基于STM32的BMP圖片解碼系統(tǒng)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于STM32處理器的便攜式BMP圖片解碼系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了從SD卡中讀取編碼的同時(shí)同步解碼的方法，有效地減少了系統(tǒng)內(nèi)存的消耗。完成了基于ARM最新Cortex-M3內(nèi)核的處理器STM32的BMP解碼系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能在內(nèi)存有限的片上系統(tǒng)中進(jìn)行BMP圖片解碼的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：BMP圖片；ARM微控制器；STM32；SD卡

    在現(xiàn)代便攜式設(shè)備的應(yīng)用過(guò)程中，常常需要在系統(tǒng)中顯示一些圖片，而在各種圖片格式中，BMP又是最具代表性的一種圖片格式。
    BMP是一種與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)的圖像文件格式，使用非常廣泛。它采用位映射存儲(chǔ)格式，除了圖像深度可選以外，BMP文件的圖像深度可選1、4、8及24 bit。BMP文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。
    典型的BMP圖像文件由3部分組成：位圖文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含BMP圖像文件的類型、顯示內(nèi)容等信息；位圖信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含有BMP圖像的寬、高、壓縮方法，以及定義顏色等信息。
    ARM公司作為全球32位低功耗處理器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)很多高性能低功耗的處理器，廣泛應(yīng)用于各種便攜式手持系統(tǒng)中，意法半導(dǎo)體公司的STM32處理器采用ARM公司最新的V7體系架構(gòu)的內(nèi)核Cortex-M3，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同時(shí)集成了分支預(yù)測(cè)，單周期乘法，硬件除法等功能，大大提高了處理器的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)采用最新的Thumb-2指令集，有效地降低了代碼的密度，提高了程序的執(zhí)行救率，通過(guò)對(duì)功耗和性能的分析，本文中采用的處理器為STM32F103RBT6，它可以實(shí)現(xiàn)最新的在應(yīng)用中編程，使得系統(tǒng)的軟件更新更加容易實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了性能和功耗的平衡，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如工業(yè)控制，溫度測(cè)量等。

1 系統(tǒng)的工作原理
    本系統(tǒng)以STM32F103RBT6為核心，采用晶彩光電的AM240320TFT液晶模塊作為顯示器，完成對(duì)解碼后圖片的顯示，需要顯示的圖片存儲(chǔ)在SD卡中，處理器通過(guò)SPI方式讀取SD卡里面的圖片信息，由于STM32內(nèi)部RAM很小，不能作為整幅圖片的緩沖區(qū)，所以本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了用時(shí)間換空間的方式，即采用了邊解碼邊顯示的方法，省去了外部數(shù)據(jù)RAM，隨之而來(lái)的就是顯示的速度比直接調(diào)到內(nèi)存中要慢一些。
1．1 STM32F系列ARM微控制器簡(jiǎn)介
    STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I／O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。供電電壓2．0～3．6 V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。
1．2 TFT液量顯示模塊簡(jiǎn)介
    TFT液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏。TFT液晶為每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，每個(gè)像素都可以通過(guò)點(diǎn)脈沖直接控制，因而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立，并可以連續(xù)控制，不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階，所以，TFT液晶的笆彩更真。本文中采用的TFT液晶屏分辨率位320x240，采用的控制芯片為ILI9320，自帶總大小為172 820(240x320x1818)的顯存，模塊的16位數(shù)據(jù)線與顯寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系為565方式，它支持多種控制輸入信號(hào)。本文中采用的是8080接口，通過(guò)IO模擬8080總線協(xié)議。
1．3 SD卡的特點(diǎn)
    SD卡(Secure Digital Memory Card)中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛應(yīng)用于便攜式裝置，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)和多媒體播放器等。SD卡一般支持2種操作模式：SD卡模式和SPI模式，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用SPI模式完成SD卡的讀寫(xiě)操作。
1．4 FAT文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    常用的文件系統(tǒng)有FAT12／16／32等，F(xiàn)AT12是最古老的文件系統(tǒng)，只能管理8 M左右的空間?，F(xiàn)在基本淘汰了。FAT16則可以管理2 G的空間(通過(guò)特殊處理也能管理2 G以上的空間)，而FAT32則能管理到2 TB(2 048 GB)的空間。FAT32較FAT16的優(yōu)勢(shì)還在于FAT32采用了更小的簇，可以更有效的保存信息，而不會(huì)造成多的浪費(fèi)。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了FAT32文件系統(tǒng)，它的主要組成部分如下：
    MBR稱為主引導(dǎo)記錄區(qū)，該區(qū)存儲(chǔ)了分區(qū)表等信息，位于SD卡的扇區(qū)0(物理扇區(qū))，在其分區(qū)信息里面記錄了DBR所在的位置，SD卡一般只會(huì)有一個(gè)分區(qū)，所以也就只要找到分區(qū)1的DBR所在位置就可以了。
    DBR稱為操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)，如果沒(méi)有MBR，那么DBR就位于0扇區(qū)；如果有，則必須通過(guò)MBR區(qū)得到DBR所在的地址，然后讀出DBR信息。在DBR區(qū)，可以知道每個(gè)扇區(qū)所占用的字節(jié)數(shù)、每個(gè)簇的扇區(qū)數(shù)、FAT表的份數(shù)、每個(gè)FAT表的扇區(qū)敷、跟目錄簇號(hào)、FAT表1所在的扇區(qū)等一系列非常重要的信息。
    FAT稱為文件分配表(FAT表)，一個(gè)卡上會(huì)存在2個(gè)FAT表，一個(gè)用作備份，一個(gè)使用。FAT表一般緊隨DBR，另一個(gè)FAT表則緊隨第一個(gè)FAT表，這樣只要知道了第一個(gè)FAT表的位置及大小，那么第二個(gè)FAT表的位置也就確定了。FAT表記錄了每個(gè)文件的位置和區(qū)域，是一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。
    FDT稱為文件根目錄表，這個(gè)區(qū)域固定為32個(gè)扇區(qū)，假設(shè)每個(gè)扇區(qū)為512個(gè)字節(jié)。那么根目錄下最多存放512個(gè)文件(假設(shè)都用短文件名存儲(chǔ)，每個(gè)短文件名占32個(gè)字節(jié))。文件目錄表是另一個(gè)重要的部分，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)中(僅以短文件名介紹)，文件目錄項(xiàng)在目錄表下以32個(gè)字節(jié)的方式記錄。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 供電部分電路設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)中的元件均為3．3 V器件。由于系統(tǒng)供電采用電池或者直流電源供電，通過(guò)三端穩(wěn)壓芯片LM1117-3．3，為主控芯片STM32F103 RBT6供電，用二極管IN4007串接在電源正極，為系統(tǒng)提供電源反接保護(hù)。供電部分原理如圖1所示。

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2．2 液晶顯示部分電路設(shè)計(jì)
    液晶顯示部分主要由微控制器STM32F103RBT6驅(qū)動(dòng)AM240320LSTNQW-00H完成人機(jī)界面狀態(tài)的顯示，通過(guò)發(fā)送命令字，完成液晶模塊的初始化，完成對(duì)內(nèi)容的顯示，顯示部分的硬件電路接口圖如圖2所示。

2．3 SD卡讀寫(xiě)部分的硬件設(shè)計(jì)
    處理器主機(jī)可以選擇SD卡模式和SPI模式中任意一種模式同SD卡通信，SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPI模式允許簡(jiǎn)單的通過(guò)SPI接口來(lái)和SD卡通信，這種模式同SD卡模式相比就是喪失了速度。通過(guò)讀取SD卡中的文件，識(shí)別出各個(gè)目錄下的圖片數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。驅(qū)動(dòng)液晶完成圖片的顯示，SD卡接口部分電路如圖3所示。

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3 BMP圖片的解碼算法
3．1 BMP文件組成
    BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數(shù)據(jù)4部分組成。BMP文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)舍有BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息，它占14個(gè)字節(jié)。BMP位圖信息頭數(shù)據(jù)用予說(shuō)明位圖的尺寸等信息，它占40個(gè)字節(jié)。BMP顏色表用于說(shuō)明位圖中的顏色，它有若干個(gè)表項(xiàng)，每一個(gè)表項(xiàng)定義一種顏色。位圖信息頭和顏色表組成位圖信息，位圖數(shù)據(jù)記錄了位圖的每一個(gè)像素值，記錄順序是在掃描行內(nèi)是從左到右，掃描行之間是從下到上，Windows規(guī)定一個(gè)掃描行所占的字節(jié)數(shù)必須是4的倍數(shù)(即以long為單位)，不足的以0填充。
3．2 BMP圖片的讀取顯示算法
    首先根據(jù)讀取到的BMP圖片數(shù)據(jù)得到BMP的頭部信息，得到文件類型，大小和文件的起始位置，然后讀取BMP位圖信息頭，這里面記錄了圖片的格式的信息，如BMP圖片的寬度和高度，以及每個(gè)像素所占的位數(shù)，下面舉例來(lái)說(shuō)明BMP圖片的解碼過(guò)程。
    常用的BMP圖片格式有24位真彩圖，16位圖，和32位圖，解碼過(guò)程略有不同，下面分別介紹，首先是24位圖，當(dāng)根據(jù)BMP的頭文件信息得到數(shù)據(jù)的起始地址之后，從起始地址開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，假設(shè)每次讀入512字節(jié)，由于AM240320TFT采用16位的565方式顯示，即就是說(shuō)需要把每個(gè)像素所占的24位致?lián)?，也就?個(gè)字節(jié)，轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)據(jù)，即2個(gè)字節(jié)，這里以前3個(gè)字節(jié)為例來(lái)說(shuō)明解碼算法：
   
    其中codor為需要提供給液晶顯示器每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值，tmp_color為解碼過(guò)程中的臨時(shí)變量，數(shù)組temp存儲(chǔ)24位格式的像素值。同樣也可以解碼16位顏色圖和32位顏色圖，解碼16位顏色圖的算法比較簡(jiǎn)單，只需要解出連續(xù)的兩個(gè)值然后組合成16位的565格式的顏色值送到液晶顯示，其解碼算法如下：
   
    在32位圖的解碼過(guò)程中需要注意一個(gè)問(wèn)題，就是32位圖中實(shí)際上只使用了24位存儲(chǔ)像素值，也就是32位中的前3位，最后一位沒(méi)有存儲(chǔ)像素值信息，所以在解碼的過(guò)程中只需要解碼前3位，將第4位跳過(guò)，具體解碼算法如下：
   
3．3 STM32解碼并顯示BMP圖片程序
    在BMP圖片解碼過(guò)程中，有兩種方式：一種是將BMP圖片數(shù)據(jù)從外部SD卡中調(diào)入內(nèi)存中，從內(nèi)存中解碼，解碼后將圖片數(shù)據(jù)顯示在TFT屏上；第二種方式是一邊從SD卡中讀數(shù)據(jù)一邊解碼顯示，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一種方式的優(yōu)點(diǎn)是由于整個(gè)解碼過(guò)程全部在內(nèi)存中進(jìn)行，所以解碼的速度比較快，顯示圖片的速度快。由于一般處理器內(nèi)部RAM都是有限的，而這種方式對(duì)RAM的消耗特別大，所以采用這種方式需要外擴(kuò)SRAM。第二種方式是從SD卡總邊讀取邊解碼，例如一般FAT32文件簇的大小都是512字節(jié)，所以可以以簇為單位來(lái)讀取圖片信息，然后顯示接著讀取下一簇，這種方式的缺點(diǎn)是，由于SD卡的SPI方式速度較慢，解碼一張320x240的圖片大概需要1s，但是這種方式對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)存消耗比較低，比較適合于沒(méi)有外部RAM的系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，采用第二種方式進(jìn)行解碼顯示，STM32采用外部8 MHz的晶振作為輸入時(shí)鐘，內(nèi)部鎖相環(huán)將時(shí)鐘倍頻到72 MHz作為系統(tǒng)時(shí)鐘，采用GPIO口模擬8080時(shí)序并行驅(qū)動(dòng)2．8寸TFT屏，屏幕分辨率為320x240，處理器首先完成各種外設(shè)初始化，接著初始化FAT文件系統(tǒng)，然后從SD卡中讀取一簇的數(shù)據(jù)，解碼顯示，接著讀取下一簇。整個(gè)程序的流程圖如圖4所示。

4 結(jié)論
    本文采用了基于ARM的Cortex-M3內(nèi)核的STM32，它基于最新ARMv7架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)BMP圖片解碼系統(tǒng)，完成了在2．8寸TFT屏上解碼并顯示BMP圖片，通過(guò)讀取SD卡中的圖片數(shù)據(jù)，邊讀取邊解碼顯示，實(shí)現(xiàn)了在內(nèi)存有限的處理器中的BMP圖片的解碼算法。