作者： Bird
上一篇文章【Maker 電子學】小型 OLED 顯示裝置的原理與應用—PART4，我們從 SSD1306 的 datasheet 出發，聊了它所使用的封裝技術、與 OLED 面板的連接方式，以及 passive matrix OLED 的驅動原理。這一回我們要繼續根據 SSD1306 datasheet 中揭露的資料，來說明一下它的各種通訊介面以及通訊協定。
屬蜈蚣的晶片 #
上次我們提過，像 SSD1306 這種跟顯示裝置有關的 IC，為了要驅動為數眾多的顯示陣列訊號，接腳數量都很多，而且跟一般的小型 IC 比起來數量都多得很誇張。
（圖片來源：Bird 提供）
這張圖是 SSD1306 datasheet 中的「die pad floor plan」，它告訴你在 SSD1306 的裸晶（die）上，哪些地方有可供連接訊號的連接點（pad），以及它們的形狀、大小。中間有幾個長得像十字、圓圈的 pad，則是給自動封裝機器的電腦視覺定位用的，讓封裝機可以利用這些已知形狀的 pad 作為參考點，把晶片黏到玻璃或軟板上的正確位置。
（圖片來源：Bird 提供）
至於這張表，則是 SSD1306 晶片上面所有 pad 的編號、訊號名稱及座標等資訊。我們可以看到，編號 3-17 及 90 之後的接腳名稱都是 COM 或 SEG 開頭的，密密麻麻一直到 273 號接腳，這些就是連接 OLED 顯示陣列的訊號，也是佔據顯示驅動 IC 接腳最多的訊號。
而編號 18-89 這一段的訊號，則是 SSD1306 運作時，需要對外連接的介面，或是需要連接額外零件的訊號，這些才是我們設計系統時感興趣的訊號。下面我們簡單說明一下這些訊號。
對外連接的訊號 #
VDD：這是 SSD1306 的數位電路電源，它可以接受的範圍是 1.65V-3.3V。I/O 的邏輯準位是跟著這個電源走的，而因為這個電源可以低到 1.65 V，因此 SSD1306 可以很簡單地直接給 1.8V 的 VDD，直接跟 1.8 V 邏輯的介面相連。
VCC：這是用來驅動 OLED 的電源。這組電源需要的電壓比較高，根據 datasheet 上的要求是 7V-15V。不過在一般的數位系統中，7 V 的電壓並不容易直接取得，因此 SSD1306 提供了一個很貼心的功能：它裡面有一個 charge pump 電路，搭配外接的兩顆小電容器，就可以從 3.3 V 升壓產生 7.5 V 的 VCC。至於 VCC 要用 charge pump 產生還是由外部供給，則是由軟體在初始化 SSD1306 時設定。
VBAT：這是 charge pump 的電源輸入。如果要使用 charge pump 產生 VCC，這隻腳要供應最少 3.3 V 的電源，才能讓 charge pump 產生正確的 VCC；如果不使用 charge pump 的話，這隻腳要跟 VDD 接在一起。
VSS、VLSS、BGGND：這些都是 gound
VCOMH：這個訊號全名叫做「Common Deselected Voltage Level」，它是驅動 OLED 陣列 COM 訊號在不作用時的電壓。我們上次說明 OLED 陣列時，有說過要讓 OLED 亮起來，對應的 SEG 要被驅動為 high，而 COM 則要拉到 low，而當 COM 沒有被選到時，就會被維持在這個電壓，以確保那一行的 OLED 不會被點亮。它預設的電壓是 VCC 的 0.77 倍，也可以用軟體設得更高或更低。
C1P、C1N、C2P、C2N：VCC charge pump 所使用的外部電容器接腳。大部分的模組廠商都會把這兩隻腳拉出來，讓你連接電容器以使用 charge pump 這個貼心的功能；也有一些廠商會更貼心地把這兩隻腳拉到 FFC 上，並在 FFC 上直接安裝電容器。原廠建議的 charge pump 電容是 0.1 uF。
IREF：這隻腳上要連接一個電阻到地，用來設定驅動 OLED 顯示矩陣的電流。這隻腳上的電流會是 OLED 驅動電流的 ⅛，而一般這個尺寸的 OLED 矩陣需要 100 uA 左右的驅動電流，因此我們要讓這隻腳的電流是 100 uA / 8 = 12.5 uA。
這隻腳上的電壓會是 VCC-2.5V，因此如果我們使用內部的 charge pump 產生 7.5 V 的 VCC，要讓它有 12.5 uA 電流的電阻就會是：R = V / I =（7.5 – 2.5） /（12.5 *10-6）= 400K（Ω）
由於 E24 series 中沒有 400 KΩ 這樣的數值，一般會用 390 KΩ。
FR：這是 SSD1306 讀取內部 buffer 並更新 OLED 顯示矩陣時的同步訊號輸出。當我們在做某些要高速更新顯示器的應用時（比如說要顯示動畫），這個訊號可以告訴我們 SSD1306 什麼時候開始更新顯示器的第一行，而 MCU 這邊就可以根據這個訊號的週期，在寫入 buffer 時避開 SSD1306 正在讀取的區域，以避免顯示上出現新舊畫面的斷差。但很可惜的是，大部分的模組供應商都沒有把這個訊號拉出來。
CL、CLS：這是 SSD1306 的 clock 來源選擇及外部 clock 輸入接腳。當 CLS 是 high 時，SSD1306 會使用內部的 clock source；當它是 low 時，就會使用來自 CL 接腳的 clock。在大部分的應用中，OLED 顯示並不會需要非常精確的 timing，因此內部的 370KHz 振盪器就可以讓 SSD1306 工作得很好，絕少需要用到外部的 clock。
RES：這是 SSD1306 的 reset 接腳。SSD1306 並沒有內建的 power-on reset 電路，因此在供電之後一定要用這隻腳執行一次 reset，讓晶片內部的暫存器能有正確的初始值。這隻腳是 low active，至少需要 3 us 的 low period 才能正確觸發 reset。在一般的情況下，用一個 RC reset 電路就可以正確地在每次供電後 reset 成功。
BS0-BS2：這三隻腳是用來選擇 SSD1306 的對外通訊介面種類。SSD1306 支援五種通訊介面：
- 8080 形式的 8-bit 並列通訊介面
- 6800 形式的 8-bit 並列通訊介面
- 3 線式的 SPI（不使用 D/C 接腳）
- 4 線式的 SPI（使用 D/C 接腳）
- I2C（以下寫作 I2C）
（圖片來源：Bird 提供）
我們後面會再詳述這些介面的使用方法。
CS：這是 SSD1306 通訊介面的 chip select 訊號。除了 I2C 以外都會用到。
D/C：Data/command 選擇接腳。不管用哪種介面，對 SSD1306 的通訊都會分成寫到控制器中的 command，以及寫到顯示 buffer 裡的 data。這塊顯示的 buffer 叫做 GDDRAM（graphic display data RAM），它裡面的每一個 bit 就對應到 OLED 面板上的一個點，一個蘿蔔一個坑。至於些到控制器的 command，則是像設定 clock 頻率、設定顯示方向、設定顯示對比等操作。比較特別的是，SSD1306 的控制指令並沒有「暫存器」的觀念，它的很多設定是一個指令接著一連串的設定值連續寫入，這跟一般用 I2C 或 SPI 控制的典型 IC 略有不同。
E（RD）、R/W（WR）：這兩隻腳在 8-bit 並列介面的 8080 模式與 6800 模式中有不同的用法，但都是用來觸發指令或資料的讀寫。
D0-D7：在 8-bit 並列模式中，這 8 隻腳就是資料接腳。而在 I2C 或 SPI 模式中， 則會用到部分的接腳。
8080 與 6800 通訊模式 #
這兩種模式都是並列式的通訊，它一次要使用 8 隻接腳來傳送 8-bit 的資料。而之所以會有兩種不同的模式，是因為在 1970 年代微處理器開始發展時，當時的微處理器分成兩大陣營：以 Motorola 為首的 6800 陣營，以及以 Intel 為首的 8080 陣營。
當時的微處理器 bus 都是非同步的，也就是說這這些 bus 都沒有一個統一的 clock 訊號來決定資料取樣的有效時間，因此不管是讀還是寫，都需要一個觸發機制。
6800 陣營的作法是這樣：用一隻叫做 R/W 的接腳來決定現在是讀還是寫，再用另一隻叫 E（enable）的接腳來觸發傳輸。因此 R/W 接腳是狀態接腳，而 E 則是觸發接腳，它的下降緣會觸發資料的傳輸。Motorola 推出的許多微處理器如 6803、6809 等，都是使用這樣的 bus 協定；甚至連衍生自 6800 的一些微處理器如早期 Apple II 電腦及任天堂紅白機所使用的 6502，也都用這樣的 bus。
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而 Intel 陣營的作法則是讓讀取和寫入都有各自的觸發訊號。RD 是讀取的觸發訊號，WR 是寫入的觸發訊號，這兩個訊號的上升緣各自會觸發讀取和寫入，當然這兩個訊號絕對不能同時出現上升緣。Intel 系列的處理器包含後來的微控制器如 8048、8051 的外部 bus，都是遵循這樣的
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實務上這兩種並列式的通訊模式已經很少使用到，因為它們需要使用大量的接腳：至少需要 8 隻資料接腳加上 4 隻控制訊號，總共 12 隻接腳。市面上也很少看到有 SSD1306 的模組將這些訊號都拉出來。
SPI 通訊模式 #
SPI 是很適合顯示裝置的通訊協定，它需要的接腳數量不多，速度又相對快，可以快速更新顯示內容。SSD1306 支援兩種 SPI 通訊模式：3 線式和 4 線式。不過這裡的 3 線和 4 線的定義，和一般在討論 SPI 的 3 線、4 線略有不同。
我們知道完整的 SPI 介面需要 4 個訊號：MOSI、MISO、SCLK、SS，而在某些狀況下如果只有一個 slave 裝置，用來選擇 slave 的 SS 訊號就可以省略，變成只有 MISO、MISO、SCLK 的 3 線式 SPI，是為單一裝置的 3 線式 SPI。在另一種比較少見的設計中，MISO 和 MOSI 可以合併為一根半雙工的 SISO，根據通訊的狀態機來切換方向，是為半雙工的 3 線式 SPI。
不過 SSD1306 的 3 線 或 4 線式 SPI 並不是用上面那種方法區分的。先說一件事：SSD1306 的 SPI 介面只能寫入。不管是寫到 GDDRAM 的資料還是寫到控制器裡的指令，都只能寫，因此它用不到 MISO 接腳。
SSD1306 的 4 線式 SPI 使用 D0 當 SCLK、D1 當作 MOSI（datasheet 上叫做 SDIN），另外加上 D/C 腳用以選擇 data/command，以及 CS 腳用來告訴 SSD1306 要通訊了。每一個傳輸週期傳送 8 個 bit，根據 D/C 接腳的狀態決定這 8 個 bit 是要寫到 GDDRAM 中還是控制器中。
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而 SSD1306 的 3 線式 SPI 則是省略了 D/C 接腳，改將 D/C 的狀態放在 SPI 傳輸週期的第 9 個 bit，因此 SSD1306 的 3 線式 SPI 每個傳輸週期需要 9 個 clock。
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I2C 通訊模式 #
如果你嫌 3 線式 的 SPI 模式所需要的接腳還是太多，還可以選擇只需要 2 隻腳的 I2C 通訊模式，但代價就是速度。I2C 模式的速度比 SPI 慢非常多。SSD1306 的 SPI clock 最快可以跑道 10 MHz，但 I2C 只能到 400KHz，而且因為通訊協定設計的關係，I2C 模式下的 protocol overhead 比較多，也就是它傳輸中會有一些無效、沒有用的欄位。
在 I2C 模式下，D0 是擔任 clock 角色的 SCL 訊號，而 SDA 訊後則需要用 D1 和 D2 兩隻腳來達成。根據 SSD1306 的 datasheet，D1 叫做 SDAIN、D2 叫做 SDAOUT，將這兩隻腳接在一起，才會是完整功能的 SDA 訊號。這種做法，我們在【Maker電子學】I2C 界面解密 — PART 5 時脈擴展有介紹過，就是用兩隻 GPIO 接腳合成一隻功能完整、可同時輸入輸出的 SDA 訊號。
SSD1306 的 7-bit I2C slave address 是 0b0111100 或 0b0111101，由 D/C 接腳的狀態選擇，因此在用一個 I2C bus 上最多可以掛兩顆 SSD1306。
I2C 因為有「定址」的觀念，通訊起來要比 SPI 複雜一些。SSD1306 的 I2C 協定是這樣的：一樣先從 START condition 和 slave address、R/W bit 開始，接下來的第一個 byte 叫做 control byte：
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它裡面有兩個有用的 bit：D/C 和 Co。D/C 顧名思義就是跟 D/C 訊號的意思一樣，用來設定接下來的傳輸是寫到 GDDRAM 裡的 data，還是寫到控制器裡的 command。
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Co 這個 bit 很有趣，它叫做 Continuation bit，如果 Co=1，在下一個要傳輸的資料 byte 傳完後，又會回到 control byte，也就是會遵照 control byte、data byte、control byte、data byte 這樣的模式進行傳輸。如果 Co=0，代表接下來的傳輸都是 data byte，不會再有 control byte，也就是會用 control byte、data byte、data byte… 這樣的順序傳輸，直到 STOP condition 來到，結束這一回合的傳輸為止。聰明的讀者可能猜得到，Co=0 的模式就是用來快速大量寫入 GDDRAM 的。沒錯，當 Co=0 且 D/C = 0 時，持續送來的 data bytes 就會寫到 SSD1306 的 GDDRAM 中，而且每次寫入後 GDDRAM 的位址指標就會自動加一。
以 128×32 的 OLED 面板來說，GDDRAM 總共有（128/8）* 32 = 512 bytes，加上 control byte 和前面的 slave address 總共需要 514 bytes 的 I2C 傳輸。因為 I2C 傳輸每一個 byte 都會有 ACK，所以需要 9 個 clock，514 bytes 總共要 514 * 9 = 4626 個 clock，若以 SSD1306 能接受的最高 I2C 頻率 400 KHz 來計算，傳送 4626 個 clock 總共需要：4626 / 400,000 = 0.011565（s）
也就是差不多 11.6 ms 左右的時間，這就是 SSD1306 驅動 128×32 的面板時，在 I2C 模式下更新畫面所能達到的最快速度。
但如果用 SPI 的 4 線式模式來更新 512 bytes 的顯示資料時，由於 SPI 沒有 slave address 和 control byte，而且在 4 線式模式之下每一個傳輸只要 8 個 clock，所以總共只需要 512 * 8 = 4096 個 clock，若以 SSD1306 可以接受的最高 SPI 頻率 10 MHz 來計算，傳送 4096 個 clock 只需要
4096 / 10,000,000 = 0.0004096（s）
也就是差不多 0.4ms 左右的時間。很明顯地，用 SPI 介面來與 SSD1306 通通訊，相較於 I2C 來說有 20 倍以上的速度優勢。
當然，如果你的應用並不需要快速、大量的更新畫面時，並不一定需要這樣的速度優勢。
小結 #
這次我們說明了 SSD1306 連接外部的各訊號規格、它的五種通訊介面，以及在 SPI 及I2C 介面下速度的差距。下一回我們要繼續看看 SSD1306 幾種不同的模組設計，以及直接使用模組時，要如何設計電路。
（責任編輯：賴佩萱）
