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傻孩子（GorgonMeducer） · 2022年01月24日

【喂到嘴边了的模块】关于我在MDK中部署LVGL只用了10分钟这件小事

嵌入式系统CMSIS

【说在前面的话】

说实话，LVGL这么有牌面的项目，其维护者居然没听说过cmsis-pack，这着实让我略为破防：
image.png
连lwIP都在Pack-Installer里有个坑位，难道这是个LVGL的“灯下黑”？
image.png
对这样的嵌入式开源界的“世界级明星白菜”，难得遇到一个“染指”的机会，怎能不“拱”一下呢？
image.png
省略一万字的过程描述……
image.png
我为LVGL做的CMSIS-Pack终于被合并入仓库主线啦！
image.png

【如何获取 LVGL cmsis-pack】

1、用户可以通过LVGL在Github的仓库直接下载：
https://github.com/lvgl/lvgl/tree/master/env_support/cmsis-pack
2、关注公众号【裸机思维】后，发送消息“LVGL”获取网盘链接。
3、不久的将来，应该可以直接通过MDK的Pack-Installer进行直接安装，就像lwIP那样：
image.png
无论采用哪种方法，一旦完成安装，以后就可以通过Pack-Installer来获取最新版本啦。

【如何在MDK中部署LVGL】

步骤一：配置RTE

在MDK中通过菜单 Project->Manage->Run-Time Enviroment 打开RTE配置窗口：
image.png
在RTE配置界面中找到LVGL，将其展开：
image.png
与其它平台下部署LVGL不同，cmsis-pack允许大家像点菜那样只将所需的模块（或者功能）加入到工程中。

注意，这里必点的是“Essential”，它是LVGL的核心服务。一般来说，为了使用LVGL所携带的丰富控件（Widgets），我们还需要选中“Extra Themes”。如果你是第一次为当前硬件平台进行LVGL移植，则非常推荐加点“Porting”——它会为你添加移植所需的模板，非常方便。

单击“OK”关闭RTE配置窗口，我们会看到LVGL已经被加入到工程列表中了：
image.png
此时，我们就已经可以成功编译了。
image.png

步骤二：配置LVGL

将LVGL展开，找到配置头文件 lv_conf_cmsis.h：
image.png
该文件其实就是LVGL官方移植文档中所提到的lv_conf.h，它是基于lv_conf_template.h 修改而来。值得说明的是，一些模块的开关宏都被删除了，例如：

LV_USE_GPU_STM32_DMA2D
LV_USE_GPU_NXP_PXP
……

这是因为，当我们在RTE配置窗口中勾选对应选项时，cmsis-pack就会自动把对应的宏定义加入到 RTE_Components.h 里——换句话说，再也不用我们手动添加啦！
image.png
其它对LVGL的配置，请参考官方文档，这里就不再赘述。

步骤三：使用模板进行移植

当我们在RTE中选择了porting模块后，三个移植模板会被加入到工程列表中。
image.png
它们是可以编辑的，保存在当前工程的RTE/LVGL目录中。
image.png
这些模板极大的简化了我们的驱动移植过程，下面，我们将以lv_port_disp_template为例，为大家介绍这些模板的使用方法：

1、打开 lv_port_disp_template.h，将开头处 #if 0 修改为 #if 1，使整个头文件生效：
image.png
2、更新对 lvgl.h 头文件的引用路径，从 "lvgl/lvgl.h" 改为 "lvgl.h"

/*********************
 *      INCLUDES
 *********************/
#include "lvgl.h"

这是因为cmsis-pack已经为 lvgl.h 添加了引用路径，因此在整个工程的任意地方都可以直接使用 #include "lvgl.h" 。

3、补充对 lv_port_disp_init() 函数的声明：

/**********************
 * GLOBAL PROTOTYPES
 **********************/
extern void lv_port_disp_init(void);

4、打开 lv_port_disp_template.c，将开头处 #if 0 修改为 #if 1，使整个远文件生效。并以与步骤2相同的方式处理好对 lvgl.h 的引用。
image.png
5、根据官方 porting 文档的指导，根据你的硬件实际情况，在三种缓冲模式中做出选择：
image.png
需要特别强调的是：如果你的系统没有 DMA或者替用户完成Frame Buffer刷新的专门LCD控制器，那么双缓冲其实是没有意义的（因为无论如何都是CPU在干活，因此不会比单缓冲模式有任何性能上的本质不同）。

6、找到 disp_init() 函数，并在其中添加LCD的初始化代码。 该函数会被 lv_port_disp_init() 调用。

7、找到 disp_flush()函数，并根据你的硬件实际情况，将其改写。比如这是使用 GLCD_DrawBitmap进行实现的参考代码：

/*Flush the content of the internal buffer the specific area on the display
 *You can use DMA or any hardware acceleration to do this operation in the background but
 *'lv_disp_flush_ready()' has to be called when finished.*/
static void disp_flush(lv_disp_drv_t * disp_drv, const lv_area_t * area, lv_color_t * color_p)
{
    
    GLCD_DrawBitmap(area->x1,               //!< x
                    area->y1,               //!< y
                    area->x2 - area->x1 + 1,    //!< width
                    area->y2 - area->y1 + 1,    //!< height
                    (const uint8_t *)color_p);

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

GLCD_DrawBitmap 用于将给定的显示缓冲区刷新到LCD，其函数原型如下：

/**
  \fn          int32_t GLCD_DrawBitmap (uint32_t x, uint32_t y, uint32_t width, uint32_t height, const uint8_t *bitmap)
  \brief       Draw bitmap (bitmap from BMP file without header)
  \param[in]   x      Start x position in pixels (0 = left corner)
  \param[in]   y      Start y position in pixels (0 = upper corner)
  \param[in]   width  Bitmap width in pixels
  \param[in]   height Bitmap height in pixels
  \param[in]   bitmap Bitmap data
  \returns
   - \b  0: function succeeded
   - \b -1: function failed
*/
int32_t GLCD_DrawBitmap (uint32_t x, 
                         uint32_t y, 
                         uint32_t width, 
                         uint32_t height, 
                         const uint8_t *bitmap)

这里，5个参数之间的关系如下图所示：
image.png
简单来说，这个函数就是把 bitmap 指针所指向的“连续存储区域” 中保存的像素信息拷贝到LCD的一个指定矩形区域内，这一矩形区域由位置信息（x,y）和体积信息（width，height）共同确定。

很多LCD都支持一个叫做“操作窗口”的概念，这里的窗口其实就是上图中的矩形区域——一旦你通过指令设置好了窗口，随后连续写入的像素就会被依次自动填充到指定的矩形区域内（而无需用户去考虑何时进行折行的问题）。

此外，如果你有幸使用带LCD控制器的芯片——LCD的显示缓冲区被直接映射到Cortex-M芯片的4GB地址空间中，则我们可以使用简单的存储器读写操作来实现上述函数，以STM32F746G-Discovery开发板为例：

//! STM32F746G-Discovery
#define GLCD_WIDTH     480
#define GLCD_HEIGHT    272

#define LCD_DB_ADDR   0xC0000000
#define LCD_DB_PTR    ((volatile uint16_t *)LCD_DB_ADDR)

int32_t GLCD_DrawBitmap (uint32_t x, 
                         uint32_t y, 
                         uint32_t width, 
                         uint32_t height, 
                         const uint8_t *bitmap) 
{
    volatile uint16_t *phwDes = LCD_DB_PTR + y * GLCD_WIDTH + x;
    const uint16_t *phwSrc = (const uint16_t *)bitmap;
    for (int_fast16_t i = 0; i < height; i++) {
        memcpy ((uint16_t *)phwDes, phwSrc, width * 2);
        phwSrc += width;
        phwDes += GLCD_WIDTH;
    }

    return 0;
}

7、在 main.c 中加入对 lv_port_disp_template.h 的引用：

#include "lv_port_disp_template.h"

8、在main()函数中对LVGL进行初始化：

int main(void)
{
    ...
    lv_init();
    lv_port_disp_init();
    ...
    while(1) {
        
    }   
}

至此，我们就完成了LVGL在MDK工程的部署。是不是特别简单？
image.png

【时间相关的移植】

根据官方移植文档的要求，我们实际上还需要处理两个问题：

  • 让 lvgl 知道从复位开始经历了多少毫秒
  • 以差不多5ms为间隔，调用函数 lv_timer_handler() 来进行事件处理（包括刷新）

依据平台的不同，小伙伴们当然有自己的解决方案。这里，我推荐一个MDK环境下基于perf_counter的方案，它更通用，也更简单。关于它的使用文章，小伙伴可以参考《【喂到嘴边了的模块】超级嵌入式系统“性能/时间”工具箱》，这里就不再赘述。

步骤一：获取 perf_counter 的cmsis-pack

关注公众号【裸机思维】后，向后台发送关键字“perf_counter” 获取对应的cmsis-pack网盘链接。下载后安装。

步骤二：在工程中部署 perf_counter

打开RTE配置窗口，找到 Utilities 后展开，选中 perf_counter的 Core： image.png
需要说明的是，无论你用不用操作系统，这里关于各类操作系统的 Patch 你即便不选择也能正常工作，不必担心。单击OK后即完成了部署。

在main()函数中初始化 perf_counter（别忘记添加对头文件 perf_counter.h 的包含）：

#include "perf_counter.h"

int main(void)
{
    /* 配置 MCU 的系统时钟频率 */
    
    /* 重要：更新 SystemCoreClock 变量 */
    SystemCoreClockUpdate(); 
    
    /* 初始化 perf_counter */
    init_cycle_counter(true);
    ...
    while(1) {
    }
    ...
}

需要特别说明的是：

  • 调用 init_cycle_counter() 之前，最好通过 SystemCoreClockUpdate() 来将当前的系统频率更新到关键全局变量 SystemCoreClock 上。你当然也可以自己用赋值语句来做，比如：
extern uint32_t SystemCoreClock;
    SystemCoreClock = 72000000ul;  /* 72MHz */
  • 如果你已经有应用或者RTOS占用了SysTick（一般都是这样），则应该将 true 传递给 init_cycle_counter() 作为参数——告诉 perf_counter SysTick已经被占用了；反之则应该传递 false，此时 perf_counter 会用最大值 0x00FFFFFF来初始化SysTick。

步骤三：更新 lv_conf_cmsis.h

打开 lv_conf_cmsis.h，找到宏 LV_TICK_CUSTOM 所在部分：

/*Use a custom tick source that tells the elapsed time in milliseconds.
 *It removes the need to manually update the tick with `lv_tick_inc()`)*/
#define LV_TICK_CUSTOM 0
#if LV_TICK_CUSTOM
    #define LV_TICK_CUSTOM_INCLUDE "Arduino.h"         /*Header for the system time function*/
    #define LV_TICK_CUSTOM_SYS_TIME_EXPR (millis())    /*Expression evaluating to current system time in ms*/
#endif   /*LV_TICK_CUSTOM*/

将其替换为：

/*Use a custom tick source that tells the elapsed time in milliseconds.
 *It removes the need to manually update the tick with `lv_tick_inc()`)*/
#define LV_TICK_CUSTOM 1
#if LV_TICK_CUSTOM

    extern uint32_t SystemCoreClock;
    #define LV_TICK_CUSTOM_INCLUDE   "perf_counter.h" 
    #define LV_TICK_CUSTOM_SYS_TIME_EXPR  \
        (get_system_ticks() / (SystemCoreClock / 1000ul))
#endif   /*LV_TICK_CUSTOM*/

步骤四：处理 lv_timer_handler()

虽然 LVGL 的官方文档中专门指出过 lv_timer_handler() 

  • 不是线程安全的
  • 应该放在较低优先级的中断处理程序中
  • 在RTOS中使用时，应该考虑通过互斥量来建立临界区来避免与 lv_tick_inc() 产生“冲突”

然而，使用 perf_counter() 进行部署时，由于我们避开了lv_tick_inc() ，因此上述限制就都“烟消云散”了，我们完全可以将 lv_timer_handler() 简单的放置到 SysTick_Handler中，比如：

void SysTick_Handler(void)
{
    //! 典型的 1ms 中断 
    
    static uint8_t s_chDivider = 0;
    
    if ((++s_chDivider) >= 5) {
        s_chDivider = 0;
        //! 每 5ms 处理一次
        lv_timer_handler();
    }
    
    /*! \note please do not put following code here
     *!
     *!  lv_tick_inc(5);
     *!  
     *!     Use a custom tick source that tells the elapsed time in milliseconds.
     *!     It removes the need to manually update the tick with `lv_tick_inc()`)
     *!     #define LV_TICK_CUSTOM 1
     *!     #if LV_TICK_CUSTOM
     *!         extern uint32_t SystemCoreClock;
     *!         #define LV_TICK_CUSTOM_INCLUDE "perf_counter.h"  
     *!         #define LV_TICK_CUSTOM_SYS_TIME_EXPR                            \
     *!                        (get_system_ticks() / (SystemCoreClock / 1000ul))
     *!     #endif
     */
}

当然，以上处理只是一种“偷懒”，实际上，考虑到LVGL的绘图过程可能会“耗时过长”，如果SysTick还有别的功能，那么直接将 lv_timer_handler() 放置在SysTick_Handler中其实并不是一个值得推荐的方案，裸机环境下，一个更为实用的方案是：

#include "perf_counter.h"

static volatile bool s_bLVTMRFlag = false;
void SysTick_Handler(void)
{
    //! 典型的 1ms 中断 
    
    static uint8_t s_chDivider = 0;
    
    if ((++s_chDivider) >= 5) {
        s_chDivider = 0;
        //! 每 5ms 处理一次
        s_bLVTMRFlag = true;
    }
    
    /*! \note please do not put following code here
     *!
     *!  lv_tick_inc(5);
     *!  
     *!     Use a custom tick source that tells the elapsed time in milliseconds.
     *!     It removes the need to manually update the tick with `lv_tick_inc()`)
     *!     #define LV_TICK_CUSTOM 1
     *!     #if LV_TICK_CUSTOM
     *!         extern uint32_t SystemCoreClock;
     *!         #define LV_TICK_CUSTOM_INCLUDE "perf_counter.h"  
     *!         #define LV_TICK_CUSTOM_SYS_TIME_EXPR                            \
     *!                        (get_system_ticks() / (SystemCoreClock / 1000ul))
     *!     #endif
     */
}

int main(void)
{
    SystemCoreClockUpdate();
    init_cycle_counter(true);
    ...
    lv_init();
    lv_port_disp_init();
    ...
    while(1) {
        ...
        do {
            bool bLVFlag;
            
            //! 原子保护
            __IRQ_SAFE {
                bLVFlag = s_bLVTMRFlag;
                s_bLVTMRFlag = false;
            };
            if (bLVFlag) {
                lv_timer_handler();
            }
        } while(0);
    }
    
}

【跑分从未如此简单】

完成移植后，也许你会急于想知道当前环境下自己的平台能跑出怎样的帧率吧？别着急，LVGL的cmsis-pack已经为您最好了准备。打开RTE配置窗口，勾选benchmark：
image.png
在 main.c 中加入对 lv_demo_benchmark.h 的引用：

#include "lv_port_disp_template.h"

#if LV_USE_DEMO_BENCHMARK
#   include "lv_demo_benchmark.h"
#endif

在 LVGL 初始化代码后，加入benchmark 无脑入口函数：

int main(void)
{

    lv_init();
    lv_port_disp_init();
    
#if LV_USE_DEMO_BENCHMARK
    lv_demo_benchmark();
#endif
    
    while(1) {
        
    }
    
}

编译，运行，走起：
image.png
嗯…… Slow but common case……
image.png

【装逼从未如此简单】

完成移植后，也许你“又”会急于想知道当前环境下自己的平台能跑出怎样的效果吧？（咦？为什么要说又？）别着急，LVGL的cmsis-pack已经为您最好了准备。打开RTE配置窗口，勾选 Demo:Widgets：
image.png
在 main.c 中加入对 lv_demo_widgets.h 的引用：

#include "lv_port_disp_template.h"

#if LV_USE_DEMO_BENCHMARK
#   include "lv_demo_benchmark.h"
#endif

#if LV_USE_DEMO_WIDGETS
#   include "lv_demo_widgets.h"
#endif

在 LVGL 初始化代码后，加入 Demo Widgets 的无脑入口函数：

int main(void)
{

    lv_init();
    lv_port_disp_init();
    
#if LV_USE_DEMO_BENCHMARK
    lv_demo_benchmark();
#endif
    
#if LV_USE_DEMO_WIDGETS
    lv_demo_widgets();
#endif

    while(1) {
        
    }
    
}

需要特别注意的是：要跑这个Demo，Stack（栈）和 Heap（堆）各自都不能小于 4K，切记，切记！

编译，运行，走起：
image.png

【说在后面的话】

能参与像 LVGL 这样的项目，且在PR在三天内就并入主线，是我始料未及的。不得不佩服项目维护者的心胸和效率。

虽然很多人因为API兼容性的问题仍然在坚守 LVGL 7.x，但我相信随着cmsis-pack大幅降低了 MDK 用户的部署门槛后，应该会有越来越多的用户在新项目中使用 LVGL 8——毕竟MCU每个项目基本都是“新建文件夹”——也不能说没有历史传承，只能说基本没有……
640.gif
最后，对在MDK中用cmsis-pack来部署LVGL的过程感到好奇，但又想有个参考的小伙伴，可以关注下面这个开源项目：
https://github.com/GorgonMeducer/lv_port_mps3_an547_cm55

如果他对你有所帮助的话，还请赏赐个Star呀。
image.png

首发：裸机思维
作者：GorgonMeducer 傻孩子

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