先楫方案 | LED车尾灯纯硬件高刷新率解决方案

上海先楫半导体科技有限公司(先楫半导体， HPMicro) 基于国产高性能MCU HPM6P00推出纯硬件高刷新率的LED车尾灯解决方案。

 

HPM6P00系列MCU是先楫半导体推出的高性能MCU，该MCU搭载单核32位RISC-V处理器，主频高达600MHz,内置1MB ⾼速Flash和256KB SRAM，32KB 高速缓存 (I/D Cache)，128KB ILM(本地指令存储器)和128KB DLM(本地数据存储器) 零等待RAM。该系列支持2个集成电路内置音频总线I2S，每个I2S支持多种音频标准如I2S，LSB对齐，MSB对齐，PCM，TDM等，能满足多种单声道和立体声应。每个I2S支持4路发送数据信号和4路接收数据信号，支持工作在主模式和从模式，支持独立的时钟配置，可以支持多种码率的音频。I2S 每个 TX 带有8字深，32位宽的输入输出FIFO缓冲区域，为高速数据流输出提供了硬件基础。

 

本车尾灯显示方案基于HPM6P00的I²S接口，结合链式DMA与SPI外设，实现对LED行驱动芯片（ICN2012）与列驱动芯片（ICN2038）的高效控制。通过利用I²S多通道同步输出特性，配合链式DMA自动完成整屏扫描与数据刷新，实现了CPU 零负载参与刷屏过程，仅需在后台更新显存数据，系统性能远超传统GPIO扫描方式，刷新率与显示效果显著提升。

 

方案特性

1、核心特性：

全硬件自动扫描：基于链式DMA + I²S + SPI协同工作，刷屏过程无需CPU介入。

高刷新率与低延迟：支持最高25MHz驱动时钟，单行（128列）扫描时间仅约7μs。

灵活的色彩深度：支持RGB111/222/333/444/555等多种灰度等级。

强大的扩展能力：单系统最多可驱动 256列 × 232行 LED点阵。

高可靠性设计：支持R/G/B信号分流控制（R2/G2/B2），避免过流风险。

2、关键性能指标：

当前硬件配置：128列 × 26行

最大理论扩展：256列（基于8×32位FIFO）× 232行（基于32位GPIO组解码）

扫描时钟：≤ 25MHz（受驱动芯片限制）

CPU占用率：刷屏期间 0%

数据更新方式：CPU仅更新SRAM中的显示缓冲区，由DMA自动搬运至I²S发送

 

系统架构

1、本方案以先楫半导体HPM6P00系列高性能MCU为核心控制器，充分发挥其丰富的外设与高带宽互联架构。系统利用其两路I²S接口共8个发送通道，分别控制LED的色光与锁存信号（R1/G1/B1、R2/G2/B2、LE、OE）。其中，R2/G2/B2通道可根据设计需求，用于扩展驱动能力或实现信号分流，以支持更高密度或更大电流的LED阵列。行选控制则由一组GPIO实现，用于寻址与使能相应的行驱动芯片。

2、为确保两路I²S输出数据严格同步，本方案引入SPI模块作为主时钟源，由其提供统一的位时钟（SCLK）至两个I²S接口，从而保证色彩与控制信号的时序对齐。

3、整个扫描与刷新流程完全由链式DMA自主协调，无需CPU介入。DMA自动从显存搬运数据，通过I²S发送至驱动芯片，并同步控制GPIO切换行选，实现了从内存到屏端的全硬件自动化驱动。

4、系统整体架构如下图所示，清晰展示了数据流、控制流与时钟关系：

 

软件设计

该方案软件采用分层与硬件加速协同的设计架构，实现了从图形渲染到信号输出的全流程高效管理。其核心在于利用链式DMA构建了一个自主运行的刷新“引擎”，使CPU在刷屏过程中完全解放。具体数据流与控制流如下图所示：

1、架构核心解读：

a. 应用层： 仅负责内容的生成与更新（如图形、动画），将最终帧数据写入显存缓冲区。

b. 显存双缓冲： 在SRAM中开辟两个缓冲区，前台用于DMA读取发送，后台用于应用写入，避免画面撕裂，实现平滑更新。

c. 链式DMA控制器（核心引擎）：

ROW链表：像一个预设好的“行扫描脚本”，每个节点自动完成一行LED的驱动（切换行+发送该行所有列数据）。所有节点链接成环，实现周而复始的自动扫描。

SET链表：是关键的性能优化设计。它充当“导演”角色，在每一帧刷新开始时，自动修改所有ROW节点中指向显存的地址，使其指向新一帧的数据。这避免了为每一行重复配置DMA，极大地节省了内存和CPU配置开销。

d. 硬件输出层： I²S在SPI提供的主时钟下同步工作，将DMA搬运来的并行像素数据，转化为串行信号输出至LED驱动芯片，完成最终的电平控制。

2、DMA链式配置：

a. ROW链表：

每个节点对应一行的扫描过程：先输出行选信号（通过GPIO组），随后通过I²S发送该行对应的所有列RGB数据。

所有行的ROW节点链接成一个循环链表，DMA自动依次执行，实现连续行扫。

b. SET链表：

用于在帧刷新时，批量更新所有ROW节点中对应的显存源地址（指向新帧数据）。

此设计避免了为每一行单独预配置大量DMA描述符，极大节省了RAM开销。

总结而言： 此架构通过“双缓冲显存”与“ROW+SET双链表DMA”的精密配合，构建了一个高度自动化、低延迟的刷新流水线。CPU仅在后台更新显存内容，刷屏全流程由DMA驱动硬件自主完成，实现了极致的性能与效率。

 

性能实测

1、测试条件

显示分辨率：128列 × 26行

色彩深度：RGB555（16位色）

I²S时钟：25MHz (受限驱动芯片频率)

驱动芯片限制频率：25MHz

2、实测结果

单行扫描时间：约7μs（128列数据）

整帧刷新时间：26行 × 7μs x 32(RGB555)≈ 6ms

理论最大帧率：≥ 100 fps（纯扫描，不含渲染时间）

CPU占用率：刷屏期间 0%（由DMA全权负责）

数据更新延迟：CPU写入显存后，最晚在下一帧即可显示（双缓冲机制下无撕裂）

3、优势对比