基于STM32的便携式BMP图片解码系统设计方案
在现代便携式设备的应用过程中，常常需要在系统中显示一些图片，而在各种图片格式中，bmp又是最具代表性的一种图片格式。
bmp是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广泛。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，bmp文件的图像深度可选1、4、8及24 bit.bmp文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。
典型的bmp图像文件由3部分组成：位图文件头数据结构，它包含bmp图像文件的类型、显示内容等信息；位图信息数据结构，它包含有bmp图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息。
arm公司作为全球32位低功耗处理器设计领域的领导者，曾经设计过很多高性能低功耗的处理器，广泛应用于各种便携式手持系统中，意法半导体公司的stm32处理器采用arm公司最新的v7体系架构的内核cortex-m3，它的速度比arm7快三分之一，功耗低四分之三，同时集成了分支预测，单周期乘法，硬件除法等功能，大大提高了处理器的数据处理能力，同时采用最新的thumb-2指令集，有效地降低了代码的密度，提高了程序的执行救率，通过对功耗和性能的分析，本文中采用的处理器为stm32f103rbt6，它可以实现最新的在应用中编程，使得系统的软件更新更加容易实现，达到了性能和功耗的平衡，可以应用于很多领域，如工业控制，温度测量等。
1 系统的工作原理
本系统以stm32f103rbt6为核心，采用晶彩光电的am240320tft液晶模块作为显示器，完成对解码后图片的显示，需要显示的图片存储在sd卡中，处理器通过spi方式读取sd卡里面的图片信息，由于stm32内部ram很小，不能作为整幅图片的缓冲区，所以本系统的设计过程中采用了用时间换空间的方式，即采用了边解码边显示的方法，省去了外部数据ram，随之而来的就是显示的速度比直接调到内存中要慢一些。
1.1 stm32f系列arm微控制器简介
stm32f103rbt6使用高性能的arm cortex-m3 32位的risc内核，工作频率为72 mhz，内置高速存储器（高达128 k字节的闪存和20 k字节的sram），丰富的增强i/o端口和连接到两条apb总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的adc、3个通用16位定时器和一个pwm定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个i2c和spi、3个usart、一个usb和一个can.供电电压2.0~3.6 v，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
1.2 tft液量显示模块简介
tft液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏。tft液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，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，采用的控制芯片为ili9320，自带总大小为172 820（240x320x1818）的显存，模块的16位数据线与显寸的对应关系为565方式，它支持多种控制输入信号。本文中采用的是8080接口，通过io模拟8080总线协议。
1.3 sd卡的特点
sd卡（secure digital memory card）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛应用于便携式装置，例如数码相机、个人数码助理（pda）和多媒体播放器等。sd卡一般支持2种操作模式：sd卡模式和spi模式，本系统的设计过程中采用spi模式完成sd卡的读写操作。
1.4 fat文件系统简介
常用的文件系统有fat12/16/32等，fat12是最古老的文件系统，只能管理8 m左右的空间。现在基本淘汰了。fat16则可以管理2 g的空间（通过特殊处理也能管理2 g以上的空间），而fat32则能管理到2 tb（2 048 gb）的空间。fat32较fat16的优势还在于fat32采用了更小的簇，可以更有效的保存信息，而不会造成多的浪费。
本系统设计过程中采用了fat32文件系统，它的主要组成部分如下：
mbr称为主引导记录区，该区存储了分区表等信息，位于sd卡的扇区0（物理扇区），在其分区信息里面记录了dbr所在的位置，sd卡一般只会有一个分区，所以也就只要找到分区1的dbr所在位置就可以了。
dbr称为操作系统引导记录区，如果没有mbr，那么dbr就位于0扇区；如果有，则必须通过mbr区得到dbr所在的地址，然后读出dbr信息。在dbr区，可以知道每个扇区所占用的字节数、每个簇的扇区数、fat表的份数、每个fat表的扇区敷、跟目录簇号、fat表1所在的扇区等一系列非常重要的信息。
fat称为文件分配表（fat表），一个卡上会存在2个fat表，一个用作备份，一个使用。fat表一般紧随dbr，另一个fat表则紧随第一个fat表，这样只要知道了第一个fat表的位置及大小，那么第二个fat表的位置也就确定了。fat表记录了每个文件的位置和区域，是一种链式结构。
fdt称为文件根目录表，这个区域固定为32个扇区，假设每个扇区为512个字节。那么根目录下最多存放512个文件（假设都用短文件名存储，每个短文件名占32个字节）。文件目录表是另一个重要的部分，fat文件系统中（仅以短文件名介绍），文件目录项在目录表下以32个字节的方式记录。
2 系统硬件设计
2.1 供电部分电路设计
整个系统中的元件均为3.3 v器件。由于系统供电采用电池或者直流电源供电，通过三端稳压芯片lm1117-3.3，为主控芯片stm32f103 rbt6供电，用二极管in4007串接在电源正极，为系统提供电源反接保护。供电部分原理如图1所示。
图1 系统供电部分原理图
2.2 液晶显示部分电路设计
液晶显示部分主要由微控制器stm32f103rbt6驱动am240320lstnqw-00h完成人机界面状态的显示，通过发送命令字，完成液晶模块的初始化，完成对内容的显示，显示部分的硬件电路接口图如图2所示。
图2 系统液晶接口原理图
2.3 sd卡读写部分的硬件设计
处理器主机可以选择sd卡模式和spi模式中任意一种模式同sd卡通信，sd卡模式允许4线的高速数据传输。spi模式允许简单的通过spi接口来和sd卡通信，这种模式同sd卡模式相比就是丧失了速度。通过读取sd卡中的文件，识别出各个目录下的图片数据，然后对数据进行解码。驱动液晶完成图片的显示，sd卡接口部分电路如图3所示。
图3 sd卡接口原理图
3 bmp图片的解码算法
3.1 bmp文件组成
bmp文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据4部分组成。bmp文件头数据结构舍有bmp文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息，它占14个字节。bmp位图信息头数据用予说明位图的尺寸等信息，它占40个字节。bmp颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项定义一种颜色。位图信息头和颜色表组成位图信息，位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右，扫描行之间是从下到上，windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数（即以long为单位），不足的以0填充。
3.2 bmp图片的读取显示算法
首先根据读取到的bmp图片数据得到bmp的头部信息，得到文件类型，大小和文件的起始位置，然后读取bmp位图信息头，这里面记录了图片的格式的信息，如bmp图片的宽度和高度，以及每个像素所占的位数，下面举例来说明bmp图片的解码过程。
常用的bmp图片格式有24位真彩图，16位图，和32位图，解码过程略有不同，下面分别介绍，首先是24位图，当根据bmp的头文件信息得到数据的起始地址之后，从起始地址开始读数据，假设每次读入512字节，由于am240320tft采用16位的565方式显示，即就是说需要把每个像素所占的24位致据，也就是3个字节，转换为16位的数据，即2个字节，这里以前3个字节为例来说明解码算法：
其中codor为需要提供给液晶显示器每个像素点的颜色值，tmp_color为解码过程中的临时变量，数组temp存储24位格式的像素值。同样也可以解码16位颜色图和32位颜色图，解码16位颜色图的算法比较简单，只需要解出连续的两个值然后组合成16位的565格式的颜色值送到液晶显示，其解码算法如下：
在32位图的解码过程中需要注意一个问题，就是32位图中实际上只使用了24位存储像素值，也就是32位中的前3位，最后一位没有存储像素值信息，所以在解码的过程中只需要解码前3位，将第4位跳过，具体解码算法如下：
3.3 stm32解码并显示bmp图片程序
在bmp图片解码过程中，有两种方式：一种是将bmp图片数据从外部sd卡中调入内存中，从内存中解码，解码后将图片数据显示在tft屏上；第二种方式是一边从sd卡中读数据一边解码显示，两种方式各有优缺点。第一种方式的优点是由于整个解码过程全部在内存中进行，所以解码的速度比较快，显示图片的速度快。由于一般处理器内部ram都是有限的，而这种方式对ram的消耗特别大，所以采用这种方式需要外扩sram.第二种方式是从sd卡总边读取边解码，例如一般fat32文件簇的大小都是512字节，所以可以以簇为单位来读取图片信息，然后显示接着读取下一簇，这种方式的缺点是，由于sd卡的spi方式速度较慢，解码一张320x240的图片大概需要1s，但是这种方式对系统的内存消耗比较低，比较适合于没有外部ram的系统。本系统中，采用第二种方式进行解码显示，stm32采用外部8 mhz的晶振作为输入时钟，内部锁相环将时钟倍频到72 mhz作为系统时钟，采用gpio口模拟8080时序并行驱动2.8寸tft屏，屏幕分辨率为320x240，处理器首先完成各种外设初始化，接着初始化fat文件系统，然后从sd卡中读取一簇的数据，解码显示，接着读取下一簇。整个程序的流程图如图4所示。
图4 bmp解码流程图
4 结论
本文采用了基于arm的cortex-m3内核的stm32，它基于最新armv7架构，设计了一个bmp图片解码系统，完成了在2.8寸tft屏上解码并显示bmp图片，通过读取sd卡中的图片数据，边读取边解码显示，实现了在内存有限的处理器中的bmp图片的解码算法。
iPhone12 mini出现跌价?
柔性触控技术将为未来手机屏幕的发展形态提供动力
智能家居有多智能：断网了也能用
人工智能不断发展成熟,知识工作者成最大受益群体
QT如何配置交叉编译工具？
基于STM32的便携式BMP图片解码系统设计方案
国产统一操作系统UOS宣布与晟元数据安全完成兼容适配工作 进一步提升了实用性
三星手机中国市场回暖，3月环比增速第一
Exail发布第一款三轴量子惯性传感器，迈向无漂移导航系统的里程碑
如何使用NRF24L01无线发射器和接收器
英特尔存储技术新突破 耗电将降低至少25倍
运动控制器的通信功能有哪些呢？
解析程序员为什么需要理解 CPU？
中国安防行业企业排名
一文详解FC和FB的区别与用法
简单的Voltus功耗分析
矢量控制器和正弦波控制器的区别
电池修复技术—短路故障通过电压可以解决吗
全球OLED显示面板出货量占比持续提高，国内OLED产线建设加快
苹果公司正在开发MagSafe电池组
bmp是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广泛。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，bmp文件的图像深度可选1、4、8及24 bit.bmp文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。
典型的bmp图像文件由3部分组成：位图文件头数据结构，它包含bmp图像文件的类型、显示内容等信息；位图信息数据结构，它包含有bmp图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息。
arm公司作为全球32位低功耗处理器设计领域的领导者，曾经设计过很多高性能低功耗的处理器，广泛应用于各种便携式手持系统中，意法半导体公司的stm32处理器采用arm公司最新的v7体系架构的内核cortex-m3，它的速度比arm7快三分之一，功耗低四分之三，同时集成了分支预测，单周期乘法，硬件除法等功能，大大提高了处理器的数据处理能力，同时采用最新的thumb-2指令集，有效地降低了代码的密度，提高了程序的执行救率，通过对功耗和性能的分析，本文中采用的处理器为stm32f103rbt6，它可以实现最新的在应用中编程，使得系统的软件更新更加容易实现，达到了性能和功耗的平衡，可以应用于很多领域，如工业控制，温度测量等。
1 系统的工作原理
本系统以stm32f103rbt6为核心，采用晶彩光电的am240320tft液晶模块作为显示器，完成对解码后图片的显示，需要显示的图片存储在sd卡中，处理器通过spi方式读取sd卡里面的图片信息，由于stm32内部ram很小，不能作为整幅图片的缓冲区，所以本系统的设计过程中采用了用时间换空间的方式，即采用了边解码边显示的方法，省去了外部数据ram，随之而来的就是显示的速度比直接调到内存中要慢一些。
1.1 stm32f系列arm微控制器简介
stm32f103rbt6使用高性能的arm cortex-m3 32位的risc内核，工作频率为72 mhz，内置高速存储器（高达128 k字节的闪存和20 k字节的sram），丰富的增强i/o端口和连接到两条apb总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的adc、3个通用16位定时器和一个pwm定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个i2c和spi、3个usart、一个usb和一个can.供电电压2.0~3.6 v，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
1.2 tft液量显示模块简介
tft液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏。tft液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，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，采用的控制芯片为ili9320，自带总大小为172 820（240x320x1818）的显存，模块的16位数据线与显寸的对应关系为565方式，它支持多种控制输入信号。本文中采用的是8080接口，通过io模拟8080总线协议。
1.3 sd卡的特点
sd卡（secure digital memory card）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛应用于便携式装置，例如数码相机、个人数码助理（pda）和多媒体播放器等。sd卡一般支持2种操作模式：sd卡模式和spi模式，本系统的设计过程中采用spi模式完成sd卡的读写操作。
1.4 fat文件系统简介
常用的文件系统有fat12/16/32等，fat12是最古老的文件系统，只能管理8 m左右的空间。现在基本淘汰了。fat16则可以管理2 g的空间（通过特殊处理也能管理2 g以上的空间），而fat32则能管理到2 tb（2 048 gb）的空间。fat32较fat16的优势还在于fat32采用了更小的簇，可以更有效的保存信息，而不会造成多的浪费。
本系统设计过程中采用了fat32文件系统，它的主要组成部分如下：
mbr称为主引导记录区，该区存储了分区表等信息，位于sd卡的扇区0（物理扇区），在其分区信息里面记录了dbr所在的位置，sd卡一般只会有一个分区，所以也就只要找到分区1的dbr所在位置就可以了。
dbr称为操作系统引导记录区，如果没有mbr，那么dbr就位于0扇区；如果有，则必须通过mbr区得到dbr所在的地址，然后读出dbr信息。在dbr区，可以知道每个扇区所占用的字节数、每个簇的扇区数、fat表的份数、每个fat表的扇区敷、跟目录簇号、fat表1所在的扇区等一系列非常重要的信息。
fat称为文件分配表（fat表），一个卡上会存在2个fat表，一个用作备份，一个使用。fat表一般紧随dbr，另一个fat表则紧随第一个fat表，这样只要知道了第一个fat表的位置及大小，那么第二个fat表的位置也就确定了。fat表记录了每个文件的位置和区域，是一种链式结构。
fdt称为文件根目录表，这个区域固定为32个扇区，假设每个扇区为512个字节。那么根目录下最多存放512个文件（假设都用短文件名存储，每个短文件名占32个字节）。文件目录表是另一个重要的部分，fat文件系统中（仅以短文件名介绍），文件目录项在目录表下以32个字节的方式记录。
2 系统硬件设计
2.1 供电部分电路设计
整个系统中的元件均为3.3 v器件。由于系统供电采用电池或者直流电源供电，通过三端稳压芯片lm1117-3.3，为主控芯片stm32f103 rbt6供电，用二极管in4007串接在电源正极，为系统提供电源反接保护。供电部分原理如图1所示。
图1 系统供电部分原理图
2.2 液晶显示部分电路设计
液晶显示部分主要由微控制器stm32f103rbt6驱动am240320lstnqw-00h完成人机界面状态的显示，通过发送命令字，完成液晶模块的初始化，完成对内容的显示，显示部分的硬件电路接口图如图2所示。
图2 系统液晶接口原理图
2.3 sd卡读写部分的硬件设计
处理器主机可以选择sd卡模式和spi模式中任意一种模式同sd卡通信，sd卡模式允许4线的高速数据传输。spi模式允许简单的通过spi接口来和sd卡通信，这种模式同sd卡模式相比就是丧失了速度。通过读取sd卡中的文件，识别出各个目录下的图片数据，然后对数据进行解码。驱动液晶完成图片的显示，sd卡接口部分电路如图3所示。
图3 sd卡接口原理图
3 bmp图片的解码算法
3.1 bmp文件组成
bmp文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据4部分组成。bmp文件头数据结构舍有bmp文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息，它占14个字节。bmp位图信息头数据用予说明位图的尺寸等信息，它占40个字节。bmp颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项定义一种颜色。位图信息头和颜色表组成位图信息，位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右，扫描行之间是从下到上，windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数（即以long为单位），不足的以0填充。
3.2 bmp图片的读取显示算法
首先根据读取到的bmp图片数据得到bmp的头部信息，得到文件类型，大小和文件的起始位置，然后读取bmp位图信息头，这里面记录了图片的格式的信息，如bmp图片的宽度和高度，以及每个像素所占的位数，下面举例来说明bmp图片的解码过程。
常用的bmp图片格式有24位真彩图，16位图，和32位图，解码过程略有不同，下面分别介绍，首先是24位图，当根据bmp的头文件信息得到数据的起始地址之后，从起始地址开始读数据，假设每次读入512字节，由于am240320tft采用16位的565方式显示，即就是说需要把每个像素所占的24位致据，也就是3个字节，转换为16位的数据，即2个字节，这里以前3个字节为例来说明解码算法：
其中codor为需要提供给液晶显示器每个像素点的颜色值，tmp_color为解码过程中的临时变量，数组temp存储24位格式的像素值。同样也可以解码16位颜色图和32位颜色图，解码16位颜色图的算法比较简单，只需要解出连续的两个值然后组合成16位的565格式的颜色值送到液晶显示，其解码算法如下：
在32位图的解码过程中需要注意一个问题，就是32位图中实际上只使用了24位存储像素值，也就是32位中的前3位，最后一位没有存储像素值信息，所以在解码的过程中只需要解码前3位，将第4位跳过，具体解码算法如下：
3.3 stm32解码并显示bmp图片程序
在bmp图片解码过程中，有两种方式：一种是将bmp图片数据从外部sd卡中调入内存中，从内存中解码，解码后将图片数据显示在tft屏上；第二种方式是一边从sd卡中读数据一边解码显示，两种方式各有优缺点。第一种方式的优点是由于整个解码过程全部在内存中进行，所以解码的速度比较快，显示图片的速度快。由于一般处理器内部ram都是有限的，而这种方式对ram的消耗特别大，所以采用这种方式需要外扩sram.第二种方式是从sd卡总边读取边解码，例如一般fat32文件簇的大小都是512字节，所以可以以簇为单位来读取图片信息，然后显示接着读取下一簇，这种方式的缺点是，由于sd卡的spi方式速度较慢，解码一张320x240的图片大概需要1s，但是这种方式对系统的内存消耗比较低，比较适合于没有外部ram的系统。本系统中，采用第二种方式进行解码显示，stm32采用外部8 mhz的晶振作为输入时钟，内部锁相环将时钟倍频到72 mhz作为系统时钟，采用gpio口模拟8080时序并行驱动2.8寸tft屏，屏幕分辨率为320x240，处理器首先完成各种外设初始化，接着初始化fat文件系统，然后从sd卡中读取一簇的数据，解码显示，接着读取下一簇。整个程序的流程图如图4所示。
图4 bmp解码流程图
4 结论
本文采用了基于arm的cortex-m3内核的stm32，它基于最新armv7架构，设计了一个bmp图片解码系统，完成了在2.8寸tft屏上解码并显示bmp图片，通过读取sd卡中的图片数据，边读取边解码显示，实现了在内存有限的处理器中的bmp图片的解码算法。
iPhone12 mini出现跌价?
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运动控制器的通信功能有哪些呢？
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简单的Voltus功耗分析
矢量控制器和正弦波控制器的区别
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全球OLED显示面板出货量占比持续提高，国内OLED产线建设加快
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