在點(diǎn)陣屏上面繪圖—LCD12864控制的詳解

怎樣在點(diǎn)陣屏上繪圖——基于LCD12864

LCD12864：

   — 預(yù)備知識(shí) — 
其實(shí)，本文應(yīng)該算是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)具體分支，所以，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最基本要求就是本文的基本要求了，由于考慮到各位大兄弟的胃口，我就多啰嗦下。 

1、位操作 
像LCD12864這一種二值屏幕，我們往往習(xí)慣于使用1個(gè)字節(jié)表示連續(xù)的8個(gè)點(diǎn)，1對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)位被點(diǎn)亮，0則表示不亮，所以對(duì)于圖形的操作最基本的手段那就是位操作了。 
復(fù)習(xí)一下常用的位操作，假設(shè)Dis表示是某一個(gè)現(xiàn)存地址的內(nèi)容 
Dis = Dis~     黑白顛倒 
Dis &= ~(1<<n) 第n處被擦去， 
Dis |= (1<<n)   第n處被畫了一個(gè)點(diǎn) 
Dis ^= (1<<n)   如果n處是亮的，就變被擦掉；如果n處是空白的，就被點(diǎn)亮了…… 
…… 差不多也就是這些 

2、作圖的原理 
點(diǎn)是一切光柵顯示設(shè)備最基本的要素，所有的操作也都是以點(diǎn)為基礎(chǔ)的，所以要學(xué)會(huì)如何去利用點(diǎn)構(gòu)成線、圓、填充就是必須要掌握的——幾何不能夠太差。 
還有，結(jié)合屏幕硬件的特點(diǎn)，對(duì)于算法進(jìn)行優(yōu)化的一些方法也是需要去掌握的。比方說：如何填充之類的……后面還會(huì)針對(duì)于LCD12864來作詳細(xì)的介紹。 

3、人機(jī)交互學(xué) 
雖然說很多的人都沒有去實(shí)實(shí)在在的學(xué)過這門功課，但是多多少少還是對(duì)于界面應(yīng)該都有些許了解。如何去利用手中的基本操作函數(shù)來做出一些特效？如何安排窗體？如何繪制圖形界面的一些基本元素，例如按鈕，
甚至如何的顯示漢字，都是人際交互學(xué)需要教會(huì)你的——總而言之，如果你是沒有學(xué)過這一門課程，你的產(chǎn)品 只有你自己一個(gè)人用的話——那就跟著感覺走，沒錯(cuò)的。 

4、最最重要的物質(zhì)基礎(chǔ) 
你需要掌握一種單片機(jī)，掌握到一種點(diǎn)陣屏幕。 

怎樣在點(diǎn)陣屏上繪圖——基于LCD12864
Chapter One  

— 從點(diǎn)滴開始 —  



前面就已經(jīng)說過了，對(duì)于柵格的顯示設(shè)備來說，點(diǎn)是一切圖形的基礎(chǔ)，說白了，不會(huì)在液晶屏幕的任意位置隨心所欲的畫點(diǎn)就不能夠說你已經(jīng)掌握了某一種液晶屏幕的使用了。事實(shí)上，根據(jù)筆者的一些經(jīng)驗(yàn)，嘗試畫點(diǎn)
往往就能暴露出很多的問題。就拿LCD12864來說，一段時(shí)間，筆者經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，在片切換的地方就會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)錯(cuò)誤…… 



在說明如何畫點(diǎn)之前我先說明一個(gè)概念：顯示緩沖區(qū)。 

所謂的顯示緩沖區(qū)，顧名思義，它就是顯示數(shù)據(jù)的一個(gè)緩沖地帶罷了。在一般情況下，我們繪圖也是直接的對(duì)
這塊緩沖區(qū)域進(jìn)行操作。 

很多朋友現(xiàn)在就要提問了：我們?yōu)槭裁床恢苯拥膶?duì)屏幕進(jìn)行操作呢？ 

事實(shí)上，LCD本身就存在著一塊顯示存儲(chǔ)器，也可以被認(rèn)為是一個(gè)顯示緩存，直接寫在這個(gè)存儲(chǔ)器上的數(shù)據(jù)并非是直接顯示出來的，而多半是需要一個(gè)顯示指令來影射一下。我們有的時(shí)候也會(huì)通過這種類似的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)很大的圖片顯示——先畫好，然后再拿給大家看，讓人以為你是一下就畫好了的，當(dāng)然如果你刻意的需要那種圖片被“畫”出來的效果，則不在討論之列了。問題就在于，LCD是片外的資源，對(duì)其存儲(chǔ)器的訪問可以被認(rèn)為是對(duì)片外存儲(chǔ)器的訪問，其速度顯然是沒有對(duì)片內(nèi)SRAM的操作速度快。如果我們使用的是那種常用的串行方式來作圖（所謂串行方式作圖，就是繪圖指令的執(zhí)行和系統(tǒng)的其他操作是串行的，指令不完成，其它的操作就不會(huì)被執(zhí)行），那么對(duì)于一些實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)來說就會(huì)造成一些重大的隱患——甚至是不符合要求的；如果開辟一段片內(nèi)存儲(chǔ)空間和LCD的存儲(chǔ)器一一對(duì)應(yīng)，在相同的時(shí)間段之內(nèi)，花費(fèi)相同的資源來保持這兩個(gè)存儲(chǔ)空間的一致性，那么就可以保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠了，保證畫面顯示的正常（因?yàn)樵试S跳幀嘛^_^ ）。這就是我們?yōu)槭裁催€需要另外在片內(nèi)選取一個(gè)顯示緩沖區(qū)的原因了。 

以后，我們的操作都是針對(duì)于顯示緩沖區(qū)的。顯示緩沖區(qū)將會(huì)成為一個(gè)概念，無論這個(gè)緩沖區(qū)位于SRAM內(nèi)還是LCD的內(nèi)部。比方說，我們現(xiàn)在需要一個(gè)低成本的游戲機(jī) ——比如做一個(gè)貪食蛇游戲機(jī)送給老師作為課程設(shè)計(jì)，或者是送給小侄子，那么，M8甚至是M48將會(huì)成為首選，問題是，M8是絕對(duì)無法開辟出一個(gè)8 * 128 = 1K大小的數(shù)組，所以，在這個(gè)時(shí)候，認(rèn)定LCD的片內(nèi)存儲(chǔ)器作為顯示緩沖區(qū)就是不二的選擇——好在貪食蛇的速度太快了也沒有辦法玩哈。 



繞了這么多的彎子，究竟如何去畫點(diǎn)呢？我還想多補(bǔ)充一個(gè)原因，關(guān)于，為什么需要顯示緩沖區(qū)，由于點(diǎn)陣屏使用的是1個(gè)字節(jié)來表示8個(gè)點(diǎn)的，如果你想使得其中一個(gè)字節(jié)中的某一個(gè)點(diǎn)被操作而不影響到別的點(diǎn)，你起碼要知道原來這個(gè)位置是顯示的什么內(nèi)容，對(duì)于有一些使用595級(jí)聯(lián)的LCD設(shè)備來說，無法直接從LCD讀取現(xiàn)存的數(shù)據(jù)，所以開辟了一個(gè)緩沖區(qū)，從中獲得信息加以加工以后再放回去，是這種設(shè)備處理顯示圖形的唯一方法——當(dāng)然我們還沒有那么慘，但是從LCD中獲取所需點(diǎn)所在字節(jié)的內(nèi)容還是必須的，不然你畫一個(gè)點(diǎn)就會(huì)破壞其一條線上所有的數(shù)據(jù)。 



   好的，那么我們實(shí)際上已經(jīng)明確了如何去畫一個(gè)點(diǎn)。 

   首先，根據(jù)用戶給出的坐標(biāo)計(jì)算出所要畫的點(diǎn)所在現(xiàn)存內(nèi)的地址偏移量； 

   然后，我們讀出該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)； 

   再次，根據(jù)用戶所需畫點(diǎn)的類型（擦除、畫點(diǎn)、反相點(diǎn)）來進(jìn)行相應(yīng)的操作獲得一個(gè)新的數(shù)據(jù)； 

   最后，將該數(shù)據(jù)寫回原來的地址。 



   不是很難吧？ 

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LCD12864補(bǔ)充知識(shí) 

1、關(guān)于坐標(biāo)系。很多人，包括筆者，一開始都看不懂LCD12864的內(nèi)存影射方式，感覺X、Y似乎不是那么回事。后來才發(fā)現(xiàn)，只要把屏幕豎著放一切就好懂了。X還是橫軸，Y還是豎軸……但是這顯然不符合我們的習(xí)慣，我們習(xí)慣于長的那個(gè)邊作為橫軸，所以需要一點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。 

假設(shè)輸入的是正常習(xí)慣的坐標(biāo) X,Y DX DY就是LCD上的坐標(biāo)，那么轉(zhuǎn)換關(guān)系是 



char DX = (Y >> 3);                               //計(jì)算出屬于哪個(gè)字節(jié) 

char BX = Y - (DX << 3);                             //屬于該字節(jié)的哪個(gè)位 

char DY = X; 



2、讀取12864的數(shù)據(jù)的時(shí)候，一定要注意，E信號(hào)要在一個(gè)下降延之后持續(xù)拉高，然后才能正常獨(dú)處數(shù)據(jù)；假設(shè)直接拉高，的確也能讀出數(shù)據(jù)，但是，等著抓頭皮，發(fā)帖子“[跪求]大俠幫忙關(guān)于12864——請(qǐng)使用明確的大標(biāo)題……”^_^ 



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廢話少說（說的不少了），看源代碼： 

# define LCD12864_Graphic_Draw          0x01 

# define LCD12864_Graphic_Clear           0x00 

# define LCD12864_Graphic_Not          0x02 



…… 



void LCD12864Draw(char X,char Y,char Type) 

{ 

char DX = (Y >> 3);                               //計(jì)算出屬于哪個(gè)字節(jié) 

       char BX = Y - (DX << 3);                      //計(jì)算出屬于字節(jié)哪一位 

       char TempData = 0; 



       LCD12864_ChooseBoth; 

      

       setX(DX); 

       if (X > 63) 

       { 

         LCD12864_ChooseCS2; 

            X -= 64; 

       } 

       else 

       { 

         LCD12864_ChooseCS1; 

       } 

       setY(X); 

      

       TempData = getLCD12864Data(); 

      

       switch (Type) 

       { 

         case LCD12864_Graphic_Clear: 

                   TempData &= ~(1<<BX); 

                   break; 

            case LCD12864_Graphic_Not: 

                   TempData ^= (1 << BX); 

                   break; 

            default: 

                   TempData |= (1 << BX);  

       } 

      

setY(X); 

      

       sendDataToLCD(TempData); 

}


怎樣在點(diǎn)陣屏上繪圖——基于LCD12864
特別說明一下，關(guān)于貪食蛇范例的問題，這篇文章里面只會(huì)簡(jiǎn)單得提及一下。 

作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)范例，我會(huì)另外開一個(gè)帖子詳細(xì)說明開發(fā)過程。 
這個(gè)范例將作為介紹嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法的一個(gè)很好的例子，用于解釋一個(gè)系統(tǒng)和一段表示您調(diào)通了某一個(gè)功能的代碼之間有什么區(qū)別，同時(shí)也將介紹嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的幾種模式（超級(jí)循環(huán)、調(diào)度器），順便侃一侃時(shí)間驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)RTOS （Real Time Operation System實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）和RTS（Real Time System）實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
怎樣在點(diǎn)陣屏上繪圖——基于LCD12864
[本章導(dǎo)讀] 

直線由點(diǎn)構(gòu)成，更精確的說，直線是由靠近這條線的像素構(gòu)成。這就引出一個(gè)問題，究近那些點(diǎn)算是靠近一條直線；哪些點(diǎn)不算是靠近一條直線，這必須使用一種算法作為依據(jù)。實(shí)際上，圖形學(xué)算法和純幾何算法還是有很大差別的，問題就出在一個(gè)離散化上面，說白了，你畫出的直線很可能是一組波動(dòng)厲害的鋸齒象素群而不是一條看起來有規(guī)則變化的直線。 
當(dāng)然，太過于理論的東西對(duì)我們是沒有多少實(shí)際價(jià)值的。下面，我就介紹兩種常見的畫線思路，一種就是最容易被想到的直線方程計(jì)算的方法，另外一種則是被稱為布蘭森漢姆(Bresenham)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主流算法。 
   
在介紹完這兩種算法以后，我們會(huì)針對(duì)LCD12864的硬件結(jié)構(gòu)為例子，介紹，具體算法的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。
怎樣在點(diǎn)陣屏上繪圖——基于LCD12864
首先，我們從最基本的數(shù)學(xué)算法說起。 
如果我們使用公式y(tǒng) = kx + b來作為繪圖的依據(jù)，那么就需要分3種情況：水平直線，斜率為0；垂直直線，斜率為五窮達(dá)（或者說k不存在）；普通直線。 
假設(shè)我們已經(jīng)知道直線的起始坐標(biāo)點(diǎn)(Xbegin,Ybegin)和終點(diǎn)(Xend,Yend)，x,y，是當(dāng)前的坐標(biāo)點(diǎn)，如果我們通過增加x反算出y的方法的話，這個(gè)公式就可以很容易轉(zhuǎn)換為偽代碼。 
LineMode 為直線的類型：水平，垂直，普通 
if Xbegin == Xend then LineMode = 水平 
elseif Ybegin = Yend   then LineMode = 垂直 
else k = (Yend - Ybegin) / (Xend - Xbegin) 

switch LineMode 
   case 水平 
      for x = Xbegin to Xend 
         在x,Ybegin處畫點(diǎn) 
   case 垂直 
      for y = Ybegin to Yend 
         在Ebegin,y處畫點(diǎn) 
   default: 
      for x = Xbegin to Xend 
      { 
         y = kx + b 
         在x,y處畫點(diǎn) 
      } 

非常簡(jiǎn)單，不是么？注意，大部分情況下，這個(gè)算法存在很多乘法和除法，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來說，可能不是那么合適哦。畫出的點(diǎn)也基本令人滿意。
怎樣在點(diǎn)陣屏上繪圖——基于LCD12864
有了上面的代碼墊底，我想很多人都可以放心了，因?yàn)榇蟛涣伺芤粋€(gè)高速晶振也能快速的畫出直線，否則你還需要耐心的閱讀下面的算法。 

首先，我們給出這個(gè)算法的偽代碼。 
在(x1,y1)到(x2,y2)之間畫一條直線 

dx 是x到終點(diǎn)橫坐標(biāo)的距離 
dy 是y到終點(diǎn)縱坐標(biāo)的距離 
ix 是dx的絕對(duì)值 
iy 是dy的絕對(duì)值 
inc是dx和dy中較大的那個(gè) 
plot是是否要畫一個(gè)點(diǎn)的標(biāo)志位，boolean變量 

plotx 是當(dāng)前點(diǎn)所在的橫坐標(biāo) 
ploty 是當(dāng)前點(diǎn)所在的縱坐標(biāo) 
  
plotx = x1 
ploty = y1 
x = 0 
y = 0 

在 plotx,ploty畫一個(gè)點(diǎn)——起點(diǎn) 

for i = 0 to inc 增量1 
   x += ix 
   y += iy 
   plot = false 

   if x > inc then 
          plot = true 
          x -= inc 
            if dx > 0 then plotx ++ 
            if dx < 0 then plotx -- 
  
   if y > inc then 
          plot = true 
          y -= inc 
            if dy > 0 then ploty ++ 
            if dy < 0 then ploty -- 

   if plot == true then 在（plotx,ploty）處畫點(diǎn) 
這就是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中流行的布蘭森漢姆(Bresenham)算法，他的意圖就是采用離散的整數(shù)增量來代替斜率增量計(jì)算，學(xué)習(xí)這個(gè)算法，最好的方法不是看多少理論，而是按照上面的偽代碼自己完成一條直線的繪制工作，你就能心領(lǐng)神會(huì)了——不是小弟我偷懶。 

所有的計(jì)算都是簡(jiǎn)單得整數(shù)計(jì)算，代碼效率自然不用小弟我羅嗦哈。
怎樣在點(diǎn)陣屏上繪圖——基于LCD12864
俗語說，巧婦難為無米之炊，有了點(diǎn)再有了直線算法，距離窗體的繪制不遠(yuǎn)了，But Stop! “沒有最好，但求更好”這是我們做系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)該謹(jǐn)記的一條準(zhǔn)則。 
有了上面的算法還不夠，畢竟，他們只是一些偽代碼，針對(duì)不同的屏幕——準(zhǔn)確地說，是針對(duì)不同的顯存映射方式，有不同的算法優(yōu)化方法。究竟有哪些優(yōu)化方法暫且不論，其實(shí)他們都是一個(gè)原理，我想先解釋一下，為什么我們需要優(yōu)化算法，或者說，我們需要先弄清楚是什么地方產(chǎn)生了冗余。 

還記得黑白點(diǎn)陣屏幕的顯存映射方式么？它簡(jiǎn)單的使用1個(gè)字節(jié)表示8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)這1個(gè)字節(jié)是沿著屏幕的短邊方向映射的，所以當(dāng)我們想畫一條垂直的直線時(shí)，對(duì)于每一個(gè)牽涉到的字節(jié)都有可能要重復(fù)的操作8次之多，這種操作不是簡(jiǎn)單的畫線，而是要先讀取再計(jì)算最后再寫這樣的復(fù)合操作，重復(fù)8次只是為了把整個(gè)字節(jié)變黑顯然是一種超級(jí)不可容忍的冗余——大家都知道，直接把這個(gè)字節(jié)讀取一次，計(jì)算一次，再寫一次就完成了?；谶@種思想，我們需要把這種特殊情況單獨(dú)提取出來，重新優(yōu)化代碼……具體優(yōu)化代碼就留給大家做作業(yè)了哈。 

同時(shí)補(bǔ)充一下，這樣做，不是只對(duì)畫線作了優(yōu)化，事實(shí)上，在后面，矩形的填充里面，這種優(yōu)化會(huì)極大地提高速度，因?yàn)樘畛涞谋举|(zhì)就是畫線（點(diǎn)）……