基于Lattice XO2-4000HC FPGA核心板的SSD1306 OLED12832驱动芯片指令及工作方式详述(Verilog)

📌 前言

本篇文章为《基于Lattice XO2-4000HC FPGA核心板及电子森林综合训练底板的ADC数字电压表及OLED显示设计(Verilog)》一文的延伸，针对该项目中的SSD1306 OLED显示屏驱动的指令及工作（扫描）方式进行较为详细的说明，并结合原文中oled_driver_adc驱动模块的部分代码进行详细分析。

👉 注意事项及源代码参见原文。

🎁 oled_driver_adc驱动顶层模块代码

为便于后续对照代码进行说明，在此先贴出源代码，子模块的代码在原文中给出，简要而言为两个只读ROM，分别读取命令编码及字符编码。

module oled_driver_adc #(parameter CMD_WIDTH = 8,   		// LCD命令宽度parameter CMD_DEPTH = 5'd25, 	// LCD初始化的命令的数量parameter CHAR_WIDTH = 40,		// 一个文字的数据宽度parameter CHAR_DEPTH = 7'd123	// 文字库数量
)(input sys_clk,input rst_n,input [7:0] oled_display_digital, 	// 两位ADC数据（一位小数）output reg oled_csn,				//OLCD液晶屏使能output reg oled_rst,				//OLCD液晶屏复位output reg oled_dcn,				//OLCD数据指令控制output reg oled_clk,				//OLCD时钟信号output reg oled_data				//OLCD数据信号
);localparam IDLE = 3'b0, MAIN = 3'b1, INIT = 3'b10;localparam SCAN = 3'b11, WRITE = 3'b100, DELAY = 3'b101;localparam HIGH	= 1'b1, LOW = 1'b0;localparam DATA	= 1'b1, CMD = 1'b0;wire [CMD_WIDTH-1:0]  cmd_out;		// cmd_RAM输出的8位命令wire [CHAR_WIDTH-1:0] char_out;   	// data_RAM输出的40位文字reg [7:0] wr_reg;reg	[7:0] ypage, xpage_high, xpage_low;reg	[(8*21-1):0] char;				// 字符串reg	[4:0] char_num;   				// 文字个数 最多16reg [4:0] cmd_addr;reg [7:0] char_addr;reg	[2:0] cnt_main;reg [2:0] cnt_init;reg [3:0] cnt_scan;reg	[4:0] cnt_write;reg	[14:0]num_delay, cnt_delay;reg	[2:0] state, state_last;oled_cmd_RAM #(.RAM_WIDTH(CMD_WIDTH),.RAM_DEPTH(CMD_DEPTH),.ADDR_WIDTH(5)) CMD_RAM(.clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.re(oled_dcn),.addr(cmd_addr),.data(cmd_out));oled_char_RAM #(.RAM_WIDTH(CHAR_WIDTH),.RAM_DEPTH(CHAR_DEPTH),.ADDR_WIDTH(8)) CHAR_RAM(.clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.re(oled_dcn),.addr(char_addr),.data(char_out));always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) begincnt_main <= 1'b0; cnt_init <= 1'b0; cnt_scan <= 1'b0; cnt_write <= 1'b0;wr_reg <= 1'b0;ypage <= 1'b0;xpage_high <= 1'b0; xpage_low <= 1'b0;char <= 1'b0; char_num <= 1'b0;cmd_addr <= 1'b0;char_addr <= 1'b0;num_delay <= 15'd5; cnt_delay <= 1'b0; oled_csn <= HIGH; oled_rst <= HIGH; oled_dcn <= CMD; oled_clk <= HIGH; oled_data <= LOW;state <= IDLE; state_last <= IDLE;end else begincase(state)IDLE: begincnt_main <= 1'b0; cnt_init <= 1'b0; cnt_scan <= 1'b0; cnt_write <= 1'b0;wr_reg <= 1'b0;ypage <= 1'b0;xpage_high <= 1'b0; xpage_low <= 1'b0;char <= 1'b0; char_num <= 1'b0; cmd_addr <= 1'b0;char_addr <= 1'b0;num_delay <= 15'd5; cnt_delay <= 1'b0; oled_csn <= HIGH; oled_rst <= HIGH; oled_dcn <= CMD; oled_clk <= HIGH; oled_data <= LOW;state <= MAIN; state_last <= MAIN;endMAIN: beginif(cnt_main >= 3'd6)cnt_main <= 3'd5;else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;case(cnt_main)	//MAIN状态3'd0: begin state <= INIT; end3'd1: begin ypage <= 8'hb0; xpage_high <= 8'h10; xpage_low <= 8'h00; char_num <= 5'd16; char <= "ADC DATA DISPLAY";state <= SCAN; end3'd2: begin ypage <= 8'hb1; xpage_high <= 8'h10; xpage_low <= 8'h00; char_num <= 5'd16; char <= "VOLTAGE:   . V  ";state <= SCAN; end3'd3: begin ypage <= 8'hb2; xpage_high <= 8'h10; xpage_low <= 8'h00; char_num <= 5'd16; char <= "AUTHOR: ZIRU PAN";state <= SCAN; end3'd4: begin ypage <= 8'hb3; xpage_high <= 8'h10; xpage_low <= 8'h00; char_num <= 5'd16; char <= "                ";state <= SCAN; end3'd5: begin ypage <= 8'hb1; xpage_high <= 8'h15; xpage_low <= 8'h00; char_num <= 5'd1 ; char <= oled_display_digital[7:4]; state <= SCAN; end3'd6: begin ypage <= 8'hb1; xpage_high <= 8'h16; xpage_low <= 8'h00; char_num <= 5'd1 ; char <= oled_display_digital[3:0]; state <= SCAN; enddefault: state <= IDLE;endcaseendINIT: begin	//初始化状态case(cnt_init)5'd0: begin oled_rst <= LOW; cnt_init <= cnt_init + 1'b1; end	//复位有效5'd1: begin num_delay <= 15'd25000; state <= DELAY; state_last <= INIT; cnt_init <= cnt_init + 1'b1; end	//延时大于3us5'd2: begin oled_rst <= HIGH; cnt_init <= cnt_init + 1'b1; end	//复位恢复5'd3: begin num_delay <= 15'd25000; state <= DELAY; state_last <= INIT; cnt_init <= cnt_init + 1'b1; end	//延时大于220us5'd4: begin if(cmd_addr >= CMD_DEPTH) begincmd_addr <= 1'b0;cnt_init <= cnt_init + 1'b1;end else begin	cmd_addr <= cmd_addr + 1'b1; num_delay <= 15'd5;oled_dcn <= CMD; wr_reg <= cmd_out;state <= WRITE; state_last <= INIT;endend5'd5: begin cnt_init <= 1'b0; state <= MAIN; enddefault: state <= IDLE;endcaseendSCAN: beginif(cnt_scan == 4'd12) beginif(char_num) cnt_scan <= 4'd3;else cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1;end else if(cnt_scan == 4'd13) cnt_scan <= 4'd0;else cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1;case(cnt_scan)4'd0: begin oled_dcn <= CMD; wr_reg <= ypage; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end    	//定位列页地址4'd1: begin oled_dcn <= CMD; wr_reg <= xpage_low; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end	//定位行地址低位4'd2: begin oled_dcn <= CMD; wr_reg <= xpage_high; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end	//定位行地址高位4'd3: begin char_num <= char_num - 1'b1; end4'd4: begin char_addr <= char[(char_num*8)+:8]; end4'd5: begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= 8'h00; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end	//5*8点阵变成8*84'd6: begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= 8'h00; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end	//5*8点阵变成8*84'd7: begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= 8'h00; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end	//5*8点阵变成8*84'd8: begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= char_out[39:32]; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end4'd9: begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= char_out[31:24]; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end4'd10:begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= char_out[23:16]; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end4'd11:begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= char_out[15:8] ; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end4'd12:begin oled_dcn <= DATA; wr_reg <= char_out[7:0]  ; state <= WRITE; state_last <= SCAN; end4'd13:begin state <= MAIN; enddefault: state <= IDLE;endcaseendWRITE: begin	//WRITE状态，将数据按照SPI时序发送给屏幕if(cnt_write >= 5'd17) cnt_write <= 5'd0;else cnt_write <= cnt_write + 1'b1;case(cnt_write)5'd0: begin oled_csn <= LOW; end	//9位数据最高位为命令数据控制位5'd1: begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[7]; end	//先发高位数据5'd2: begin oled_clk <= HIGH; end5'd3: begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[6]; end5'd4: begin oled_clk <= HIGH; end5'd5: begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[5]; end5'd6: begin oled_clk <= HIGH; end5'd7: begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[4]; end5'd8: begin oled_clk <= HIGH; end5'd9: begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[3]; end5'd10:begin oled_clk <= HIGH; end5'd11:begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[2]; end5'd12:begin oled_clk <= HIGH; end5'd13:begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[1]; end5'd14:begin oled_clk <= HIGH; end5'd15:begin oled_clk <= LOW; oled_data <= wr_reg[0]; end	//后发低位数据5'd16:begin oled_clk <= HIGH; end5'd17:begin oled_csn <= HIGH; state <= DELAY; enddefault: state <= IDLE;endcaseendDELAY: beginif(cnt_delay >= num_delay) begincnt_delay <= 15'd0; state <= state_last; end else cnt_delay <= cnt_delay + 1'b1;enddefault: state <= IDLE;endcaseendend
endmodule

☔️ OLED驱动原理简述

📎 结构及引脚分配

该部分参看SSD1306 OLED驱动芯片 详细介绍、百度云：SSD1306 英文手册（提取码csdn，由于CSDN存在相同资源但是不免费）及百度文库：SSD1306 中文手册，在此不做详述。

🎲 MCU总线接口：4线SPI

关于SSD1306的总线接口，在上述参考链接中均有说明，在此对原文FPGA核心板中所使用的4线SPI接口做详细说明。

FPGA GPIO与OLED（其实是与SSD1306，该驱动集成在显示屏背部）结构连接电路图如下图所示，包括VCC、串行时钟(SCLK)、串行数据(SDIN)、数据/命令控制(D/C)、片选(CS#)及一复位(RES)。

在SCLK每个上升沿，SDIN上的数据按MSB~LSB顺序移位到一个8位移位寄存器中。每八个时钟对D/C进行一次采样，移位寄存器中的8位数据根据D/C的采样结果决定写入到图形显示数据RAM(GDDRAM)或命令寄存器。其写时序如下图所示：

根据上述4线SPI接口的工作原理，即：片选有效后，命令解码模块根据D/C#确定输入数据是被解释为数据还是命令。D/C#引脚为HIGH，SDIN输入的D[7:0]则被解释为写入图形显示数据RAM (Graphic Display Data RAM, GDDRAM)的显示数据。如果是LOW，则D[7:0]被解释为命令，然后被解码并写入相应的命令寄存器。

代码中，在INIT状态下5’d4处cmd_addr <= cmd_addr + 1'b1; oled_dcn <= CMD; wr_reg <= cmd_out;即指定D/C#为低电平，而后输入的cmd_out则被解释为命令编码，并存入相应寄存器中。

SCAN状态中，oled_dcn <= DATA则指定D/C#为高电平，而后输入wr_reg的数据为字符编码的一个八位，连续输入5次，则代表一个字母的全部显示编码，这杯解释为图形显示数据，则存入GDDRAM中。

🔬 OLED驱动模块工作分析（结合代码）

🎨 图形显示数据RAM(GDDRAM)

GDDRAM是一个位映射静态RAM，保存要显示的位模式。内存大小为128×64位，分成8页，从PAGE0到PAGE7，用于黑白128×64点阵显示，如下图所示。

注：重映射在后文说明。

当一个数据字节被写入GDDRAM时，当前列同页的所有行图像数据被填充(即列地址指针指向的整个列(8位)被填充)。数据位D0被写入顶部行。数据位D7写入底部一行。

寻址模式

在SSD1306中有3种不同的内存寻址模式：页寻址模式、水平寻址模式和垂直寻址模式。设置寻址模式需要两个字节的命令：

1. 20H，00H：水平寻址模式；
2. 20H，01H，垂直寻址模式；
3. 20H，02H，页寻址模式（复位）；
4. 20H，03H，无效。

页寻址模式

页面寻址模式(A[1:0]-10xb)页寻址模式。当GDDRAM被读写后，列地址指针自动增加1。如果列地址指针到达列结束地址，列地址指针将重置为列起始地址，页地址指针不变。用户必须设置新的页面和列地址，以便访问下一页RAM内容。页寻址模式的页和列地址的移动顺序如下图所示。

在正常GDDRAM读写和页寻址模式下，需要定义启动RAM访问指针的位置：

1. 通过命令B0H~B7H设置目标显示位置的页面起始地址;
2. 通过命令00H~0FH设置指针的较低列地址，高4位恒定为00H，低4位为要设置的起始列地址的低4位；
3. 通过命令10H~1FH设置指针的较高列地址，高4位恒定为01H，低4位为要设置的起始列地址的高4位；
4. *例如：设定B0H、00H、15H，则指针在PAGE1，COL80(50H = 80D)的COM0处。

例如，页面地址设置为B2H，较低列地址为03H，较高列地址为10H。这意味着起始列是PAGE2的SEG3。内存访问指针的位置如下图所示，输入数据字节将被写入RAM第3列的位置。

代码中，MIAN状态下设置了要显示的字符串，其中ypage指定了页，xpage_low与xpage_high指定了低与高列地址。由于该OLED屏幕为128×32，因此分为4页(page)和SEG0~SEG127，则ypage = 8'hb0~8'hb3。

由于每个字符为5×8，保持恰当的字间距使之扩充为8×8，因此一行可以显示16个字符，对于代码中需要不断动态刷新的一行字符串 “VOLTAGE:空空空.空V空空”，两个不断更新的数字需要在第三和第四个“空”字处，因此单独设置这两个字符的访问指针为：

ypage <= 8'hb1; xpage_high <= 8'h15; xpage_low <= 8'h00; // 50H = 80(COL)
ypage <= 8'hb1; xpage_high <= 8'h16; xpage_low <= 8'h00; // 60H = 96(COL)

对于满满一行字符串，则设置高低列地址均为00H，则指针在该页COL0处。

水平模式寻址

在水平寻址模式下，当GDDRAM被读写后，列地址指针自动增加1。如果列地址指针到达列结束地址。列地址指针被重置为列起始地址，页地址指针增加1。

水平寻址模式下，页面和列地址的移动顺序如下图所示。当列地址指针和页地址指针都到达结束地址时，指针被重置为列起始地址和页起始地址（图中虚线）。

垂直模式寻址

在垂直寻址模式下，当GDDRAM被读写后，页面地址指针自动增加1。如果页面地址指针到达页面结束地址，页面地址指针被重置为页面开始地址，列地址指针加1。

垂直寻址方式下，页面和列地址的移动顺序如下图所示。当列地址指针和页地址指针都到达结束地址时，指针被重置为列起始地址和页起始地址（图中虚线）。

重映射及多路复用

1. A0/A1，设置段映射：

• A0H：列地址0映射到SEG0（复位状态）；
• A1H：列地址127映射到SEG0，即原本：SEG0对应COL0→SEG127对应COL127，现在映射为：SEG0对应COL127→SEG127对应COL0。

2. A8 + A[5:0] (00H~3FH)，设置多路复用率(MUX Ratio)为N+1：A[5:0]从0到14的取值都是无效的。代码中，命令RAM中8'ha8后接8'h1F，则指定复用率(MUX Ratio) = 1FH + 1 = 20H，则复用率为20H。

3. C0/C8，设置COM输出扫描方向：

• C0：正常模式（复位状态），从COM0→COM[N-1]；
• C1：重映射模式，扫描从COM[N-1]→COM0，其中N为复用率。上述复用率设置为20H，代码中指定为C0，则从COM0→COM31进行扫描。

5. DA + A[5:4] (02H/12H/22H/32H)：设置COM引脚的硬件配置（以复用率为64为例）：

• A[5:4] = 00H：顺序COM引脚配置，禁止COM左右重映射，当扫描方向为COM0→COM63，COM的配置如下图；当扫描方向为COM63→COM0，为第二幅图。
  
  

• A[5:4] = 10H：顺序COM引脚配置，允许COM左右重映射，当扫描方向为COM0→COM63，COM配置如下图，当扫描方向为COM63→COM0，为第二幅图。
  
  

• A[5:4] = 01H：备用COM引脚配置（奇偶间隔），禁止COM左右重映射，当扫描方向为COM0→COM63，COM配置如下图，当扫描方向为COM63→COM0，为第二幅图。
  
  

• A[5:4] = 11H：备用COM引脚配置（奇偶间隔），允许COM左右重映射，当扫描方向为COM0→COM63，COM配置如下图，当扫描方向为COM63→COM0，为第二幅图。
  
  
  代码中，命令RAM中8'hda后接8'h02，则指定A[5:4] = 00H，顺序配置COM引脚，禁止引脚左右重映射，扫描方向为COM31→COM0。

🍥 代码中使用的工作方式

OLED屏幕上显示出字符的方式不唯一，这与OLED屏幕加载的命令、输入字符编码的顺序等均有关系。

⚠️ 注意：经作者实验，OLED屏幕正面看右上角可能为每一页的COL0、ROW0处；从上至下依次为PAGE3/2/1/0。

单个字符编码

首先考虑代码中，oled_char_RAM中储存的字符编码是怎么一回事。例如：

Mem[ 50] = {8'h42, 8'h61, 8'h51, 8'h49, 8'h46};   // 50  2

在无段映射（SEG与COL一致，SEG0）、扫描方向为正向（COM0→COM7），写入GDDRAM时先写入字符编码高位，WRITE状态下先写入一个字节编码的高位时表示字符“2”的字符编码为如下图所示：

为正常显示，需要改变扫描方向和SEG重映射：

字符串写入顺序

字符串由多个字符组成，因此相较于单个字符存在字符扫描顺序问题。该问题取决于页选址模式小节中GDDRAM访问指针的位置。

在无段映射（SEG与COL一致，A0H）、扫描方向为正向（COM0→COM7，C0H），写入GDDRAM时先写入字符编码高位，正序读入字符串时字符串“27”显示的效果为：

指针从右上方红色箭头处开始朝下扫描。

而原文所提供的代码其字符串扫描顺序如下图所示，具体方式说明见后：

指针从左下方红色箭头处开始朝上扫描。

在oled_cmd_RAM中设置了段重映射，因此SEG0对应COL127→SEG127对应COL0；设置反向扫描，因此每一页(page)从下往上填充一个八位编码。

在读入显示数据（D/C = 1）时，先需要在D/C = 0下输入3个字节的命令以决定RAM访问指针起始位置：ypage（设置页起始地址）、xpage_low与xpage_high（共同设置COL地址）。

在SCAN状态下，记录字符个数的计数器char_num是倒序的，由于char_addr <= char[(char_num*8)+:8]，字符串从最左侧（高位）开始取字符编码（示例中先扫描“2”）。程序中，由于字符编码为5×8，需要扩充至8×8才可在每个字符间保持恰当的间距，因此先输入3列8'h00（空白），而后再读入字符编码。读入字符编码时，程序中先读入字符“2”的高位(8’h42)→低位(8’h46)，并且写入COM中的一个八位编码(8’h42)顺序为：01000010。

多行字符串写入顺序

多行字符串写入需要增加PAGE的控制。具体体现在代码中，由于是页寻址模式，扫描每一行字符串需要设置不同的ypage、xpage_low、xpage_high。