高性能解耦总线，用于 IoT 显示屏
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让您的物联网显示驱动程序独立于使用的总线运行，无论是 I2C、SPI 还是并行总线
引言
我有一个名为 GFX 的图形库，我为物联网设备编写的。它有几个适用于各种物联网显示屏的驱动程序。其中大多数显示屏是基于 SPI 的，但有些是 I2C 甚至是 8 位并行。当我添加并行支持时，我意识到我应该重构一切，使总线独立于驱动程序，否则我将复制大量代码。
话虽如此，最终，这都是关于性能的。添加并行支持也是为了提高性能，而不是真正为了设备支持。如果您花费精力寻找并行显示器，您将希望随之而来的性能，否则有什么意义？此外，我意识到通过利用特定于平台的 SPI 操作，我可以获得相当不错的帧率。
正如我所说，这项工作最初是为了提高性能，而不是为了增加灵活性。因此，性能是代码的主要目标，即使它不是文章的主要目标。但是，由于它是面向性能的，因此并不总是最容易理解的。我会尽力按照我自己的理解来分解它。我的许多 SPI 和并行代码都受到了 Bodmer 的 TFT_eSPI 的启发，虽然它看起来与该代码几乎没有相似之处，但它从中衍生了许多操作原理。
免责声明：一些低级 SPI 代码直接从 TFT_eSPI 移植而来，我并不完全理解处理器特定的优化部分。在与 Bodmer 就此主题进行了一些交流后，似乎他从多个来源学习？如果 ESP32 上我使用的 SPI 层有相关文档，我还没有找到。我通常不喜欢发布我不完全理解的代码，但在此情况下我将破例，因为我不知道 ESP32 HAL 的这一层是否存在文档，所以我可能永远无法理解它。通用代码路径相当易于理解。只有在利用特定的硬件优化时才会变得复杂。ESP32 拥有硬件 SPI 控制器，ESP32 代码路径基本上与其接口。不知怎么的。这无疑是黑魔法，但我发现如果你偶尔挥动一只死鸡，它就能完美运行。
必备组件
您将需要一个 ESP32 来真正利用本文，以及一些受支持的显示屏。随附的wiring_guide.txt 将向您展示如何将显示屏连接到 ESP32。GFX 可以在其他设备上运行，但 ESP32 是一个全能的测试单元，并且可以充分利用 GFX，因为它拥有充足的内存和 CPU 功率。GFX 是在 ESP32 平台上开发和主要测试的，尽管它可以在一些 STM32 平台和其他平台上运行。如果您想使用其他平台，只要它是 Arduino 兼容的，它可能就能工作。并行支持可能不行。尽管代码是为通用的 Arduino 支持实现的，但我认为时序不够严格，无法正常工作。ESP32 优化代码确实有效。TFT_eSPI 也有类似的限制。
代码使用 PlatformIO 进行构建，所以请确保您已安装。我个人与 VS Code 扩展一起使用它。我想大多数人都是这样。
随附的代码假定为 128x32 的 SSD1306 显示屏，但包含了几种驱动程序。选择与您自己的屏幕匹配的一个，并使用项目文件夹根目录中的wiring_guide.txt 进行接线。您将必须向驱动程序模板提供适当的参数，这些参数可能与示例中的略有不同。
在继续之前，请确保上传并看到演示正常运行。
理解这段乱码
GFX 是使用泛型编程实现的，驱动程序也是如此。习惯使用模板。在这里，我们将使用模板参数来代替您曾为引脚分配等内容使用的预处理器#define。
这里的想法是实例化适当的总线模板（tft_spi<>、tft_i2c<> 或 tft_parallel8<>），然后一旦完成，将其作为参数传递给驱动程序模板。
最后，您可以实例化驱动程序模板的一个实例，然后在其上进行绘制。它将使用您指定的任何总线样式。
Using the Code
考虑项目中的platform.ini 文件进行以下配置
[env:example]
platform = espressif32
board = node32s
board_build.partitions = no_ota.csv
framework = arduino
monitor_speed = 115200
upload_speed = 921600
build_unflags=-std=gnu++11
build_flags=-std=gnu++14
-DI2C ; for I2C displays
这为基于 I2C 的 SSD1306 设置了一个示例配置。对于 SPI 设备，请删除上面的最后一行。
让我们从声明总线开始。以下是一个支持三种总线样式的通用主模板
#include "common/tft_io.hpp"
using namespace arduino;
#if defined(PARALLEL8)
#define PIN_NUM_BCKL -1
#define PIN_NUM_CS 33 // Chip select control pin (library pulls permanently low
#define PIN_NUM_DC 22 // (RS) Data Command control pin - must use a pin in the range 0-31
#define PIN_NUM_RST 32 // Reset pin, toggles on startup
#define PIN_NUM_WR 21 // Write strobe control pin - must use a pin in the range 0-31
#define PIN_NUM_RD 15 // Read strobe control pin
#define PIN_NUM_D0 2 // Must use pins in the range 0-31 for the data bus
#define PIN_NUM_D1 13 // so a single register write sets/clears all bits.
#define PIN_NUM_D2 26 // Pins can be randomly assigned, this does not affect
#define PIN_NUM_D3 25 // TFT screen update performance.
#define PIN_NUM_D4 27
#define PIN_NUM_D5 12
#define PIN_NUM_D6 14
#define PIN_NUM_D7 4
#elif defined(I2C)
#define TFT_PORT 0
#define PIN_NUM_SDA 21
#define PIN_NUM_SCL 22
#define PIN_NUM_RST -1
#define PIN_NUM_DC -1
#define TFT_ADDR 0x3C
#else
#define TFT_HOST VSPI
#define PIN_NUM_CS 5
#define PIN_NUM_MOSI 23
#define PIN_NUM_MISO 19
#define PIN_NUM_CLK 18
#define PIN_NUM_DC 2
#define PIN_NUM_RST 4
#endif
#ifdef PARALLEL8
using bus_type = tft_p8<PIN_NUM_CS,
PIN_NUM_WR,
PIN_NUM_RD,
PIN_NUM_D0,
PIN_NUM_D1,
PIN_NUM_D2,
PIN_NUM_D3,
PIN_NUM_D4,
PIN_NUM_D5,
PIN_NUM_D6,
PIN_NUM_D7>;
#elif defined(I2C)
using bus_type = tft_i2c<TFT_PORT,
PIN_NUM_SDA,
PIN_NUM_SCL>;
#else
using bus_type = tft_spi<TFT_HOST,
PIN_NUM_CS,
PIN_NUM_MOSI,
PIN_NUM_MISO,
PIN_NUM_CLK,
SPI_MODE0,
PIN_NUM_MISO<0
#ifdef OPTIMIZE_DMA
,(TFT_WIDTH*TFT_HEIGHT)*2+8
#endif
>;
#endif
示例项目中的代码与上述类似。
现在，您可以使用 -DPARALLEL8 或 -DI2C 作为编译器选项，从 SPI 切换到所选的总线类型。为您的显示设备选择合适的。注意我们将引脚分配传递给总线。一旦声明了总线，就不需要进一步的操作来初始化它，因为驱动程序会自动完成。
接下来，我们需要选择适当的显示驱动程序并包含它。我们将使用 SSD1306，因为它们便宜且无处不在。它们通常有 I2C 或 SPI 变体，虽然在内部，它们能够进行并行 I/O，但我从未见过具有该设备并行接口的 breakout 板。
注意实际项目中顶部前一个 include 之后的驱动程序 include
#include "ssd1306.hpp"
现在在 bus_type 的声明下方，我们实例化驱动程序模板，然后声明一个实例，并将总线类型馈送给它
using tft_type = ssd1306<TFT_WIDTH,
TFT_HEIGHT,
bus_type,
TFT_ADDR,
TFT_VDC_3_3,
PIN_NUM_DC,
PIN_NUM_RST,
true>;
tft_type tft;
最后，驱动程序已准备好使用，但要对其进行绘制，我们像示例项目一样包含 GFX
#include "gfx_cpp14.hpp"
using namespace gfx;
即使这是单色的，通常也会在 tft_type 的原生像素格式中声明 X11 颜色
using tft_color =
color<typename tft_type::pixel_type>;
现在我们可以使用 draw 在 tft 上绘制
draw::filled_rectangle(tft,
(srect16)tft.bounds(),
tft_color::black);
for(int i = 1;i<100;i+=10) {
// calculate our extents
srect16 r(i*(tft.dimensions().width/100.0),
i*(tft.dimensions().height/100.0),
tft.dimensions().width-i*
(tft.dimensions().width/100.0)-1,
tft.dimensions().height-i*
(tft.dimensions().height/100.0)-1);
draw::line(tft,
srect16(0,
r.y1,
r.x1,
tft.dimensions().height-1),
tft_color::white);
draw::line(tft,
srect16(r.x2,
0,
tft.dimensions().width-1,
r.y2),
tft_color::white);
draw::line(tft,
srect16(0,r.y2,r.x1,0),
tft_color::white);
draw::line(tft,
srect16(tft.dimensions().width-1,
r.y1,
r.x2,
tft.dimensions().height-1),
tft_color::white);
}
这会在显示屏边框周围绘制一个图案。
绘制并不是本文的重点，但我认为包含它以便您能从头到尾了解代码。
这里的关键点是您的总线类型可以随意选择。对于这个显示屏，正如我之前提到的，它通常有 SPI 和 I2C 变体。通过在platformio.ini 文件中包含 -DI2C 来选择 I2C，这将该开关添加到编译器，从而将 I2C 定义给 C/C++ 预处理器。如果您不指定它，则选择 SPI。此外，还可以选择 -DPARALLEL8，但我从未见过具有该接口的 SSD1306。
但是，我确实有一个带有并行接口的 ILI9341。如果您有一个，可以使用ili9341.hpp 驱动程序与 -DPARALLEL8 接口，以及随附的wiring_guide.txt 将所有内容连接起来。使用驱动程序完全相同，只是设置略有不同，并且绘制代码可以与任何设备一起使用。只需确保适当设置您的 #define，例如宽度和高度。还要注意，一些驱动程序比其他驱动程序接受不同的模板参数。
使用其他设备大致相同。只需选择一个总线，包含适当的头文件和驱动程序实例化，并将所有内容连接起来。
工作原理
现在我们进入重点。
我们利用了这样一个事实：在几乎所有设备上，都有类似所需的行为。例如，设备有命令和数据。数据通常是命令的参数，但有时是像素流，尽管从技术上讲，这是内存写入命令的一个 BLOB 参数。无论如何，在 SPI 设备上，您通常有一个额外的“DC”线，用于在命令和数据之间切换。I2C 也有类似的东西，除了切换是通过每个 I2C 事务的第一个字节中的一个代码指示的。并行总线也有一个 DC 线，尽管它通常称为 RS，但它的功能与 SPI 版本相同。
这里的想法是我们将扩展总线 API 的表面区域，以包含适用于任何类型总线的所有内容，例如，您可能拥有 begin_transaction() 和 end_transaction()，对于 SPI 来说，它们定义了事务边界，但在并行版本中什么也不做。
I2C 总线相当直接，但 SPI 总线和并行总线由于具有特定于处理器的优化而变得复杂得多。应指出的是，并行总线的通用实现在我对该测试中不起作用。我认为这是一个时序问题，当我有时间和动力时，我至少可以再尝试一件事。目前，它基本上是 ESP32 和 STM32 ARMs 的一个功能。
使用模板进行总线和驱动程序的一个优点是，不同的参数会产生不同的具体类，这意味着任何静态变量都特定于该模板实例化。其好处是，您可以运行多个显示屏，无论是相同类型还是不同类型。这与 TFT_eSPI 形成对比，后者由于使用应用程序范围的全局变量和非每个设备的静态变量，因此只能驱动单个显示类型。
tft_core.hpp 包含所有总线类型的一些基本通用代码。tft_spi.hpp、tft_i2c.hpp 和 tft_parallel8.hpp 各包含相应的总线类型，而 tft_io.hpp 仅包含所有这些，并且是推荐使用的头文件。
tft_driver.hpp 用于驱动总线。它驱动 SPI 的 DC 线。它还向总线指示它是命令模式还是数据模式，但目前唯一需要该信息的总线是 I2C，它不使用 DC 线，而是在每个事务负载中使用一个前导字节代码，如前所述。总线可以与也驱动总线的 tft_driver 一起驱动，利用我们在此部分开头提到的共性。一些终端驱动程序代码直接驱动总线，而不是通过 tft_driver，主要是出于性能原因。
这里的一个难题是 SPI 可以进行 DMA，这允许异步 I/O 操作与您的 CPU 任务并行运行。基本上，在非 SPI 设备上，我们将 dma_wait()（等待挂起的 DMA 操作）视为无操作，并通过 write_raw_dma() 将其转发到非 DMA 函数，同步执行 I/O。当 DMA 可用时，将存在 OPTIMIZE_DMA 定义。要启用 DMA，必须将 DMA 传输的最大大小指定为 SPI 总线参数，并且应包含 8 字节的填充。
结论
我相信将总线与物联网显示驱动程序解耦是一种新颖的方法，可以灵活地支持物联网上各种各样的显示配置。使用模板进行此操作以及驱动程序本身，可以在保持运行时性能的同时提供很大的灵活性。
希望这段代码能启发您在物联网项目中使用 GFX。通过 GFX，您可以执行高级功能，如 alpha 混合、JPG 显示和 TrueType 字体，让您创建时尚现代的界面。通过这个新的驱动程序框架，您可以获得所有这些功能，以及比以前代码更好的帧率。
尽情享用！
历史
- 2022 年 2 月 12 日 - 初次提交
- 2022 年 2 月 18 日 - 更新和简化代码。添加了更多驱动程序。