3. 显示屏的帧缓存位于内部RAM中

动机

在这一步中，通过将像素数据从内部RAM传输到显示屏，我们可以看到显示屏上会显示内容。此步骤可确保我们能将数据传输到显示屏，并且可以不断更新显示屏内容。

除了将图像数据传输到显示屏以外，我们还必须确保可连续将新数据发送到显示屏，且不会在显示屏上出现错误。我们还将测量传输速度，因为这会影响显示屏的帧率。

正如我们从上一节中学到的那样，我们将在内部RAM中放置一个帧缓冲，该RAM可读写。我们将重复更新该帧缓冲，并将其传输到显示屏。

回顾此帧缓冲是由此公式计算的：

宽 x 高 x bpp

例如，分辨率为480 x 272的16位普通显示屏将占用480x272x16/8字节即61120字节的缓存。

即使显示屏尺寸过大导致所需整帧缓存无法存储在内部RAM中，也不应跳过此步骤。而应将显示控制器配置为仅更新显示屏的一部分。这样一来，我们可以调整帧缓冲所需的RAM量，并使其适合内部RAM大小。

显示接口的类型对传输帧缓冲所需的设置和代码有很大影响。在本节中，我们将首先讨论连接至LTDC的显示屏。如果您使用诸如SPI显示屏之类的显示屏，代码会有很大区别，但任务和目标相同。

目标

本节的目标是将帧缓冲内容传输到显示屏。您还应验证是否可以修改帧缓冲器内容和连续重新发送帧缓冲器。

验证

以下是本节的验证点：

验证点	基本原理
显示帧缓存	显示控制器或SPI已配置并正在运行
显示更新的帧缓存	我们知道如何重复发送帧缓存数据
颜色正确	LTDC相关的GPIO配置正确，显示屏的数据格式与我们的帧缓存匹配
帧率正确	配置像素时钟和同步沿，以获得所需帧率

先决条件

以下是此步骤的先决条件：

有关显示屏的信息，通常为数据手册
有关MCU和显示屏之间的连接的信息。

执行

根据显示屏类型，所需设置会有所不同。但对于所有类型的显示屏，我们都需要内部RAM中有一个帧缓冲。一种分配该存储器的简单方法是只声明一个大小合适的全局数组:

main.c

/* USER CODE BEGIN PV */
uint16_t framebuffer[480*272];  //16 bpp framebuffer
/* USER CODE END PV */

如果内部RAM不足以容纳该数组，请声明一个对应于较小分辨率的数组，比方480x200。

将帧缓冲传输到显示屏的方法取决于显示屏类型。我们现在来了解一下这点。

并行RGB显示屏

我们首先将讨论连接至MCU的LTDC控制器的并行RGB显示屏。

这类显示屏的配置任务如下：

配置与显示屏有关的GPIO连接
配置LTDC控制器
配置LTDC像素时钟
设置帧缓冲地址
检查帧率

作为说明性示例，我们将使用STM32F746Discovery评估套件。此板自带480*272显示屏。

显示相关GPIO

该显示屏以24 BPP模式运行，所以我们为LTDC和显示屏之间的连接配置24个GPIO。这在STM32CubeMX中最容易实现，在“多媒体”->“LTDC”->“GPIO设置”下进行配置：

配置显示相关GPIO

除了用于像素传输的24个GPIO(如LTDC_B0) 以外，我们还配置了4个显示控制信号:

信号	功能
LTDC_CLK	像素时钟。当对24个线中的像素进行采样时，向显示屏发出信号
LTDC_DE	数据使能。它被激活时进行像素传输
LTDC_HSYNC	水平同步。允许显示屏找到像素行起点
LTDC_VSYNC	垂直同步。允许显示屏找到帧起点

检查您的硬件设计并进行相应的配置。

LTDC 配置

在STM32CubeMX中，LTDC配置位于“多媒体”->“LTDC”->“参数设置”

配置LTDC参数

有效宽度和高度与显示屏的分辨率对应。有关同步脉冲宽度和沿宽度，请检查显示数据手册。另请注意信号极性。灰色的值根据其他值计算而来。这些值被写入LTDC寄存器(也可在代码中找到) 。

现在请转到多媒体-> LTDC-> 层设置”下的LTDC层配置:

配置LTDC层参数

对于该测试，在TouchGFX中，我们通常仅使用一层。第0层的分辨率应与帧缓冲大小匹配。以后需要设置帧缓冲地址，这里先不理它。

如果您声明了小于显示屏分辨率的帧缓冲数组，则调整图层大小，以便与帧缓冲尺寸匹配。 LTDC将传输帧缓冲中没有的显示屏像素背景颜色。 It is recommended to set the background color (in the Parameter Settings tab) to something recognisable like red (Blue: 0x00, Green: 0x00, Red: 0xFF).

时钟配置

时钟配置也很重要。必须使能所有GPIO和LTDC的时钟。像素时钟必须在显示屏可接受的范围内。

时钟配置

LTDC取决于3个时钟: HCLK, PCLK2, and LCD_CLK.

设置帧缓冲地址

在STM32CubeMX中，我们将第0层的帧缓冲器地址配置为0xC0000000。我们需要将其更改为内部RAM中的数组地址。这可以用STM32Cube固件中一个HAL函数来轻松实现：

main.c

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_LTDC_SetAddress(&hltdc, (uint32_t)framebuffer, LTDC_LAYER_1);
  /* USER CODE END 2 */

HAL函数中的层编号为1、2，而STM32CubeMX中的层编号为0、1。另外，LTDC的配置可以完全由STM32CubeMX生成的函数MX_LTDC_Init(void)来完成。

LTDC控制器将帧缓冲重复发送至显示屏。显示的图像取决于帧缓冲中的值。尝试帧缓冲中的不同值或模式。例如，使用memset将帧缓冲清除为0xFF，以显示白屏。

Note
在某些显示屏上，必须开启背光才能使图形帧可见。

启用LTDC中断

LTDC控制器为每帧提供一个中断，中断必须在NVIC(核心中断控制器)中使能，以便应用程序中能够处理中断。

LTDC中断配置

In addition to setting the checkmark in STM32CubeMX, the LTDC interrupts must all also manually be enabled in the code:

main.c

  /* USER CODE BEGIN LTDC_Init 2 */
  LTDC->IER |= LTDC_IER_LIE; // Enable LTDC interrupts
  /* USER CODE END LTDC_Init 2 */

在中断处理程序中，必须在每次触发后重新启用中断。

stm32f7xx_it.c

void LTDC_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN LTDC_IRQn 0 */
  /* USER CODE END LTDC_IRQn 0 */
  HAL_LTDC_IRQHandler(&hltdc);
  /* USER CODE BEGIN LTDC_IRQn 1 */
  HAL_LTDC_ProgramLineEvent(&hltdc,0);
  /* USER CODE END LTDC_IRQn 1 */
}

检查帧率

LTDC中断可被应用程序所利用。您应使用调试器来检查是否触发了该中断。

这些中断间的时间是所有像素传输和同步沿的耗时总和。您可以通过调节同步沿来调节帧率。同步沿参数是LTDC配置的一部分。通常通过增强场前沿来降低帧率。

一种测量帧率的简单方法为使用中断处理程序中的HAL_GetTick():

stm32f7xx_it.c

volatile int last = 0;
volatile int diff = 0;
void LTDC_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN LTDC_IRQn 0 */
  int now = HAL_GetTick();
  diff = now - last;
  last = now;
  /* USER CODE END LTDC_IRQn 0 */
  HAL_LTDC_IRQHandler(&hltdc);
  ...

请记住，在每秒60帧的情况下，各个帧之间应该有1000 ms / 60 = 16 ms。

SPI 显示屏

现在我们将讨论与SPI总线连接的显示屏。

这类显示屏的配置任务如下：

配置SPI外设和GPIO
检查时钟
编写或找到必要的驱动程序代码

SPI 配置

从STM32CubeMX开始并使能SPI。这些图像来自STM32G081项目：

SPI 配置

检查使用的SPI格式的显示屏数据手册(数据大小和位顺序) 。请记住，16位字以小端字节序存储在帧缓冲中。检查是否可以将显示屏配置为此格式。如果不可以，则必须在传输期间进行数据转换。另请注意时钟极性和时钟相位。这些参数已在显示屏数据手册中指定。

SPI时钟(比特率) 由FCLK的分频器控制。最小分频器为2。如果MCU正在运行(如64MHz) ，则最大SPI比特率为32 MBit/s。

在GPIO选项卡上，您可以检查SPI外设的GPIO配置：

SPI GPIO配置

在右侧的引脚排列视图中选择GPIO：

SPI GPIO选择

现在剩下的任务为配置显示屏并在SPI通道上传输帧缓冲。 STM32CubeMX无法为您生成此代码，因为它在很大程度上取决于显示屏。对于许多显示屏，必须发送一系列命令，并遵循特定的上电时序。之后，通常需要设置颜色模式，然后将显示屏打开。所有这些均必须在供应商提供的数据手册或示例中指定。

STM32Cube固件包含使用SPI通信的示例。 STM32Cube HAL包含各种函数。用于发送数据的基本函数：

stm32g0xx_hal_spi.h

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

我们建议使用这些库函数，直至通信稳定运行。然后，可通过编写专用函数来提高性能。

在编写SPI显示驱动程序的过程中，SPI示波器或SPI USB记录器可能非常有用。

Note
从SPI上的低频开始，以避免噪声问题。

检查显示屏颜色

此时，您可以将帧缓存内容传输到显示屏，建议您彻底检查显示屏颜色。

该想法就是将颜色写入帧缓存，并通过视觉来检查显示屏。以下为一些示例：

测试	说明
红色	在帧缓存中设置红色。显示屏也必须为红色。
绿色	在帧缓存中设置绿色。显示屏也必须为绿色。
蓝色	在帧缓存中设置蓝色。显示屏也必须为蓝色。
深色	如果设置为深色（如0x8000）（50%红色），则必须在显示屏上显示黑色。
更改颜色	每秒更改一次帧缓存，然后查看显示屏是否更新。

要将颜色放入RGB565帧缓冲中，可使用以下方案：

uint8_t r    = 0xff, g = 0x00, b = 0x00;             // Solid red
uint16_t col = ((r>>3)<<11) | ((g>>2)<<5) | (b>>3);  // Convert colors to RGB565
// Put colors into the framebuffer
for(int i = 0; i < W*H; i++)
{
  framebuffer[i] = col;
}

对于24BPP显示屏，最好使用字节指针来表示代码(颜色以BGR顺序存储):

uint8_t* framebuffer[480*272*3];  //24 bit framebuffer
...
uint8_t *fb = framebuffer;
while(fb < (uint8_t*)(framebuffer + (480*272*3)))
{
  *fb++ = 0x00; // Write blue color and increment pointer by one byte
  *fb++ = 0x00; // Write green color
  *fb++ = 0xFF; // Write red color
}

显示彩色帧缓存

通过使用LTDC行事件回调，每秒来修改一次帧缓存：

main.c

/* USER CODE BEGIN 4 */
uint8_t r = 0x00, g = 0x00, b = 0x00;
uint16_t col = 0;
uint8_t color = 1;
void HAL_LTDC_LineEventCallback(LTDC_HandleTypeDef* hltdc)
{
  static int count = 0;
  count++;
  if (count >= 60)
  {
    count = 0;
    switch (color)
    {
    case 1:
      r = 0xFF; g = 0x00; b = 0x00;
      color = 2;
      break;
    case 2:
      r = 0x00; g = 0xFF; b = 0x00;
      color = 3;
      break;
    case 3:
      r = 0x00; g = 0x00; b = 0xFF;
      color = 1;
      break;
    default:
      break;
    }
    col = ((r>>3)<<11) | ((g>>2)<<5) | (b>>3);  // Convert colors to RGB565
    // Put colors into the framebuffer
    for(int i = 0; i < W*H; i++)
    {
      framebuffer[i] = col;
    }
  }
}
/* USER CODE END 4 */

动机​

目标​

验证​

先决条件​

执行​

main.c

并行RGB显示屏​

显示相关GPIO​

LTDC 配置​

时钟配置​

设置帧缓冲地址​

main.c

Note

启用LTDC中断​

main.c

stm32f7xx_it.c

检查帧率​

stm32f7xx_it.c

SPI 显示屏​

SPI 配置​

stm32g0xx_hal_spi.h

Note

检查显示屏颜色​

main.c

动机

目标

验证

先决条件

执行

并行RGB显示屏

显示相关GPIO

LTDC 配置

时钟配置

设置帧缓冲地址

启用LTDC中断

检查帧率

SPI 显示屏

SPI 配置

检查显示屏颜色