17..STM32F469I--- LCD硬件加速应用

feixiang20

【STM32F469I试用】+ LCD硬件加速应用【转】

关于STM32F469I-DISCO，这篇帖子只介绍了使用液晶的BSP库，但是这个不是重点，重点是后面的福利——自己之前写的两个有用的模块：简单CUI（命令用户接口）模块，基于超级终端的外置键盘。本帖就分3个部分来讲
1. 使用液晶的BSP库
STM32F469I-DISCO板的一大特点就是使用了一块高分屏，这篇帖子就来研究一下使用HAL库和BSP库来使用液晶屏的方法。
1.1 DSI模式简介
       STM32F469I-DISCO的液晶控制模块LTDC是和DSI模块一起使用的，DSI有两种模式CommandMode和Video mode
DSI(Video Mode)视频模式.
这种工作模式与传统RGB接口相似，主机需要持续刷新显示器。由于不使用专用的数据信号传输同步信息，控制信号和RGB数据是以报文的形式通过MIPI总线传输的。因为主机需要定期刷新显示器，显示器就不需要帧缓冲器。
DCS(Command mode)命令模式
MIPI总线控制器使用显示命令报文来向显示器发送像素数据流。显示器应该有一个全帧长的帧缓冲器来存储所有的像素数据。一旦数据被放在显示器的帧缓冲器中，定时控制器就从帧缓冲器中取出数据，并自动把它们显示在屏幕上。MIPI总线控制器不需要定期刷新显示器。
STM32F469使用命令模式时可以手动刷新显示器，也可以自动刷新（消除TearingEffect模式，TE）
如果想了解更多关于这两种模式的内容，可以看这个博客
见附件文档
如果想了解更多关于TE的内容，看下面这个博客
见附件文档
       在写这篇帖子的过程中对两种方式都进行了测试，发现Command Mode下在刷屏时屏幕上会雪花出现（刷完屏后显示一切正常），理论上来讲，在刷新显存之前，显存RAM内容的改变并不会表现在屏幕上，暂时没有精力去找原因了，帖子的工程中使用了Video Mode

1.2 工程建立
接下来开始建立工程，这个工程是从LCD_DSI_VideoMode_DoubleBuffering工程修改而来的
工程需要的库文件：



BSP的LCD库函数需要板载SDRAM，因为显存存放在从地址LCD_FB_START_ADDRESS（0xC0000000）开始的内存中，而这个地址就是SDRAM的起始地址
Main函数：
       Main函数开头的初始化都是直接调用库函数完成，初始化完成之后，就可以使用LCD的库函数了，包括了画点，画线，画图填充，写字符等函数。



2. 简易CUI模块
       PC上的cmd窗口就是CUI的一个例子，相对于GUI，它的实现简单，占用资源少，非常适合嵌入式，本例是一个简单的CUI演示，它有两个特点：软件光标和屏幕卷动。但是屏幕缓冲区只有一屏的内容，因此不能回看。

2.1 CUI界面配置
       CUI界面只支持字符显示，可以显示固定行数和列数的字符，并且字符只能顺序写入，不能设定光标的位置。
通过配置文件可以设置界面的行数，列数，字体样式，背景色和前景色。



LCD_WIDTH，LCD_HEIGHT：只用来限制显示CUI界面的大小，不必等于真实液晶宽和高
CUI_FONT：font.c文件有几种字体可选，CUI_WIDTH和CUI_HEIGHT要和所选的字体一致。也可以添加其他字体，字体取模的格式为：纵向取模，从上到下（MSb在上），从左到右，不足8bit的LSb补0
CURSOR_HEIGHT：光标使用横向的格式，高度从1到FONT_HEIGHT都可以
CURSOR_BLINK_RATE：光标闪烁频率，这里设置的是1Hz，这个要求定时器中断周期为1ms
CUI_LINE，CUI_ROW：CUI显示的行数和列数，这两个值设定之后最好保证整个CUI界面小于LCD_WIDTH和LCD_HEIGHT所限定的区域，否则一部分字符会显示不出来

2.2 移植准备
移植CUI模块只要2个外部函数，Lcd_SetPixel()和Lcd_GetPixel()，在程序中是要用这两个函数实现画字符的功能，因此可以结合LCD控制器的特点进行优化。
另外，还需要将Cui_TimerProc()函数在1ms定时器中断程序中调用，用来实现软件光标。
2.3应用接口：



接口函数只有4个，Cui_Putc和Cui_Puts可以像C标准库里的那样使用，重定位之后可以直接printf了
2.4 基于STM32F469I-DISCO的优化
使用上面未优化的方法，移植到STM32F469I-DISCO，全屏幕时，屏幕卷动的速度很慢，因为屏幕卷动一次需要将当前屏幕整体往上移动一行字符的高度，未优化时，是直接重新给整个屏幕填充字符，一个字符一个字符画出来，当然消耗时间，如果有方法将整个屏幕整体拷贝，这个过程将提速N倍。MCU接口的LCD的驱动IC一般支持窗口函数，这种使用软件去描点就类似于这种拷贝了，但是RGB接口的显存都是线性的，无法实现这种方法，而STM32F469的硬件加速器正是为了这种拷贝而设计的，假如有一组图片数据，颜色格式为ARGB8888，但是图片大小是100x100的，现在要将图片拷贝到屏幕的（320,240）的位置，如果使用软件拷贝就要对每一行数据计算起始RAM地址，拷贝一行，接着计算下一行的起始RAM地址，拷贝下一行…，并且图片数据的格式和显存中的格式还不一样，拷贝之前还要先转换一下，但是使用DMA2D硬件加速器，这个过程变得非常简单迅速，设置一下图片数据的起始地址（源），在显存中存放的起始地址（目的），图片的颜色格式，图片的宽和高，启动DMA2D，然后等着硬件拷贝完成就行了。
       经过上面的分析，就知道了该怎样优化了，可以有两种方法优化：
优化1：优化画字符的函数，这种方法对CUI的软件改变最小，但是要求取字模时，一个点要用4个字节表示，而不再是1bit，字模体积最大为原来的32倍，虽说STM32F469的Flash有2M，还有16M的QSPI，也不能这么任性，关键是如果屏幕颜色数据改变了，字模岂不是要随着改变，所以这个优化先排除掉
优化2：在终端中输入字符时，只要当前屏幕未满，显示速度都是飞快的，毕竟只显示一个字符，但是如果是上面这种情况，那么，整个屏幕都要上移一行，未优化的方法都是重新写满屏数据，这个过程比较慢，但是如果能将当前屏幕从第二行开始拷贝到从第一行开始，再将最后一行清除，那么就相当于把整屏往上移动了一行，这就是这种优化的思想；
    遗憾的是，并没有发现可以将屏幕显存的一部分拷贝到另外一个位置的方法，例程中使用DMA2D的拷贝只是将一个图片数据拷贝到屏幕的某个位置，如果只拷贝图片的一部分，就不知道该怎么处理了，所以只能绕个路，每次拷贝一行像素，如果CUI界面占用了整个屏幕倒是可以整个拷贝。这种方法其实使用普通的DMA也可实现。
注1：后来实际测试了一下普通的DMA，发现速度非常慢，显示效果还不如不用优化，也许是我没配置好，对这个结果不满意的坛友可以研究一下，看是不是可以更快。另外实测DMA从SDRAM拷贝到SDRAM所用时间大约是Flash到RAM时间的4~5倍。
       附件工程中提供了未优化和用DMA2D优化这两种方法，可以通过命令行启动或关闭加速，对比一下效果吧。

注2：调试程序时发现BSP库中关于BSP_LCD_ReadPixel()函数有一处错误：



红圈中的2应该改为4，ARGB格式一个点占4个字节，不是两个

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3 基于超级终端的外置键盘
       一般开发板只有有限的几个按键，有的甚至没有，想扩展键盘比较麻烦，使用也不方便，但是串口大多开发板都是有的，这部分就介绍如何使用串口配合PC的超级终端来外扩一个外置的键盘，有了这个键盘，几乎能输入电脑标准键盘上的所有按键，并且扩展非常方便，“即插即用”。在介绍这个模块之前，先做些铺垫。

3.1 MCU串行通信处理方法
先介绍一下自己经常用的一个串口通信处理方法和一个自定义的printf函数，这些都是从日本人chaN（FatFs的作者）那里得来的，使用非常方便。
要介绍的这种串口通信方法使用了软件FIFO
发送时：应用程序写要发送的数据到发送FIFO，TX中断函数查询发送FIFO，如果不为空就从里面读数据发送出去
接收时： RX中断函数将接收到的数据写入接收FIFO，应用程序查询接收FIFO，如果不为空，就可以将数据读出来。
使用这种处理，应用程序编程变得很方便；但是移植时，发送中断的处理需要结合MCU的中断触发机制。后面会结合STM32和51单片机讲一下怎样移植这个模块。

3.1.1 软件FIFO操作
       软件FIFO只需要提供MCU的开关中断的方法即可
关中断：FIFO_ENTER_CRITICAL()
开中断：FIFO_EXIT_CRITICAL()

3.1.2移植方法
串口初始化
串口的初始化不同的平台都不一样，但是初始化之后要开接收中断，发送中断要不要开根据平台决定，下面例子有说。
中断触发条件的设置
对于接收中断，一般设为只要有数据接收到就触发中断，大部分MCU都支持这个功能。要注意的是有些MCU的串口接收具有硬件FIFO功能，接收中断的触发条件可以设为FIFO满或者FIFO不空，这时要设为不空，否则会有一些接收数据存留在FIFO中。
对于发送中断，有的MCU是发送寄存器空触发，有的是发送完成触发，这两个本质是不一样的，下面分别根据51和STM32来介绍。
STM32
       初始化：初始化之后开接收中断，发送中断先不要开，接收中断触发条件是RXNE。
       Uart_Putc()函数：（阻塞）
void Uart_Putc(unsigned char c)
{
Fifo_Write(&TxFifo, c);
__HAL_UART_ENABLE_IT(&UartHandle, UART_IT_TXE);
}
将要发送的字节写入FIFO，开发送中断，发送中断的触发条件为TXE，即发送寄存器空触发中断，这时如果没有数据在发送，会立刻进入中断

Uart_Getc()函数（阻塞）
unsigned char Uart_Getc(void)
{
  returnFifo_Read(&RxFifo);
}
不用移植，注意这个函数是阻塞函数，如果需要非阻塞函数，可以先查询一下FIFO是否为空，如果为空，读取失败返回。

中断处理函数：
void USART3_IRQHandler(void)
{
  unsigned charc;

if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_RXNE)==1) {
    c =(unsigned char)((UartHandle.Instance)->DR);
   if(!Fifo_Full(&RxFifo))
     Fifo_Write(&RxFifo, c);
  }

if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_TXE)==1) {
   if(!Fifo_Empty(&TxFifo)) {
      c =Fifo_Read(&TxFifo);
     (UartHandle.Instance)->DR = (unsigned short)c;
    }
    else {
     __HAL_UART_DISABLE_IT(&UartHandle, UART_IT_TXE);
    }
  }
}
中断处理函数，对于接收中断，将接收到的数据写入接收FIFO即可，但是如果FIFO已满，接收到的数据将被丢弃；对于发送中断，如果FIFO不为空，读出数据发送，如果FIFO为空，注意要禁用发送中断，否则会一直进入中断。

51单片机
       初始化：
初始化之后，开中断，51的接收和发送是一个中断，只能同时使能或禁用
       Uart_Putc()函数：
       void Uart_Putc(unsigned char c)
{
Fifo_Write(&TxFifo, c);
  EA= 0;
if(!TxRun) {
     TxRun= 1;
     TI= 1;
}
  EA= 1；
}
先写数据到FIFO，51的发送中断是发送完成触发，并且可以软件置位标识位触发，这里就是将TI置1来触发软件中断；这里有一个TxRun变量，如果有数据要发送，要将这个变量置1，中断程序会在FIFO中所有数据接收完成之后将其清零，注意修改TxRun时要先关中断。
void UartISR(void) interrupt 4
{
  if(RI){
     Fifo_Write(&RxFifo,SBUF);
     RI= 0;      
  }
  else {
     TI= 0; //清除发送中断标志
     if(!Fifo_Empty(&TxFifo){
        SBUF = Fifo_Read(&TxFifo);
}
     else  {
        TxRun= 0;
     }
  }
}

3.1.3 非阻塞函数
      前面的getc和putc函数都是阻塞函数，但有时需要非阻塞函数，这时可以使用FIFO_Full()和FIFO_Empty()函数先判断一下，如果可以写或者读，就执行，然后返回成功，否则返回失败，这个功能配合定时器就可以实现带超时的非阻塞函数。
3.2 xprintf模块
       在串口输出时，如果将putc重定位，可以使用C标准库的printf函数，这对于调试意义重大，但重定向到标准的printf函数好像比较麻烦，编译出来的代码也会增加，RAM小的情况下也比较容易出问题（我自己没试过），所以一直以来都没用过，一直在用的是chaN的xprintf模块，这个模块基本上具备了printf的所有功能（不支持浮点数打印），还有sprintf，等等，代码编译之后大概2K，实现只需要stdarg.h头文件，这个头文件中都是一些宏操作，没什么消耗，它有几个好处：
       1. 使用方便：不需要移植，通过一个函数调用完成重定向，也可以将输出函数作为参数来实现临时的重定向
       2. 适合调试用：模块提供了xgetc, xgets，xatoi等函数，具有回显功能，可以方便从串口输入数据，完成字符串到整数的转换等，后面Demo程序会看到相关的用法。
模块使用
这个模块不用移植，可以直接使用，只需要调用两个函数：
xdev_out(Uart_Putc);
xdev_in(Uart_Getc);
这样就完成了重定向，虽说一般用于串口，其实这个模块可以用于任何字符输出设备，比如液晶。
chaN的网站上有很多值得学习的地方，电子爱好者不要错过
见附件文档
3.3 基于超级终端的外置键盘3.3.1设计思路：
       在PC的超级终端下，按下一个按键，会（不是所有按键都会）通过串口发送一个字符，有些功能键按下之后会发送3个字符，可以利用这个特性来用MCU的串口扩展一个外接键盘。
键盘扫描：
根据前面的介绍，串口接收到的字符都存放在接收FIFO中，这样隔一段时间去查询一下FIFO，如果有数据，将数据读出，就知道那个按键按下，然后执行相应的处理，而这个FIFO相当于键盘的缓冲区（本模块使用了单独的按键缓冲FIFO），有些功能键按下会一下发送3个字符，这三个字符如果分别读出会被误判为其他按键按下，如：UP键对应的键盘码为1B 5B 41，如果顺序读出来，会认为ESC（1B），“[”和“A”按下了，对于这种情况，可以用一个状态机来处理，如果接收到的字符是1B，那么延时5ms，再扫描，如果5ms之内又接收到了数据，认为新接收到的数据和将要接收到的数据是同一个按键的码值，如果5ms之内没接收到，说明按下的就是ESC键。
本模块在定时器中断中执行案件扫描，占用CPU时间很少，并且这个外接键盘有一个好处，就是免去了判断按键键值的麻烦，接收到的字符既是按键键值。
超级终端的高级用途：
超级终端除了可以按顺序输出打印的字符外，还可以在指定位置显示字符，改变背景颜色，字符颜色和显示模式等，完全可以当做一个简单的监控界面来使用，在要介绍的模块中，实现了几个简单的函数，想了解超级终端高级用途的可以参考这里：
见附件文档

3.3.2 模块移植
       这个模块的移植需要fifo.c，其他只需要提供一个非阻塞的串口接收函数
#define ht_getc_unblock(c)  Uart_Getc_Unblock(c)
如果接收FIFO为空，这个函数返回0，如果接收FIFO不为空，从接收FIFO中读出一个字节，将这个字节赋值给*c
3.3.3 接口函数





KeyBuf_Proc()：这个函数要放在1ms定时器中断服务函数中执行
HT_GetKey()：从键盘缓冲中读取一个按键，如果读到的值为0，说明没有按键按下。
HT_KeyScan_Enable()，HT_KeyScan_Disable()：键盘的扫描可以使能或禁用，使能键盘扫描时，串口接收FIFO中的数据会在KeyBuf_Proc()函数中读入键盘缓冲；禁用扫描时，键盘缓冲会被清除，KeyBuf_Proc()函数也不会执行按键扫描，超级终端可以当做普通的串口终端来使用。
       下面这几个函数属于超级终端的高级用法了
HT_ClearScreen()：清除当前显示
HT_SetStyle()：设置显示风格，可以是高亮，闪烁，带下划线等
HT_SetBackground()：设置字符背景色
HT_SetForeground()：设置字符前景色
HT_SetXY()：设置光标位置（注意光标的原点位置坐标是（1,1）不是（0,0）
       在Demo程序中会看到相应的用法。

4. 综合DEMO程序
       前面讲了这么多，看得都没劲了，还是来个Demo程序来演示一下吧
硬件准备：
       将STM32F469I-DISCO通过STlink的USB接口连接到电脑，保证可以下载程序，并且虚拟串口可以使用（这个虚拟串口的驱动相当难装，我自己折腾了一个下午才装成功，后面会附上这个方法），下载程序。
超级终端演示：



程序默认将输出函数定位到了串口上，超级终端会打印Hello World，并有“>”来提示输入命令，这个Demo程序支持几个命令，用于超级终端演示的有
“dir2lcd”：定位输出函数到液晶，如果输入这个命令，显示将会从超级终端切换到液晶。
“ht_test”：进入外置键盘的测试程序，进入之后的界面是这样的：



按下一个按键，将会在屏幕固定位置打印出按下的按键及其键值，按ESC键会退出测试模式。
液晶和CUI演示
       在超级终端中输入“dir2lcd”命令将输出重定向到LCD，这时要看LCD屏幕了，在LCD屏幕上可以有以下命令：
“dir2ht”：切换输出到超级终端
“opt_enable”：使能CUI的DMA2D硬件加速，上电默认是使能的
“opt_disable”：禁用CUI的DMA2D硬件加速
“cui_test”：输入这个命令会打印出来几行字符，多输入几次写满整个屏幕，可以看滚屏的效果，并且可以对比开优化和不开优化的效果。



附录：关于附件中的DEMO工程
       cui_demo工程文件和STM32CUBEF4软件包的位置关系如下：



工程所需要的文件都在cui_demo/src文件夹下，串口驱动的HAL库太乱了，自己写了一个，比较简洁。