STM32的“GPU”——DMA2D模块

前置知识：

• 帧缓冲

  帧缓冲是一个内存区域，用于存储即将显示的图像的像素数据。每个像素的颜色值在帧缓冲中都有一个对应的存储位置。帧缓冲的内容会在每一帧的显示周期中被读取并渲染到显示设备上。

  1. 帧缓冲的结构

  • 像素格式：帧缓冲中的每个像素通常以特定的格式存储，例如：
    • RGB565：每个像素用 16 位表示，5 位红色、6 位绿色和 5 位蓝色。
    • RGBA8888：每个像素用 32 位表示，8 位红色、8 位绿色、8 位蓝色和 8 位透明度。
  • 分辨率：帧缓冲的大小通常与显示器的分辨率相匹配。例如，对于一个 800x600 像素的显示器，帧缓冲需要至少 480,000 个像素的存储空间。

  2. 帧缓冲的工作原理

  1. 图像生成：应用程序或图形库生成图像帧，并将每个像素的颜色值写入帧缓冲中。
  2. 显示刷新：显示器在每个刷新周期（通常是每秒 60 次或更多次）读取帧缓冲中的数据，并将其渲染到屏幕上。
  3. 双缓冲技术：为了避免图像撕裂和闪烁，通常使用双缓冲技术，即设置两个帧缓冲（前缓冲和后缓冲）。绘制时，先在后缓冲上生成完整的图像，然后一旦图像生成完毕，交换前后缓冲进行显示。

• TFT液晶控制器（LTDC）概述

  TFT（薄膜晶体管）液晶显示器控制器是用于驱动和控制TFT液晶显示器的硬件组件。它主要用于嵌入式系统，尤其是在STM32系列微控制器中，LTDC提供了一种高效的方式来处理图形显示和图像渲染。

1. 帧缓冲

   LTDC依赖帧缓冲区来存储即将显示的图像数据。帧缓冲区通常位于外部RAM或内部RAM中，包含图像的像素信息。

2. LTDC支持多个图层（Layer）

   每个图层可以独立管理自己的图像数据和属性（如透明度、位置、大小、颜色格式等）。各图层可以叠加显示，支持复杂的图形效果和界面布局。

3. 像素时钟和同步信号

   LTDC生成必要的时钟信号（像素时钟）和同步信号（水平和垂直同步信号），以确保液晶显示器正确地显示图像。像素时钟控制每个像素的显示频率，而同步信号则用于同步显示器的刷新。

4. 图像数据传输

   在每个刷新周期，LTDC从帧缓冲区读取图像数据，并将其发送到显示器。LTDC可以通过硬件加速快速处理这些数据，减少CPU的干扰。

5. 图形处理

   LTDC支持硬件图形处理功能，如颜色填充、图像合成等。这些操作通常在显示更新时进行，以减少CPU负担。

使用原理

1. 初始化LTDC：

   • 在使用LTDC之前，需要进行初始化，包括设置显示参数（如分辨率、颜色格式、时钟频率等）。
   • 配置多个图层的属性，包括启用/禁用、透明度、位置等。

2. 配置帧缓冲：

   • 分配帧缓冲区，并将其地址配置到LTDC中。每个图层可以有自己的帧缓冲，允许灵活的图像管理。

3. 更新图像数据：

   • 应用程序在需要更新显示内容时，向帧缓冲区写入新的图像数据。
   • LTDC会在下一个刷新周期自动显示这些更新。

4. 控制显示状态：

   • LTDC允许控制显示的状态，例如启动、停止、刷新等。这可以通过配置寄存器或使用中断方式来实现。

5. 调试和优化：

   • 在开发和调试过程中，可以监测LTDC的状态和性能，优化图像更新的效率。
   • 通过合理管理图层和帧缓冲，可以提高系统的响应速度和用户体验。

DMA2D

主要功能

• • 颜色填充（矩形区域）

功能描述：

• • • 颜色填充功能允许用户在指定的矩形区域内填充一种颜色。该操作通常用于初始化图像区域或重绘界面部分。

实现过程：

• • • 用户需要指定矩形的起始位置（x, y）、宽度和高度，以及要填充的颜色。
    • DMA2D 会在后台执行填充操作，直接在内存中修改指定区域的像素值，而无需 CPU 参与。

 

• • 图像（内存）复制

功能描述：

• • • 图像复制功能允许将一块内存区域（源图像）中的像素数据复制到另一块内存区域（目标图像）。

实现过程：

• • • 用户需要提供源图像和目标图像的地址、宽度和高度。
    • DMA2D 将自动处理数据的复制，支持不同的颜色格式，确保在复制过程中保持图像质量。

 

• • 颜色格式转换

功能描述：

• • • 颜色格式转换功能允许将图像数据从一种颜色格式转换为另一种，例如从 YCbCr 转换为 RGB 或从 RGB888 转换为 RGB565。

实现过程：

• • • 用户需要指定源颜色格式和目标颜色格式，并提供相应的源和目标内存地址。
    • DMA2D 会自动进行颜色格式的转换，处理图像数据中的像素值，确保转换后的图像保持正确的色彩。

 

• • 透明度混合（Alpha Blend）

功能描述：

• • • 透明度混合功能使得可以在图像合成时考虑透明度（Alpha 通道），允许将多个图像层叠加在一起，产生混合效果。

实现过程：

• • • 用户需要指定前景图像和背景图像的地址、位置、大小以及透明度值。
    • DMA2D 在合成图像时，会根据指定的透明度计算每个像素的最终颜色值，从而实现平滑的混合效果。

工作模式

就像传统DMA有外设到外设，外设到存储器，存储器到外设三种工作模式一样，DMA2D作为一个DMA，也分为以下四种工作模式：

• • 寄存器到存储器

  • 存储器到存储器

  • 存储器到存储器并执行像素颜色格式转换

  • 存储器到存储器且支持像素颜色格式转换和透明度混合

实现方法

• • 颜色填充

只是进行内存填充，而不需要进行内存拷贝，所以让DAM2D工作在“寄存器到存储器模式”，通过设置DMA2D的DMA2D_CR寄存器的[17:16]位为11来实现。

 设置待填充矩形的起始地址，宽度，高度。起始地址由寄存器DMA2D_OMAR设置，宽度高度由寄存器AMD2D_NLR设置。

因为矩形在内存中的地址不连续，所以需要设置DMA2D在填充完一行的数据后，需要跳过的像素数量。这个值由DMA2D_OOR寄存器管理。计算跳过的像素数量有一个简单的方法，即显示区域的宽度减去矩形的宽度即可。

设置填充区域的颜色以及颜色格式。这分别由寄存器AMDD2_OCOLR和AMDD2_OPFCCR寄存器来管理，其中颜色格式由LTDC_PIXEL_FORMAT_XXX宏来定义。

上述已经将DMA2D配置好了，接下来只需要启动传输并且等待传输完成即可。通过设置DMA2D_CR来启动传输。DAM2D传输完成后，会自动把CR寄存器的第0位设置为0，故可通过判断这一位的值来判断传输是否完成。（当使用OS时为什么不使用中断而选择while死等？因为DMA2D进行内存填充的速度实在是太快了，以至于OS切换任务的开销都比这个时间要长，所以即便使用了OS，我们还是会选择死等。）

• • 图片显示（内存复制）

核心思想：将目标图片的数据通过DMA2D直接传输到帧缓冲中。

 

显示一张静态图片

首先设置工作模式设定为“存储器到存储器模式”，通过设置DMA2D的DMA2D_CR寄存器的[17:16]位为00来实现。

然后要分别设置源和目标的内存地址，需要考虑数据源是否因为内存对齐等原因而存在内存偏移，所以我们要根据实际情况设定源和目标位置的数据偏移。通过寄存器DMA2D_FGMAR设置源地址，通过寄存器DMA2D_OMAR设置目标地址，通过寄存器DMA2D_FGOR设置源数据偏移，通过寄存器DMA2D_OOR设置目标地址偏移。

 然后设置要复制的图像的宽和高，以及颜色格式。通过寄存器DMA2D_NLR设置图像宽高，通过寄存器DMA2D_FGPFCCR设置颜色格式。

上述已经将DMA2D配置好了，接下来只需要启动传输并且等待传输完成即可。

显示一个动图

基本原理和显示一张图片类似，只是关键在于一定的间隔轮流显示每一帧图像，就可以在屏幕上实现动图效果了。要注意考虑源地址和目标地址的实际偏移情况 。

图片渐变切换

前置知识：1、DMA2D硬件知识：

• Alpha通道的基本概念

  Alpha通道是图像中用于表示每个像素透明度的一个额外通道。它通常与红色、绿色和蓝色（RGB）通道一起使用，形成RGBA模型：

  • R：红色分量

  • G：绿色分量

  • B：蓝色分量

  • A：Alpha通道，取值范围通常为0到255或0.0到1.0，表示透明度。

  • 0表示完全透明（不可见）。

  • 255或1.0表示完全不透明（完全可见）。

• Alpha通道功能

  DMA2D支持通过Alpha通道进行图像合成，包括以下几种主要功能：

  • 图像混合：DMA2D可以根据源图像和目标图像的Alpha通道值，计算出最终显示的颜色。这使得在图像重叠时，可以实现平滑的透明效果。

  • 色彩键控：在某些应用中，可以使用Alpha通道来实现色彩键控（Chroma Keying），即将特定颜色（如绿色背景）替换为透明区域。

  • 渐变和阴影效果：利用Alpha通道，DMA2D可以轻松实现渐变效果和阴影效果，从而增强视觉表现。

• Alpha通道的混合公式

  

   

    2、前景层FIFO和背景层FIFO    

前景层FIFO和背景层FIFO的协同工作是DMA2D高效图像处理的关键：

• • • • 数据流动：DMA2D从前景层FIFO读取待处理的图像数据，并从背景层FIFO获取背景图像数据。这样的设计确保了数据处理的顺序和完整性。

      • 混合计算：在进行图像混合时，DMA2D会根据前景层的Alpha通道值与背景层的颜色进行计算，生成最终的显示颜色。这种计算方式确保了图像的真实感和深度。

      • 降低延迟：由于FIFO能够快速读取数据，DMA2D的整体延迟降低，使得用户界面和图形应用响应更为迅速。

           

   3、CLUT 接口

CLUT是一个用于存储颜色映射的表，它将每个像素的索引值映射到具体的颜色值。CLUT常用于索引颜色模式中，特别是在内存资源有限的情况下，可以减少所需的存储空间。

CULT接口功能：

• • • • 颜色映射：DMA2D可以根据CLUT中的索引值快速查找和获取对应的颜色值。在处理图像时，DMA2D会根据每个像素的索引值，从CLUT中获取实际的RGB颜色。

      • 支持多种颜色格式：CLUT接口可以支持多种颜色格式，如8位、16位或更高位数的颜色深度，能够适应不同应用场景的需求。

      • 动态更新：在某些应用中，CLUT的内容可以动态更新，这意味着可以在运行时改变颜色映射，使得图像可以适应不同的显示需求。

      • 透明度处理：CLUT接口可以与Alpha通道信息结合使用，允许在处理过程中实现透明度效果，使得图像合成更加自然。

CLUT接口的工作流程：

• 初始化CLUT：在开始处理之前，系统需要先定义并初始化CLUT。设置每个索引值对应的颜色值。
• 设置图像格式：配置DMA2D的图像格式，包括前景图像和背景图像的格式，确保它们与CLUT的配置相匹配。
• 数据输入：将待处理的图像数据输入到DMA2D，通常是像素的索引值。
• 颜色查找：DMA2D在处理每个像素时，根据像素的索引值从CLUT中查找相应的颜色值，并将其应用于图像生成。
• 输出图像：经过处理，生成的图像将包含根据CLUT映射的颜色值，并可以输出到显示设备或存储介质。

   

4、像素格式转换器（PFC）

像素格式转换器是一个关键组件，负责在不同的图像格式之间进行转换。

PFC的工作流程通常包括以下几个步骤：

 

• • • • 初始化：在开始处理之前，配置DMA2D模块和PFC，指定源图像和目标图像的格式。

• • • • 数据输入：将源图像数据输入到DMA2D，通常是存储在内存中的图像数据。

• • • • 格式转换：PFC会根据配置，从源格式中读取像素数据，并将其转换为目标格式。这个过程可能涉及到颜色空间的转换、通道数的调整等。

• • • • 输出图像：经过格式转换后，生成的图像将存储到目标内存位置，供后续处理或直接显示。

 

5、透明度混合

 使用例子：

 

如何实现渐变？

使用DMA2D的”存储器到存储器并执行 PFC 和混合“模式实现渐变效果。

首先使能DAM2D的带颜色混合的存储器到存储器模式，对应AMD2D_CR寄存器[17:16]位的值为10。

然后分别设置前景、背景和输出数据的内存地址和数据传输偏移、传输图像的宽和高。设置方式同上。

接着设置颜色格式，这一步需要格外注意。如果使用的是ARGB这样的颜色格式，那么我们进行透明度混合时，颜色数据中本身的alpha通道就会对混合结果产生影响，所以我们这里要设定在进行混合操作时，忽略前景色自身的alpha通道，并强制设定混合时的透明度。关于透明度的设置，详见寄存器AMD2D_FGPFCCR。

 代码操作如下：

 分析："pixelFormat" 设置CM[3:0]颜色模式；

            "（1UL << 16）"将位16设置为1，使之忽略前景颜色数据中的Alpha通道，将原始前景层图像的 alpha 通道值替换为 ALPHA[7: 0]，防止颜色数据中本身的alpha通道就会对混合结果产生影响。

    " ((uint32_t)opa << 24) "设置前景色不透明度。

 最后，启动传输即可。

！！！注意：有时会遇到一张带有透明通道的图片与背景叠加显示的情况，此时就不应该禁用颜色本身的alpha通道。