ST7735液晶控制器工作原理通俗解释

玩转小屏幕：ST7735液晶控制器是怎么把像素“画”出来的？

你有没有想过，一块小小的1.8寸彩屏，是怎么在STM32、ESP32甚至Arduino上跑出漂亮图形的？背后功臣之一就是ST7735——这个看似不起眼、实则大有来头的液晶驱动芯片。

它不靠GPU，也不需要外部显存，却能让MCU用几根IO线就点亮彩色TFT。它是怎么做到的？今天我们不看手册式罗列参数，而是像拆积木一样，一步步讲清楚：ST7735是如何把一串SPI信号变成你能看到的画面的。

为什么是ST7735？嵌入式显示的小钢炮

在智能手环、温湿度计、迷你示波器这类设备里，我们总希望有个彩色界面，但又不能牺牲体积和功耗。这时候，一块128×160分辨率的TFT屏就成了理想选择——而几乎所有的这类模块，都藏着一颗ST7735（或兼容型号）。

它的厉害之处在于：把驱动LCD所需的一切都集成进了一个芯片里：

行列驱动电路
显存（GRAM）
电源升压（VGH/VGL）
接口逻辑与时序发生器

这意味着，主控MCU不用再操心“哪个电极加多少电压”、“什么时候扫描下一行”，只需要说一句：“我要在(50,60)位置画个红色点”，剩下的事全由ST7735搞定。

换句话说，它把复杂的模拟时序问题，转化成了简单的数字通信问题。而这，正是它能在资源有限的嵌入式系统中广泛流行的根本原因。

核心机制三步走：配置 → 写图 → 扫描

要理解ST7735的工作原理，可以把它想象成一个“听话的画师”。你需要先教他规矩（初始化），然后告诉他画哪一块区域（设窗口），最后递上颜料让他一笔笔填进去（刷新显存）。整个流程分为三个阶段：

1. 初始化：先“唤醒”再“调教”

刚上电时，ST7735其实处于“休眠”状态，什么都不会做。你需要通过一系列命令，完成以下关键设置：

让它从睡眠中醒来（SLPOUT）
告诉它用什么颜色格式（比如16位RGB565）
设定屏幕旋转方向（横屏/竖屏）
配置帧率、伽马曲线等视觉参数
最后打开显示输出（DISPON）

这些命令不是随便发的，顺序、延时都很讲究。例如，在发出SLPOUT后必须等待至少120ms，等内部振荡器稳定下来才能继续。

🛠️ 实战提示：不同厂家的模组（如Adafruit vs 国产兼容屏）可能对某些寄存器要求不同。如果你发现画面花屏或黑屏，大概率是初始化序列没匹配。

2. 显存写入：不是随机访问，而是“开窗填写”

很多人误以为可以直接往某个坐标写像素值，就像操作数组一样。但实际上，ST7735的GRAM不能随机访问，而是采用一种叫地址窗口（Address Window）的机制。

你可以把它想象成在纸上贴了个“透明胶带框”，只能在这个框内写字，写完自动换行到下一个格子。

具体步骤如下：

发送CASET（Column Address Set）命令，设定X轴范围（比如从第10列到第20列）
发送RASET（Row Address Set）命令，设定Y轴范围
发送RAMWR（Memory Write）命令，进入写模式
后续所有数据都会按“从左到右、从上到下”的顺序自动填充进这个矩形区域

举个例子：你想画一个10×10的方块在(10,10)，就得先开个[10~19]×[10~19]的窗口，然后连续发送100个RGB565颜色值。

void ST7735_SetAddressWindow(uint8_t x0, uint8_t y0, uint8_t x1, uint8_t y1) { ST7735_WriteCommand(0x2A); // CASET ST7735_WriteData16(x0 + X_OFFSET); ST7735_WriteData16(x1 + X_OFFSET); ST7735_WriteCommand(0x2B); // RASET ST7735_WriteData16(y0 + Y_OFFSET); ST7735_WriteData16(y1 + Y_OFFSET); ST7735_WriteCommand(0x2C); // RAMWR - 开始写数据 }

这个机制虽然多了一步“设窗口”，但却大大减少了通信开销——因为地址指针会自动递增，无需每次重新定位。

SPI通信：命令和数据如何区分？

ST7735最常用的接口是四线SPI：SCK、MOSI、CS、DC，外加一个RST引脚。

其中最关键的，是那个不起眼的DC引脚（Data/Command）。它决定了当前传输的是“指令”还是“数据”。

DC状态	含义	示例
DC = 0	当前是命令	比如发送`0x2A`表示要设列地址
DC = 1	当前是数据	跟在命令后面的参数或像素值

典型的一次写操作流程如下：

拉低 CS（选中设备）
设置 DC=0，发送命令字节（如0x2C）
设置 DC=1，发送参数或像素数据
拉高 CS（结束通信）

这就像是跟一个人对话：“你说的是命令还是内容？” DC引脚就是那个“语气开关”。

💡 小知识：虽然SPI理论上支持全双工，但ST7735在写入时不返回有效数据。因此大多数应用都将SPI配置为只发模式，提升效率。

而且现代MCU（如STM32、ESP32）支持SPI + DMA联动，意味着你只需启动一次传输，CPU就可以去干别的事了，图像数据由DMA后台悄悄搬完。

颜色是怎么来的？RGB565与显存布局

ST7735支持多种色彩格式，最常用的是16位RGB565：
- R（红）占5位 → 32级亮度
- G（绿）占6位 → 64级亮度（人眼更敏感）
- B（蓝）占5位 → 32级亮度

总共能显示 $2^{16} = 65,536$ 种颜色，对于小尺寸屏幕来说已经足够鲜艳。

每个像素对应两个字节，存放在内部GRAM中。虽然物理分辨率为128×160，但有些模块实际可视区域偏移了几列（如XSTART=2, YSTART=1），所以在写地址时要记得加上补偿值。

此外，它还支持内存扫描方向控制（MADCTL寄存器），通过设置不同的位组合，可以实现0°、90°、180°、270°旋转显示。比如：

// 设置为横屏，顶点在左上角 ST7735_WriteCommand(0x36); ST7735_WriteData(0xC0); // MY=1, MX=1, MV=0

这比软件翻转图像高效得多，完全无性能损耗。

刷新效率怎么优化？别动不动就刷全屏！

很多初学者习惯性地“全屏清屏→重绘所有元素”，结果导致界面卡顿、功耗飙升。其实ST7735早就为你准备了优化方案：

✅ 局部刷新（Partial Update）

只更新发生变化的区域。比如你改了一个数字、弹出一个提示框，完全没必要刷新整个屏幕。

// 只刷新时间区域（假设是右上角40x20） ST7735_SetAddressWindow(88, 0, 127, 19); ST7735_FillRectangle(...);

这样数据量减少80%以上，刷新速度立竿见影。

✅ 使用缓冲区 + DMA批量传输

避免逐像素发送。可以用固定大小的缓冲区循环发送相同颜色，或者直接把图片数组扔给DMA。

uint16_t buffer[32]; // 一次性传64字节 for(int i=0; i<32; i++) buffer[i] = RED; HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, (uint8_t*)buffer, 64);

结合DMA，CPU几乎零参与，特别适合播放动画或滚动文本。

实战常见坑点与避坑指南

别看ST7735简单，实际调试中还是会踩不少坑。以下是几个高频问题及解决方案：

问题现象	可能原因	解决方法
屏幕全黑	未退出睡眠模式	确保发送`SLPOUT`并延时足够
图像倒置/错位	MADCTL设置错误	检查扫描方向和XY交换位
花屏、乱码	SPI速率过高或干扰	降低SCK频率至10MHz以下，检查布线
初始化失败	复位时序不对	硬件复位拉低至少10ms
显示偏色	RGB顺序错误	查看模组是否使用BGR而非RGB