 支持双图层合成、Alpha 混合、颜色格式转换；
• 可直接从 SDRAM 或 AXI SRAM 中读取帧缓冲数据；
• 启动后无需 CPU 干预，持续输出视频流；
• 支持高达 60fps 的稳定刷新。

换句话说，LTDC 是一个可以独立运行的“迷你显卡”。

可问题是：ST7789V 并没有 RGB 接口啊！

别急。我们可以换个思路——既然不能直接驱动，那就让它“假装在驱动”。

核心思想：虚拟显存 + 异步同步

关键在于理解一点：LTDC 并不关心屏幕长什么样，它只负责从内存里读数据，并按时序发出去。

所以，哪怕没有物理连接的 RGB 屏，我们也可以分配一块内存区域作为“逻辑帧缓存”，让 LTDC 周期性地从中读取数据。这块内存就成了“虚拟屏幕”。

然后，再通过另一条通路——SPI + DMA——把这个虚拟显存的内容，定期搬运到 ST7789V 的实际 GRAM 中。

这就形成了一个“双轨制”结构：

LTDC → 管理显存内容
SPI-DMA → 同步显存到屏幕

两者解耦，各司其职。LTDC 负责维持稳定的刷新节奏，SPI-DMA 负责最终的数据落地。

这种设计下，CPU 几乎完全解放，图形性能跃升几个档次。

关键组件拆解

1. LTDC 如何“无中生有”？

虽然没有接真正的 RGB 屏，但我们仍需初始化 LTDC，配置以下参数：

LTDC_InitTypeDef ltdc_init = {0}; ltdc_init.HSPolarity = LTDC_HSPOLARITY_AL; // 水平同步低电平有效 ltdc_init.VSPolarity = LTDC_VSPOLARITY_AL; // 垂直同步低电平有效 ltdc_init.DEPolarity = LTDC_DEPOLARITY_AL; ltdc_init.PCPolarity = LTDC_PCPOLARITY_IPC; // 分辨率：240x240 ltdc_init.HorizontalSync = 10 - 1; // HSYNC width ltdc_init.VerticalSync = 2 - 1; // VSYNC height ltdc_init.AccumulatedHBP = 10 + 20 - 1; // 包含HSYNC的水平后沿 ltdc_init.AccumulatedVBP = 2 + 20 - 1; // 垂直后沿 ltdc_init.AccumulatedActiveW = 240 + 30 - 1; // 总宽度 ltdc_init.AccumulatedActiveH = 240 + 40 - 1; // 总高度 ltdc_init.TotalWidth = 240 + 30 + 10; // 总行周期 ltdc_init.TotalHeigh = 240 + 40 + 2; HAL_LTDC_Init(&hltdc);

这些时序参数并不控制真实信号（因为没接线），但它们决定了 LTDC 的刷新频率和中断触发时机。

更重要的是，我们可以启用LTDC_LAYER1->CFBAR寄存器来指向当前显示的帧缓冲地址，为后续双缓冲切换打基础。

2. 双缓冲机制：告别撕裂的关键

传统的单缓冲模式下，CPU 绘图和屏幕读取共享同一块内存，极易出现“边画边显”的撕裂现象。

而双缓冲则引入两个独立的帧缓冲区：

• 前台缓冲区（Front Buffer）：当前正在显示的内容。
• 后台缓冲区（Back Buffer）：应用程序正在绘制的下一帧。

当后台绘制完成，我们在垂直消隐期（VBlank）进行切换，确保用户看不到中间状态。

在 STM32H7 上，这个切换只需要一行代码：

LTDC_LAYER1->CFBAR = (uint32_t)back_buffer_address; LTDC->SRCR = LTDC_SRCR_IMR; // 立即重载

由于只是修改指针，切换几乎是瞬时完成的，毫无延迟。

更妙的是，我们可以结合VSYNC 中断来精准控制翻转时机：

void HAL_LTDC_LineEvenCallback(LTDC_HandleTypeDef *hltdc) { if (frame_ready && !flip_pending) { uint32_t next_buf = (current_buffer == BUFFER_A) ? BUFFER_B : BUFFER_A; LTDC_LAYER1->CFBAR = next_buf; LTDC->SRCR = LTDC_SRCR_IMR; current_buffer = next_buf; flip_pending = 0; // 通知 GUI 库开始新一帧绘制 lvgl_update_draw_buffer(next_buf); } }

这样一来，整个刷新过程变得极其平稳，动画丝滑如德芙。

3. 显存放哪？选对位置很重要

STM32H7 有多种内存可供选择：

对于 240×240 × 2B（RGB565）= 115.2KB 的双缓冲需求，AXI SRAM 是最佳选择。

它位于 AXI 总线上，LTDC 和 DMA 都能高速访问，避免总线争抢导致掉帧。

#define BUFFER_SIZE (240 * 240 * 2) #define FRAME_BUFFER_A (0x24000000U) #define FRAME_BUFFER_B (0x24000000U + BUFFER_SIZE)

记得在链接脚本中保留这部分空间，不要被堆栈占用。

4. 把数据“搬”到 ST7789V：SPI-DMA 桥接

现在逻辑帧缓存已经由 LTDC 管理起来了，接下来是如何把这块内存的内容写进 ST7789V。

流程如下：

1. 触发Memory Write命令（0x2C）；
2. 设置显示窗口（CASET/RASET）；
3. 开启 SPI-DMA，传输整块缓冲区数据。

重点来了：SPI 本身无法区分命令和数据，所以我们必须手动控制 DC 引脚。

常见做法是在发送命令时关闭 DMA，进入普通模式；发送大量像素数据时再开启 DMA。

但这样效率低，上下文切换频繁。

更好的方式是使用双 DMA 通道 + GPIO 模拟 DC 控制，或者采用SPI 在 TXE 中断中动态切换 DC。

不过更简洁的做法是：先用普通 SPI 发送命令，再启动 DMA 发送像素流。

示例代码：

void flush_display_area(uint32_t buffer_addr, uint16_t x1, uint16_t y1, uint16_t x2, uint16_t y2) { st7789_set_window(x1, y1, x2, y2); // 发送 CASET/RASET // 发送写内存命令 DC_PIN_LOW(); HAL_SPI_Transmit(&hspi2, (uint8_t[]){0x2C}, 1, HAL_MAX_DELAY); DC_PIN_HIGH(); // 启动 DMA 传输像素数据 HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi2, (uint8_t*)buffer_addr, BUFFER_SIZE); }

为了进一步提升效率，建议将 SPI 时钟配到60MHz（PCLK2/2），并启用 FIFO 模式。

5. 结合 LVGL 实现现代化 UI

这套架构与 LVGL 天然契合。LVGL 的flush_cb回调正好用来触发 SPI-DMA 刷新：

void my_flush_cb(lv_disp_drv_t *disp, const lv_area_t *area, lv_color_t *color_p) { // 这里的 color_p 实际上就是当前后台缓冲区的起始地址 flush_display_area((uint32_t)color_p, area->x1, area->y1, area->x2, area->y2); // 告诉 LVGL 正在异步刷新 lv_disp_flush_ready(disp); }

同时，在 VSYNC 中断中完成缓冲区翻转，形成闭环。

整个系统就像一台微型“嵌入式显卡工作站”：CPU 专注业务逻辑，LTDC 维持刷新节奏，DMA 搬运数据，LVGL 构建 UI。

常见坑点与调试秘籍

❌ 坑点1：SPI 传输后画面乱码

原因通常是DC 引脚状态不同步。例如 DMA 正在发数据时，DC 被意外拉低，导致部分数据被当作命令解析。

✅ 解法：
- 使用专用 GPIO 控制 DC，禁止与其他信号复用；
- 在 DMA 传输期间禁用任何可能干扰 DC 的中断；
- 或考虑使用硬件 NSS + 软件模拟 DC 的组合。

❌ 坑点2：刷新延迟大，跟不上 LTDC 节奏

若 SPI 速率太低（<30MHz），DMA 传输耗时超过 16ms（60Hz 周期），就会导致“前一帧还没传完，新帧已开始”的情况。

✅ 解法：
- 提高 SPI 时钟至 45–60MHz；
- 使用局部刷新（Partial Update），只更新变化区域；
- 引入三缓冲机制，增加一个“待传输缓冲区”。

❌ 坑点3：显存数据异常，颜色失真

AXI SRAM 虽然快，但如果开启了 cache，而 DMA 写入的是未清空的缓存区域，可能导致脏数据。

✅ 解法：

SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)buf, size); // 传输前失效缓存

尤其在使用外部 SDRAM 时更要注意。

✅ 秘籍：利用 TE 引脚实现硬同步

部分 ST7789V 模块支持TE（Tearing Effect）输出引脚，可在每帧开始时发出一个脉冲。

我们可以将其接到 STM32 的 EXTI 中断，真正实现与屏幕刷新同步：

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { if (GPIO_Pin == TE_PIN) { // 此时屏幕即将开始扫描第一行 schedule_dma_transfer(current_buffer); } }

比软件定时更精准，彻底杜绝撕裂。

性能对比：从“能看”到“好用”

看到差距了吗？同样的硬件平台，不同的架构设计，带来的是质的飞跃。

更进一步：不只是显示

一旦你掌握了这套“软硬协同”的思维方式，就可以拓展更多高级功能：

• DMA2D 加速绘图：清屏、填充、拷贝、混合，全部硬件完成；
• JPEG 解码显示：配合 Chrom-ART 加速器，直接渲染压缩图片；
• 触摸屏联动：结合 FT5X06 或 XPT2046，实现完整 HMI；
• 背光 PWM 调光：根据环境光自动调节亮度；
• 低功耗模式：静止画面时暂停刷新，仅差分更新。

未来甚至可以尝试将此模式迁移到其他平台，比如 GD32H、APM32H 或 RISC-V 架构中具备类似显示控制器的芯片。

写在最后

很多开发者总觉得：“我只是用了一块便宜的 SPI 屏，没必要搞这么复杂。”

但用户体验从来不是由硬件成本决定的。一块 10 块钱的屏幕，只要架构得当，也能呈现出媲美高端设备的交互质感。

本文所展示的方案，并非“炫技”，而是一种工程思维的升级：
不要让外设适应你的习惯，而要让你的设计发挥外设的最大潜力。

LTDC 不是用来吃灰的，它是你打造专业级 HMI 的秘密武器。

下次当你拿起一块 ST7789V 模块时，不妨问自己一句：
我是不是还可以让它，再快一点？