2. 硬件基础：TFT LCD 显示屏工作原理与常见驱动 IC
TFT LCD（Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display）是当前嵌入式设备中最主流的彩色显示方案。理解其像素结构、刷新机制和色彩深度，是驱动开发的前提。本章从硬件原理出发，拆解 TFT 的工作流程，并对比两款最常用的驱动 IC：ILI9341 与 ST7789。
2.1 TFT LCD 核心工作原理
TFT LCD 的每个像素由一个薄膜晶体管（TFT）和液晶电容构成。晶体管作为开关，控制液晶分子的偏转角度，从而调节背光透过率，实现灰度与色彩显示。
- 像素（Pixel）：显示的最小单元，每个像素由 R/G/B 三个子像素组成。
- 刷新率（Refresh Rate）：每秒重绘全屏的次数，单位 Hz。常见 60 Hz，高刷屏可达 120 Hz。
- 色彩深度（Color Depth）：每个子像素的灰度级数，决定总色数。16 位色（65K 色）和 18 位色（262K 色）是嵌入式主流。
2.1.1 像素结构与寻址
TFT 面板的像素以矩阵方式排列。行选通线（Gate Line）控制每行晶体管的通断，列数据线（Source Line）传输该行各像素的电压值。逐行扫描时，每行依次被选通，数据线同时写入该行所有像素的电压，完成一帧显示。
2.1.2 刷新率与帧周期
刷新率决定了画面流畅度。对于 60 Hz 刷新率，一帧的周期为 16.67 ms。驱动 IC 内部通过 VSYNC（垂直同步）和 HSYNC（水平同步）信号控制帧与行的时序。嵌入式应用中，SPI 接口的刷新率通常受限于总线速度，实际帧率可能低于面板标称值。
| 刷新率 | 帧周期 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| 60 Hz | 16.67 ms | 标准嵌入式 UI、静态数据显示 |
| 30 Hz | 33.33 ms | 低功耗设备、电子价签 |
| 120 Hz | 8.33 ms | 游戏、高帧率动画（需并行接口） |
2.1.3 色彩深度与色数计算
色彩深度指每个子像素的灰度级位数。常见配置如下：
- 16 位色（RGB565）：R=5 bit，G=6 bit，B=5 bit，总色数 2^16 = 65,536 色。嵌入式最常用，SPI 传输效率高。
- 18 位色（RGB666）：R=6 bit，G=6 bit，B=6 bit，总色数 2^18 = 262,144 色。色彩过渡更平滑，但需更多数据位。
- 24 位色（RGB888）：R=8 bit，G=8 bit，B=8 bit，总色数 16,777,216 色。通常需要并行接口或高速 SPI。
2.2 常见驱动 IC 简介：ILI9341 与 ST7789
ILI9341 和 ST7789 是当前市场上占有率最高的两款 TFT 驱动 IC。它们都支持 SPI 和并行接口，但内部架构、分辨率支持和指令集存在差异。
2.2.1 ILI9341
ILI9341 由 Ilitek 公司推出，最大支持 320×240（QVGA）分辨率。它内置 172,800 字节的 GRAM（显存），支持 16/18 位色，具备窗口地址设置功能，允许只更新屏幕的局部区域。其 SPI 最高时钟可达 40 MHz，适合中等尺寸的彩色显示。
2.2.2 ST7789
ST7789 由 Sitronix 公司推出，最大支持 240×240 或 240×320 分辨率（取决于型号）。它同样内置 GRAM，但功耗更低，且支持更小的封装，常用于 1.3 英寸、1.54 英寸等小尺寸圆形或方形屏幕。ST7789 的 SPI 接口最高时钟通常为 32 MHz。
| 特性 | ILI9341 | ST7789 |
|---|---|---|
| 最大分辨率 | 320×240 (QVGA) | 240×240 / 240×320 |
| 色彩深度 | 16/18 位 | 16/18 位 |
| GRAM 大小 | 172,800 字节 | 172,800 字节 (240×320) |
| SPI 最高时钟 | 40 MHz | 32 MHz |
| 典型屏幕尺寸 | 2.4" ~ 3.5" | 1.3" ~ 2.0" |
| 窗口地址设置 | 支持 | 支持 |
| 硬件伽马校正 | 支持 | 支持 |
2.2.3 驱动 IC 内部架构对比
两款 IC 的内部架构高度相似，均包含以下核心模块：
- 接口控制器：解析 SPI/并行命令与数据。
- 指令译码器：将命令码转换为内部寄存器操作。
- GRAM（显存）：存储当前帧的像素数据。
- 行/列驱动：根据 GRAM 地址生成扫描时序。
- 伽马校正单元：调整液晶电压-透光率曲线，改善色彩一致性。
2.3 驱动开发中的关键硬件参数
在编写驱动前，必须确认以下硬件参数，否则可能导致显示异常或无法点亮：
| 参数 | 说明 | 典型值 |
|---|---|---|
| 分辨率 | 屏幕的像素宽×高 | 320×240 / 240×240 |
| 驱动 IC 型号 | 决定指令集与初始化序列 | ILI9341 / ST7789 |
| 接口类型 | SPI / 8 位并行 / 16 位并行 | SPI (4 线) |
| 色彩格式 | 像素数据编码方式 | RGB565 |
| 背光控制 | PWM 引脚或固定电平 | PWM (1000 Hz) |
| 复位时序 | 上电后复位引脚低电平持续时间 | ≥ 10 ms |
2.4 本章小结
- TFT LCD 通过逐行扫描和子像素混色实现彩色显示，刷新率和色彩深度直接影响画面质量与传输带宽。
- ILI9341 和 ST7789 是两款主流的驱动 IC，前者适合 2.4 英寸以上大屏，后者适合 2.0 英寸以下小屏。
- 驱动开发前必须确认分辨率、接口类型、色彩格式和复位时序等关键参数，避免硬件兼容性问题。