vscode_cmake_stm32_lvgl移植及显示优化

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1 LVGL移植

本文使用的环境如下：

STM32H743
FreeRTOS
st7789 lcd(320*240)

下载 LVGL源码，本文使用Release v9.1.0；
将压缩包解压到工程目录，例如stm32h7xx_cmake_project/components/lvgl-9.1.0，如下所示：
在工程目录下创建LVGL，其包含porting、ui和app；
将lvgl-9.1.0目录下的lv_conf_template.h复制一份为lv_conf.h，并作以下修改：
- 将#if 0 /*Set it to "1" to enable content*/改为#if 1 /*Set it to "1" to enable content*/使能lv_conf.h文件内容；
- 定义#define MY_DISP_HOR_RES 320和#define MY_DISP_VER_RES 240，指明显示屏的尺寸；
请根据主CMakeLists.txt，自行加入以下内容：

add_subdirectory(./lvgl-9.1.0)

aux_source_directory(LVGL/porting LVGL_PORTING)
aux_source_directory(LVGL/app LVGL_APP)

target_sources(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE
    ${LVGL_PORTING}
    ${LVGL_APP}
)

target_link_libraries(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE
    lvgl
    lvgl_demos
)

target_include_directories(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE
    ./LVGL/porting
    ./LVGL/app
)

将lvgl-9.1.0/examples/porting/lv_port_disp_template.c和lvgl-9.1.0/examples/porting/lv_port_disp_template.h复制到LVGL/porting中，并重命名为lv_port_disp.c和lv_port_disp.h，该文件与显示屏以及lvgl初始化显示屏相关；

将#if 0改为#if 1，以使能文件内容；
使用例子一方式显存，如下所示：

/* Example 1
 * One buffer for partial rendering*/
static lv_color_t buf_1_1[MY_DISP_HOR_RES * 10];                          /*A buffer for 10 rows*/
lv_display_set_buffers(disp, buf_1_1, NULL, sizeof(buf_1_1), LV_DISPLAY_RENDER_MODE_PARTIAL);

/* Example 2
 * Two buffers for partial rendering
 * In flush_cb DMA or similar hardware should be used to update the display in the background.*/
// static lv_color_t buf_2_1[MY_DISP_HOR_RES * 10];
// static lv_color_t buf_2_2[MY_DISP_HOR_RES * 10];
// lv_display_set_buffers(disp, buf_2_1, buf_2_2, sizeof(buf_2_1), LV_DISPLAY_RENDER_MODE_PARTIAL);

/* Example 3
 * Two buffers screen sized buffer for double buffering.
 * Both LV_DISPLAY_RENDER_MODE_DIRECT and LV_DISPLAY_RENDER_MODE_FULL works, see their comments*/
// static lv_color_t buf_3_1[MY_DISP_HOR_RES * MY_DISP_VER_RES];
// static lv_color_t buf_3_2[MY_DISP_HOR_RES * MY_DISP_VER_RES];
// lv_display_set_buffers(disp, buf_3_1, buf_3_2, sizeof(buf_3_1), LV_DISPLAY_RENDER_MODE_DIRECT);

实现显示刷新到屏幕

static void disp_flush(lv_display_t * disp_drv, const lv_area_t * area, uint8_t * px_map)
{
    if(disp_flush_enabled) {
        /*The most simple case (but also the slowest) to put all pixels to the screen one-by-one*/

        int32_t x;
        int32_t y;
        for(y = area->y1; y <= area->y2; y++) {
            for(x = area->x1; x <= area->x2; x++) {
                /*Put a pixel to the display. For example:*/
                /*put_px(x, y, *px_map)*/
                LCD_Draw_Point(x, y, *(uint16_t *)px_map);  // 画点
                px_map++;
                px_map++;   // 注意，根据实际显示屏位数修改，笔者使用16位的，因此此处需要自增多一次
            }
        }
    }

    /*IMPORTANT!!!
    *Inform the graphics library that you are ready with the flushing*/
    lv_display_flush_ready(disp_drv);
}

在app文件夹中，创建lvgl_thread.c和lvgl_thread.h，如下：

lvgl_thread.h

#ifndef __LVGL_THREAD_H__
#define __LVGL_THREAD_H__

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#include<stdint.h>

int lvgl_app_init(void);
#ifdef __cplusplus
}
#endif


#endif

lvgl_thread.c

#include "lvgl_thread.h"

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"


#include "lvgl.h"
#include "lv_port_disp.h"
#include "lv_demos.h"

char *demo_name = "benchmark";

void lv_example_get_started_1(void)
{
    /*Change the active screen's background color*/
    lv_obj_set_style_bg_color(lv_screen_active(), lv_color_hex(0x003a57), LV_PART_MAIN);

    /*Create a white label, set its text and align it to the center*/
    lv_obj_t * label = lv_label_create(lv_screen_active());
    lv_label_set_text(label, "Hello world");
    lv_obj_set_style_text_color(lv_screen_active(), lv_color_hex(0xffffff), LV_PART_MAIN);
    lv_obj_align(label, LV_ALIGN_CENTER, 0, 0);
}

static void lvgl_thread_entry(void *arg) {
    (void)arg;
    lv_init();
    lv_port_disp_init();
    // lv_port_indev_init();
    // lv_user_gui_init();
    lv_tick_set_cb(&xTaskGetTickCount);
    // lv_demos_create(NULL, -1);
    // lv_demos_create(&demo_name, 2);
    lv_example_get_started_1();
    /* handle the tasks of LVGL */
    while(1) {
        lv_task_handler();
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

int lvgl_app_init(void) {
    xTaskCreate(lvgl_thread_entry, "lvgl_thread", 4096, NULL, 10, NULL);
    return 0;
}

至此，移植工作已做完，直接构建工程，应该能编译通过。

2 LVGL性能测试

前面中，我们已经把LVGL的例子库添加到工程了，因此可以使用LVGL例子对系统进行性能测试。

打开lv_conf.h，修改以下宏定义：

#define LV_USE_DEMO_WIDGETS 1
#define LV_USE_DEMO_BENCHMARK 1
#define LV_MEM_SIZE (128 * 1024U)       /*[bytes]*/
#define LV_USE_PERF_MONITOR 1          // 显示帧数

lvgl_thread.c中修改static void lvgl_thread_entry(void *arg)：

static const char *demo_name = "benchmark";
static void lvgl_thread_entry(void *arg) {
    (void)arg;
    lv_init();
    lv_port_disp_init();
    // lv_port_indev_init();
    // lv_user_gui_init();
    lv_tick_set_cb(&xTaskGetTickCount);
    // lv_demos_create(NULL, -1);
    lv_demos_create(&demo_name, 2);
    /* handle the tasks of LVGL */
    while(1) {
        lv_task_handler();
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

编译运行可以发现，fps基本为0，这种情况下，与LVGL代码无太大关系了，与硬件平台相关，将在下一节分析原因并优化；

3 ST7789显示优化

st7789部分显示函数：

void LCD_Write_Data(uint8_t data){
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, 1, 100); 
}

void LCD_Write_Data_16Bit(uint16_t data)
{
    LCD_Write_Data(data >> 8);
    LCD_Write_Data(data & 0xFF);
}

void LCD_Draw_Point(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t color)
{
	LCD_Set_Windows(x, y, x, y);
	LCD_Write_Data_16Bit(color); 
}

void LCD_Fill(uint16_t x1, uint16_t y1, uint16_t x2, uint16_t y2, uint16_t *color)
{
	int i,j;
	LCD_Set_Windows(x1, y1, x2, y2);
	for (i = y1; i <= y2; i++) {
		for (j = x1; j <= x2; j++)
		{
			LCD_Write_Data_16Bit(*color ++);
		}
	}
}

笔者在没有优化显示时，st7789 fps值很低，原因分析如下：

st7789使用的是spi接口，每次只写一个点，时间开销都消耗在LCD_Set_Windows，此时软spi还是硬spi，速率差异不大；
stm32 spi速率过低；
stm32 spi在无dma的情况对cpu资源开销大。

3.1 优化`disp_flush`

将原来每次只画一个点，改为填充一块区域，修改完后会发现fps值有所提高，大概fps为2-3，笔者spi速率92MHz。

static void disp_flush(lv_display_t * disp_drv, const lv_area_t * area, uint8_t * px_map)
{
    if(disp_flush_enabled) {
        /*The most simple case (but also the slowest) to put all pixels to the screen one-by-one*/
        LCD_Fill(area->x1, area->y1, area->x2, area->y2, px_map);
    }

    /*IMPORTANT!!!
     *Inform the graphics library that you are ready with the flushing*/
    lv_display_flush_ready(disp_drv);
}

分析LCD_Fill，每画一个点需要执行LCD_Write_Data两次，每次传输一个字节就要调用一次spi hal库中的发送操作，时间开销都花在了函数调用上，是否减少函数调用次数能提高显示效果？

3.2 减少spi传输调用次数

将LCD_FILL改为如下：

void LCD_Fill(uint16_t x1, uint16_t y1, uint16_t x2, uint16_t y2, uint16_t *color)
{
	uint32_t size = (x2 - x1 + 1) * (y2 - y1 + 1) * 2;
	uint32_t send_size = size > LCD_BUF_MAX ? LCD_BUF_MAX : size;

	LCD_Set_Windows(x1, y1, x2, y2);
	uint8_t *data = (uint8_t *)color;
	SPI_CS_LOW();
	while(size) {
		for(uint32_t i = 0; i < send_size; i += 2) {
			lcd_buf[i] = data[i + 1];
			lcd_buf[i + 1] = data[i];
		}
        HAL_SPI_Transmit(&hspi1, lcd_buf, send_size, 100); 
		size -= send_size;
		data += send_size;
		if(size > LCD_BUF_MAX) {
			send_size = LCD_BUF_MAX;
		}
		else {
			send_size = size;
		}
	}
	SPI_CS_HIGH();
}

修改完后，发现fps大大提高了，大于15fps。虽然fps提高了，显示比较流畅，全屏刷时还是能看得出闪烁，但这种方式带来的是cpu开销过大，毕竟每次发送完都要等待发送完成。如果将spi改为DMA是否能降低cpu开销？

3.3 使用SPI DMA

此处贴出对HAL库SPI操作的二次封装，不对SPI DMA初始化讲解，毕竟STM32CubeMX能生成，本小节重点在于如何同步发送完成。下列使用了一个信号进行发送完成同步。

#include "bsp_spi.h"
#include "spi.h"
#include "user_config.h"

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

extern SPI_HandleTypeDef hspi1;
extern SPI_HandleTypeDef hspi4;
extern DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;
extern DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;
extern DMA_HandleTypeDef hdma_spi4_rx;
extern DMA_HandleTypeDef hdma_spi4_tx;


#define SPI_RW_LOCK(name, direction) \
static SemaphoreHandle_t name##_##direction##_sem = NULL;\
static int name##_##direction##_rw_lock(void) {\
    if(__get_IPSR() != 0U) {\
		BaseType_t yield;\
		yield = pdFALSE;\
		if (xSemaphoreTakeFromISR (name##_##direction##_sem, &yield) == pdPASS) {\
			portYIELD_FROM_ISR (yield);\
            return 0;\
		}\
	} \
    else {\
		if (xSemaphoreTake (name##_##direction##_sem, (TickType_t)portMAX_DELAY) == pdPASS) {\
            return 0;\
        }\
    }\
    return -1;\
}\
static int name##_##direction##_rw_unlock(void) {\
    if(__get_IPSR() != 0U) {\
		BaseType_t yield;\
		yield = pdFALSE;\
		if (xSemaphoreGiveFromISR (name##_##direction##_sem, &yield) == pdPASS) {\
			portYIELD_FROM_ISR (yield);\
            return 0;\
		}\
	} \
    else {\
		if (xSemaphoreGive (name##_##direction##_sem) == pdPASS) {\
            return 0;\
        }\
	}\
    return -1;\
}

#define SPI_INIT(name) \
{\
    name##_tx_sem = xSemaphoreCreateBinary(); \
    xSemaphoreGive(name##_tx_sem); \
}


// #define SPI_SEND_DATA_FUNC(name) \
// int name##_send_data(const uint8_t *data, uint16_t len) \
// {\
//     HAL_SPI_Transmit(&h##name, data, len, 100); \
// 	return len;\
// }

#define SPI_SEND_DATA_FUNC(name) \
int name##_send_data(const uint8_t *data, uint16_t len) \
{\
    HAL_SPI_Transmit_DMA(&h##name, data, len); \
    name##_tx_rw_lock(); \
	return len;\
}


SPI_RW_LOCK(spi1, tx)
SPI_SEND_DATA_FUNC(spi1)


int spi_init(void) {
#if USE_SPI1
    MX_SPI1_Init();
    SPI_INIT(spi1);
#endif
    return 0;
}


int bsp_spi_send(uint8_t spi_id, const uint8_t *data, uint16_t size) {
    if(spi_id == SPI1_ID) {
        spi1_send_data(data, size);
    }
    return 0;
}

void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    if(hspi == &hspi1) {
        spi1_tx_rw_unlock();
    }
}

void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    (void) hspi;

}

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将spi改为dma方式传输之后，整个系统cpu占用有所大大降低，但是笔者之前spi使用了96MHz，此时显示屏颜色不对。说明spi时序已经超限了，此时需要降低SPI传输速率，笔者将96MHz降至48MHz，显示就正常了。虽然SPI传输速率降低，但是fps值未受影响。

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3 ST7789显示优化

3.1 优化disp_flush

3.2 减少spi传输调用次数

3.3 使用SPI DMA

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3.1 优化`disp_flush`

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