【正点原子STM32连载】第四十七章 汉字显示实验 摘自【正点原子】MiniPro STM32H750 开发指南_V1.1

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第四十七章 汉字显示实验

本章，我们将介绍如何使用STM32控制LCD显示汉字。在本章中，我们将使用外部FLASH来存储字库，并可以通过SD卡更新字库。STM32读取存在FLASH里面的字库，然后将汉字显示在LCD上面。本章分为如下几个小节： 47.1 汉字显示介绍 47.2 硬件设计 47.3 程序设计 47.4 下载验证

47.1 汉字显示介绍 47.1.1 字符编码介绍 众所周知，计算机只能识别0和1，所有信息都是以0和1的形式在计算机里面进行存储，文字信息也是一样。那么如何进行区分文字信息呢？这里就引出了字符编码这个概念，就是对字符进行编码，用规定的01数字串来表示特定的文字，最简单的字符编码例子是ASCII码。此外还有中文编码，中文编码又可以细分GB2312，GB13000，GBK，BIG5（繁体）等几种。 1.ASCII编码 ASCII编码可以用来表示一些控制字符、英文以及数字，本质上都是二进制数，遵循一定的约定，所以就有了ASCII码表。ASCII码表分为两个部分，第一部分数字编码范围031是控制字符或者是通讯专用字符，是不具备图形显示但对文本显示有影响的编码；第二部分数字编码范围32127是包含我们日常用到的符号信息，空格、阿拉伯数字、标点符号、大小写英文以及“DEL（删除控制）”，除了DEL不具备图形显示外，其他都具备。工程代码中也有ASCII的编码表。下面看一下ASCII编码表第二部分中的可显示字符如图47.1.1.1所示：

图47.1.1.1 可显示字符 2. 中文编码 由于英文文字是由26个字母排列组合而成的，所以ASCII表就可以适用于表达英文词典库。在汉字系统中，每一个汉字都是一个独立的个体，但是汉字可以以偏旁以及笔画进行划分，不过也是十分杂乱，毕竟汉字现在已经有8万多个了，常用的只有3500个。所以中文编码是直接对方块字进行编码的，一个汉字使用一个编码。 汉字库十分庞大，需要使用2个字节进行编码，假如和ASCII码一样只使用1字节去编码，那只能表示256个汉字，太少了。在前面提及到GB2312，GB13000，GBK，BIG5(繁体)等，它们都是一个标准。下面对具有代表性的GB2312和GBK进行讲解。 GB2312编码 GB2312是一个简体中文字符集的中国国家标准，也是我们通常说到的国标码。GB2312由6763个常用汉字和682个全角的非汉字字符组成。其中根据汉字使用的频率分为两级。一级汉字3755个，二级汉字3008个。由于字符数量比较大，GB2312采用了二维矩阵编码法对所有字符进行编码。构造一个94行94列的方阵，对每一行称为一个“区”，每一列称为一个“位”，然后把所有的字符都依照“GB2312字符编码规则”，写入方阵中，这样子所有的字符在方阵中都有一个唯一的位置，这个位置就可以用区号和位号组合表示，称为字符的区位码。 因为GB2312与西文的存储存在冲突，所以GB2312字符在进行存储时，将原来的每一个字节第8位设置为1和西文加以区分，如果第8bit为0，则表示西文字符，否则就是GB2312字符。在实际存储时，采用将区位码的每个字节分别加上A0H(160)的方法转换为储存码，计算机存储规则则是此编码的补码，而且是位码在前，区码在后。举个例子：汉字“啊”的区位码为1601，其存储码为B0A1H，转换过程为： 区位码 区码转换 位码转换 储存码 1001H 10H+A0H=B0H 01H+A0H=A1H B0A1H GBK编码 GBK编码即汉字内码扩展规范，完全兼容GB2312，在GB2312的基础上，支持繁体字、人名、古汉语等方面出现的罕用字。GBK采用的是双字节表示，总体编码范围为0x81400xFEFE，第一个字节在0x810xFE之间，第二个字节分为两个部分，一是0x400x7E，二是0x800xFE。其中和GB2312相同的区域，字完全相同，可表示的汉字数达到了2万多个，完全能满足我们的一般应用的要求。如图47.1.1.2 GBK码位分布图：

图47.1.1.2 GBK码位分布图 在前面GB2312也说到，第一字节称为区，那么GBK里面总共就有126个区（0xFE-0x81+1），第二个字节称为位，我们也可以理解为每个区里面包含的汉字即190个汉字（0xFE-0X80+0X7E-0X40+2），GBK字库总共就126*190=23940个汉字。 3.全球统一编码 前一小节讲解的都是中国标准，只有中国使用，并没有表示大多数其他国家的编码。而其他国家又陆续推出各自的编码标准，互不兼容，非常不利于国际交流。所以在后来国际标准化组织(ISO)发行了一个全球统一编码表，把全球各国文字都统一在一个编码标准里，这个全球统一编码表就叫做Unicode。Unicode字符集对世界上各国文化使用到的字母和符号进行标号，对每一个字符都分配一个唯一的编号，字符的编号从0x000000到0x10FFFF。 Unicode没有规定字符对应的二进制码如何存储，只是对每一个字符进行编号。为了解决Unicode编码问题，UTF-8、UTF-16和UTF-32的编码方式诞生了。 UTF-8编码 UTF-8是一个非常常用的编码方式，漂亮的实现了对ASCII码的向后兼容，它是目前互联网上使用最广泛的一种Unicode编码方式，它的最大特点就是可变长。它可以使用1-4个字节表示一个字符，根据字符的不同变换长度。编码规则如下： 1.对于单字节的字符，第一位设为0，后面7位对应这个字符的Unicode码点（即编号）。因此英文中0~127字符与ASCII码完全相同。这意味着可以使用UTF-8编码格式打开用ASCII码编写的文档。 2.对于需要使用N个字节来表示的字符（N>1），第一个字节的前N位都设为1，第N+1位设为0，剩下的N-1个字节的前两位都设为10，剩下的二进制位则使用这个字符的Unicode的码点进行填充。 上面的表述可能比较难接受，下面看一下编码规则表就清晰很多，如表47.1.1.1所示：

表47.1.1.1 UTF-8编码规则表 有了上面这个编码规则表，进行UTF-8编码和解码就简单多了。以汉字“汉”为例，它的Unicode的码点是0x6c49(110 1100 0100 1001)，通过查表发现它属于第三行的规则，具体格式：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。接着我们就可以从“汉”的二进制数的最后一位开始，从后向前依次填充对应的格式中的x，多出的x用0补充。这样就可以的到“汉”的UTF-8编码：11100110 10110001 10001001，转换成十六进制就是0xE6 0xB1 0x89。 解码的过程也是十分简单，通过判断一个字节的第一位，假如是0，说明这个字节对应一个字符；假如是1则需要往后数有多少个连续不间断的1，就表示该字符占用多少个字节。 UTF-16 UTF-16采用的是2字节或4字节编码方式。对于Unicode编码范围在0x00000xFFFF之间字符，UTF-16使用两个字节存储，并直接存储Unicode编号，不用编码转换。对于Unicode编号范围在0x100000x10FFFF之间的字符，UTF-16使用四个字节存储，具体来说是：将字符编号的所有比特位分成两部分，较高的一些比特位用一个值介于0xD800和0xDBFF之间的双字节存储，较低的一些比特位（剩下的比特位），用一个值介于0xDC00和DFFF之间的双字节存储。 上面表述的可能有点模糊，请看下面的表格47.1.1.2所示：

表47.1.1.2 UTF-16编码规则表 举个例子，用UTF-16两个字节去表示“汉”字，它的Unicode码点是0x6C49，那么遵行上面的表格规则，那么用UTF-16表示的话就是01101100 01001001（共16bit，两个字节）。 现在以第二种情况讲解，汉字“？”为例，它的Unicode码点为0x20BB7，该码点显然超出了基本平面的范围(0x0000 – 0xFFFF)，因此需要使用四个字节进行表示，首先用0x00BB7–0x10000计算超出部分，然后将其用20个二进制位表示(不足的前面补0)，结果为0001000010 1110110111。接着将高10位映射到U+D800到U+DBFF之间，低10位映射到U+DC00到U+DFFF即可。那么换算一下即（110110 0000000000 + 0001000010），高位转换一下16进制即0xD842，同理低位也是这样运算，得到0xDFB7。因此，得出汉字“？”的UTF-16编码为0xD842 0xDFB7。 UTF-32 UTF-32是固定长度的编码，始终占用4个字节，足以容纳所有的Unicode字符，所以直接存储Unicode编码即可，不需要任何编码转换。浪费了空间，提供了效率。 大小端模式 在了解了前面的各种解码之后，就知道一个字符可能占用多个字节，那么多个字节在计算机中如何进行存储呢？比如字符0xABCD，它的存储格式到底时AB CD，还是CD AB呢？ 实际上两者都有可能，并且分别有不同的名字。如果存储为AB CD，则称为Big Endian即大端；如果存储为CD AB，则称为Little Endian即小端。 Big Endian：高字节在前，低字节在后，详细一点，就是将高位的字节放在低地址表示。 Little Endian：低字节在前，高字节在后，详细一点，就是将高位的字节放在高地址表示。 在了解大小端的意思之后，我们稍微科普一下BOM。 BOM BOM是文档最前面的标记，位于文本文件的开头，一种标记对应一种编码方式。为什么会需要这个东西呢？因为计算机打开文档时，它首先需要获取一些信息，知道用什么编码方式去解码，才能知道文档写的是什么内容。注意：BOM是对Unicode的几种编码而言的。下面我们看一下BOM的标记表，如表47.1.1.3所示：

表47.1.1.3 BOM标记表 47.1.2 字库的生成 有了编码，我们就能可以在计算机上对字符进行操作，但是如果计算机处理完字符后直接以编码的形式输出，我们很难一下子知道究竟是什么图形的字符。因为我们平常看到的都是字符的图形化显示，这里呢，就需要我们提供配套的字符图形。字符图形又称为字模，多个字模组成的文件就叫做字库。当我们为计算机提供了编码和字库的前提下，计算机就可以把字符编码转化成对应的字符图形，我们才能清晰识别。 字模的结构 在前面OLED显示实验章节也有说到字模相关知识，这里我们继续展开详细讲解一下，字模是字符的图形结构，字模的实质就是一个个像素点数据。为了方便处理，我们把字模定义成方块形状的像素点阵，像素点只有0和1两种状态。在单色图像数据中，像素点数值置1时，点亮了该像素点，若像素点数值置0时，熄灭该像素点。“汉字”字模图，如图47.1.2.1所示：

图47.1.2.1 “汉字”字模图 这两个字模的大小都是16*16，计算机要表示这样的图形，只需要16x16个二进制数据位即可，需要使用16x16/8=32个字节保存字模数据。这里存在一个问题，字模数据是从哪里标记为第一个字节呢？我们知道了第一个字节以及字模的走向，我们就可以把生成的点阵数据和字模图像上的小方块进行匹配，更好了解两者的关系。下面我们解密一下，如图47.1.2.2取模方式（从上到下，从左到右）进行取模，这里的取模方式也是和前面的OLED显示实验章节一样的，可以往前面章节翻翻。

图47.1.2.2 取模方式 设置好后，生成的数据如下： {0x08,0x20,0x06,0x20,0x40,0x3E,0x30,0xC0,0x03,0x01,0x40,0x01,0x78,0x02, 0x47,0x04,0x40,0xC8,0x40,0x30,0x40,0xC8,0x47,0x04,0x78,0x02,0x00,0x01, 0x00,0x01,0x00,0x00},/“汉”,0/ 便于大家更好地将点阵数据和图形连接起来，请看图47.1.2.3所示：

图47.1.2.3 点阵数据和图形匹配图 了解了字模的结构之后，我们就需要去生成字库了。我们用到一款由易木雨软件工作室涉及的点阵字库生成器V3.8软件。该软件可以在WINDOWS系统下生成任意点阵大小的ASCII，GB2312(简体中文)、GBK(简体中文)、BIG5(繁体中文)和Unicode等共二十几种编码的字库，不但支持生成二进制文件格式的文件，也可以生成BDF文件，还支持生成图片功能，并支持横向，纵向等多种扫描方式，扫描方式可以根据用户的需求进行增加。该软件的界面如图 47.1.2.4 所示：

图47.1.2.4 点阵字库生成器默认界面 本实验，我们总共要生成3个字库：1212字库、1616字库和2424字库。这里以1616字库为例进行介绍，其他两个字库的制作方法类似。要生成16*16的GBK字库，则需要选择字体大小、选择编码字库、选择字宽和高度、取模方式、存放路径等操作，最后点击创建，就可以开始生成我们需要的字库（.DZK文件），具体设置如图47.1.2.5所示：

图47.1.2.5 生成GBK1616字库的设置方法 注意：电脑端的字体大小与我们生成点阵大小的关系为： fsize = dsize * 6 / 8 其中，fsize是电脑端字体的大小，dsize是点阵大小（12、16、24等）。所以1616点阵大小对应的是12号字体。 生成完之后，我们把文件名和后缀改成：GBK16.FON。同样的方法，生成1212的点阵库（GBK12.FON）和2424的点阵库（GBK24.FON），总共制作3个字库。 构建字库完成，那我们怎么把字库跟编码连接起来呢？以GBK16.FON为例子，它是根据GBK的编码规则从0X8140开始，逐一建立。因为16*16的点阵大小为32字节，所以在FON文件中第一个32字节的数据就是“ 丂”的字模数据，它的编码是0x8140，而第二个32字节的数据就是“丄”的字模数据，它的编码就是0x8141。在前面讲解GBK的时候，也提到了GBK具有126区，每个区具有190个汉字，那么我们就可以通过计算地址偏移，最终在这个字库里面定位汉字了： 当GBKL0X80 时：Hp=((GBKH-0x81)*190+GBKL-0X41)*csize； 其中 GBKH、GBKL 分别代表 GBK 的第一个字节和第二个字节(也就是高位和低位)，Hp 为对应汉字点阵数据在字库里面的起始地址(假设是从0开始存放)，csize代表一个汉字点阵所占的字节数。 这样我们只要得到了汉字的GBK码，就可以得到该汉字点阵在点阵库里面的位置，从而获取其点阵数据，显示这个汉字了。 47.1.3 汉字显示原理 汉字在液晶上的显示原理与前面OLED实验中显示字符的是一样的。汉字在液晶上的显示其实就是一些点的显示与不显示，这就相当于我们的笔一样，有笔经过的地方就画出来，没经过的地方就不画。所以要显示汉字，我们首先要知道汉字的点阵数据，这些数据可以由专门的软件来生成，在前面字库生成已经有讲到如何生成字模与字库了。 在我们前面制作的三个GBK字库的基础上，将它们放在SD卡里，然后通过SD卡，将字库文件复制到外部FLASH芯片NORFLASH里，这样，NORFLASH就相当于一个汉字字库芯片了。 单片机要显示汉字的步骤：汉字内码（GBK/GB2312）→查找点阵库→解析→显示。所以只要我们有了整个汉字库的点阵，就可以把字符图形在单片机上显示出来了。 47.2 硬件设计

1. 例程功能 本实验开机的时候先检测norflash中是否已经存在字库，如果存在，则按次序显示汉字(四种字体都显示)。如果没有，则检测SD卡和文件系统，并查找SYSTEM文件夹下的FONT文件夹，在该文件夹内查找UNIGBK.BIN、GBK12.FON、GBK16.FON、GBK24.FON和GBK32.FON（这几个文件的由来，见STM32H750开发指南）。在检测到这些文件之后，就开始更新字库，更新完毕才开始显示汉字。通过按按键KEY0，可以强制更新字库。 LED0闪烁，提示程序运行。
2. 硬件资源 1）RGB灯 RED ：LED0 - PB4 2）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动) 3）串口1 (PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面) 4）SD卡，通过SDMMC1(SDMMC_D0D4(PC8PC11)，SDMMC_SCK(PC12)， SDMMC_CMD(PD2))连接 5）norflash(QSPI FLASH芯片，连接在QSPI上) 6）独立按键 KEY0 - PA1 47.3 程序设计 47.3.1 程序流程图

图 47.3.1.1汉字显示实验程序流程图 47.3.2 程序解析

1. TEXT代码 这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。TEXT驱动源码包括四个文件：text.c、text.h、fonts.c和fonts.h。 汉字显示实验代码主要分为两部分：一部分就是对字库的更新，另一部分就是对汉字的显示。字库的更新代码放在font.c和font.h文件中，汉字的显示代码就放在text.c和text.h中。 下面我们介绍一下有关字库操作的代码，首先我们先看一下fonts.h文件中字库信息结构体定义，其代码如下：

/* 字库信息结构体定义
 * 用来保存字库基本信息，地址，大小等
 */
__packed typedef struct
{
    uint8_t  fontok;             	/* 字库存在标志，0XAA，字库正常；其他，字库不存在 */
    uint32_t ugbkaddr;          	/* unigbk的地址 */
    uint32_t ugbksize;          	/* unigbk的大小 */
    uint32_t f12addr;           	/* gbk12地址 */
    uint32_t gbk12size;        	/* gbk12的大小 */
    uint32_t f16addr;          	/* gbk16地址 */
    uint32_t gbk16size;        	/* gbk16的大小 */
    uint32_t f24addr;          	/* gbk24地址 */
uint32_t gbk24size;       	/* gbk24的大小 */  
    uint32_t f32addr;           	/* gbk32地址 */
    uint32_t gbk32size;         	/* gbk32的大小 */
} _font_info;

这个结构体用于记录字库的首地址以及字库大小等信息，总共占用41个字节，第一个字节用来标识字库是否OK，其他的用来记录地址和文件大小。因为我们将NORFLASH的前800KB（占200个扇区）字节用作代码区，紧接着就是2004KB（占501个扇区）的内存空间用作SPB数据区，然后就是UNIGBK码表和字库数据区，存储位置是从NORFLASH芯片的第701个扇区开始，到第2239个扇区，总共6156KB字节，最后，NORFLASH芯片仅剩下7424KB的空间地址，用作文件系统区。 下面介绍font.c文件几个重要的函数。 字库初始化函数也是利用其存储顺序，进行检查字库，其定义如下：

/**
 * @brief       初始化字体
 * @param       无
 * @retval      0, 字库完好; 其他, 字库丢失;
 */
uint8_t fonts_init(void)
{
    uint8_t t = 0;

    while (t