STemWin如何启用Multiple Buffering功能

yxz1212_bao 2018-07-19

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1. Multiple Buffering的工作原理

多缓冲是一种使用多个帧缓冲器的方法。其基本原理如下：在启用多个缓冲器的情况下，由显示控制器所使用的前置缓冲器（front buffer）会在屏幕上产生图像，同时，一个或多个后置缓冲器（back buffers）则用于绘图操作。绘图操作完成后，后置缓冲器成为可见的前置缓冲器。

如果使用两个缓冲器（即一个前置缓冲器和一个后置缓冲器），通常称之为 “双缓冲”；如果使用两个后置缓冲器和一个前置缓冲器，则称之为 “三缓冲”。

由于多缓冲方法使用多个帧缓冲器，因此，即便绘图操作仍在进行中，屏幕画面也是完全渲染的结果。启动绘图过程时，前置缓冲器的当前内容会被复制到一个后置缓冲器中。在该操作完成后，所有绘图操作只对该后置缓冲器起作用。绘图操作完成后，后置缓冲器成为前置缓冲器。如果要使后置缓冲器成为可见的前置缓冲器，通常只需修改显示控制器的帧缓冲器起始地址寄存器即可。

可以认为，显示器的持续刷新是通过显示控制器的应用程序得以实现的。每秒60次。每个周期完成之后有一个垂直同步信号，通常称之为VSYNC信号。使后置缓冲器成为前置缓冲器的最佳时机是该信号出现之时。如果不考虑VSYNC信号，则可能产生撕裂效果（如图1.1所示）：

图1.1 撕裂效果

2. 开发环境

硬件：STM32F429Discovery开发板，主板芯片是STM32F429ZI，外部64Mb的SDRAM，LCD是LG的LD050WV1。

软件：基于ST官方提供的STemWin_Library_V1.0.0固件库和例程进行移植，操作系统是FreeRTOS，emWin版本为5.22。

3. 如何启用Multiple Buffering

3.1Multiple Buffering功能的工作流程

图3.1 Multiple Buffering的工作流程

如图3.1所示，Multiple Buffering机制的工作顺序为：在void LCD_X_Config(void)时进行配置；调用GUI_MULTIBUF_Begin()或GUI_MULTIBUF_BeginEx()对绘图进行缓冲，此时emWin会将front buffer的内容拷贝到back buffer中；进行绘图工作，此时所有的绘图工作都将在back buffer中进行；调用GUI_MULTIBUF_End()或GUI_MULTIBUF_EndEX()结束缓冲，此时emWin会将back buffer切换到front。

3.2 官方代码修改、实现以及实现原理解说

主要修改STemWinLibrary555_4x9i目录下的GUIDRV_stm32f429i_discovery.c文件。由于该文件已经对Multiple Buffering功能进行了支持，所以重点修改此处即可：

// Buffers / VScreens

#define NUM_BUFFERS 2 // Number of multiple buffers to be used

即使用两个buffer，也就是双缓冲。后续的内容官方代码已经写好了，这里指进行介绍说明，同时捋清emWin进行双缓冲功能的工作流程。

开启双缓冲后，在void LCD_X_Config(void)函数中，预编译条件被打开：

#if (NUM_BUFFERS > 1)

for (i = 0; i < GUI_NUM_LAYERS; i++) {

GUI_MULTIBUF_ConfigEx(i, NUM_BUFFERS);

}

#endif

这是对多缓冲功能进行配置，由于NUM_BUFFERS的值是2，所以多缓冲功能被打开。

前面提及开启双缓冲后，所有的绘图操作将在back buffer里进行，为了确保绘图的正确性，emWin需要一个copy函数将front buffer中的数据首先拷贝到back buffer中，然后再进行绘图。ST官方代码使用了用户自定义的buffer copy程序，这样可使使用DMA进行内存拷贝，以提高工作效率。使用自定义buffer copy程序，需要在void LCD_X_Config(void)函数中添加下面内容：

LCD_SetDevFunc(i, LCD_DEVFUNC_COPYBUFFER, (void(*)(void))_LCD_CopyBuffer);

下面是官方给出的“_LCD_CopyBuffer”函数代码：

/*********************************************************************

* _LCD_CopyBuffer

static void _LCD_CopyBuffer(int LayerIndex, int IndexSrc, int IndexDst) {

U32 BufferSize, AddrSrc, AddrDst;

BufferSize = _GetBufferSize(LayerIndex);

AddrSrc = _aAddr[LayerIndex] + BufferSize * IndexSrc;

AddrDst = _aAddr[LayerIndex] + BufferSize * IndexDst;

_DMA_Copy(LayerIndex, (void *)AddrSrc, (void *)AddrDst, _axSize[LayerIndex], _aySize[LayerIndex], 0);

}

在绘制完图形后，用户调用GUI_MULTIBUF_End()函数，此时emWin将back buffer切换到前台显示出来。这个切换动作最好在LCD进行第一行的行扫描时进行，否则容易出现撕裂效果。因此这段代码被写在LTDC的中断处理程序中。

/*********************************************************************

* LTDC_ISR_Handler

* Purpose:

* End-Of-Frame-Interrupt for managing multiple buffering

void LTDC_ISR_Handler(void) {

U32 Addr;

int i;

LTDC->ICR = (U32)LTDC_IER_LIE;

for (i = 0; i < GUI_NUM_LAYERS; i++) {

if (_aPendingBuffer[i] >= 0) {

// Calculate address of buffer to be used as visible frame buffer

Addr = _aAddr[i] + _axSize[i] * _aySize[i] * _aPendingBuffer[i] * _aBytesPerPixels[i];

// Store address into SFR

_apLayer[i]->CFBAR &= ~(LTDC_LxCFBAR_CFBADD);

_apLayer[i]->CFBAR = Addr;

// Reload configuration

LTDC_ReloadConfig(LTDC_SRCR_IMR);

// Tell emWin that buffer is used

GUI_MULTIBUF_ConfirmEx(i, _aPendingBuffer[i]);

// Clear pending buffer flag of layer

_aBufferIndex[i] = _aPendingBuffer[i];

_aPendingBuffer[i] = -1;

}

从以上程序可以看出，back buffer到front buffer的切换，只是将back buffer的首地址赋值给了LTDC的CFBAR寄存器。这样的切换时很迅速的，因此用户看不到图像的绘制过程，避免了由绘图工作带来的屏幕闪烁问题。

那么，emWin如何知道何时需要进行buffer的切换工作呢？实际上，当用户调用GUI_MULTIBUF_End()等函数的时候，会发出LCD_X_SHOWBUFFER信号给“LCD_X_DisplayDriver”函数。

int LCD_X_DisplayDriver(unsigned LayerIndex, unsigned Cmd, void * pData)

{

switch (Cmd) {

case LCD_X_SHOWBUFFER: {

// Required if multiple buffers are used. The 'Index' element of p contains the buffer index.

LCD_X_SHOWBUFFER_INFO * p;

p = (LCD_X_SHOWBUFFER_INFO *)pData;

_aPendingBuffer[LayerIndex] = p->Index;

break;

}

在需要进行buffer切换时，传入的p->Index为1，这样，在“LTDC_ISR_Handler”函数里就满足了“_aPendingBuffer[i] >= 0”的条件。

3.3 官方代码中存在的bug

如果按上述方法进行修改和配置，并启用Multiple Buffering功能，那你可能发现，屏幕上能够出现文字，但是却没有方块、水平直线和竖直直线。如果仿真调试，会发现，其实矩形、水平直线和竖直直线被画在了front buffer里。

这是由于官方示例代码中存在一个bug，导致用户自定义的“LCD_DEVFUNC_FILLRECT”功能函数使用了错误地址。该示例代码中配置使用了自定义“LCD_DEVFUNC_FILLRECT”函数：

if (_GetPixelformat(i) <= LTDC_Pixelformat_ARGB4444) {

LCD_SetDevFunc(i, LCD_DEVFUNC_FILLRECT, (void(*)(void))_LCD_FillRect);

}

而“ _LCD_FillRect"函数的实现如下：

/*********************************************************************

* _LCD_FillRect

static void _LCD_FillRect(int LayerIndex, int x0, int y0, int x1, int y1, U32 PixelIndex) {

U32 BufferSize, AddrDst;

int xSize, ySize;

if (GUI_GetDrawMode() == GUI_DM_XOR) {

LCD_SetDevFunc(LayerIndex, LCD_DEVFUNC_FILLRECT, NULL);

LCD_FillRect(x0, y0, x1, y1);

LCD_SetDevFunc(LayerIndex, LCD_DEVFUNC_FILLRECT, (void(*) (void))_LCD_FillRect);

} else {

xSize = x1 - x0 + 1;

ySize = y1 - y0 + 1;

BufferSize = _GetBufferSize(LayerIndex);

AddrDst = _aAddr[LayerIndex] + BufferSize * _aBufferIndex[LayerIndex] + (y0 * _axSize[LayerIndex] + x0) * _aBytesPerPixels[LayerIndex];

_DMA_Fill(LayerIndex, (void *)AddrDst, xSize, ySize, _axSize[LayerIndex] - xSize, PixelIndex);

}

该代码将在绘制矩形、水平直线和竖直直线时进行调用，将绘制的图形拷贝到相应的buffer中。如果对该处代码进行调试，会发现“AddrDst”的值始终都是front buffer的值。而在启用双缓冲时，“AddrDst”应该指向back buffer。进一步会发现“_aBufferIndex[LayerIndex]”的值是错误的。这是因为不应该在LTDC的中断服务程序中对"_aBufferIndex[LayerIndex]"进行赋值。因为中断服务程序中的赋值只有在用户调用GUI_MULTIBUF_End()时才执行，这个时候绘图工作都已经完成了。正确的方式应该在GUI_MULTIBUF_Begin()后立即对"_aBufferIndex[LayerIndex]"进行赋值。

那么，应该在代码的何处进行赋值呢？答案是“_LCD_CopyBuffer”函数，因为调用GUI_MULTIBUF_Begin()后，emWin会调用该函数将front buffer中的内容拷贝的back buffer，然后才绘图。

因此，修改后的代码为：

/*********************************************************************

* _LCD_CopyBuffer

static void _LCD_CopyBuffer(int LayerIndex, int IndexSrc, int IndexDst) {

U32 BufferSize, AddrSrc, AddrDst;

BufferSize = _GetBufferSize(LayerIndex);

AddrSrc = _aAddr[LayerIndex] + BufferSize * IndexSrc;

AddrDst = _aAddr[LayerIndex] + BufferSize * IndexDst;

_aBufferIndex[LayerIndex] = IndexDst;

_DMA_Copy(LayerIndex, (void *)AddrSrc, (void *)AddrDst, _axSize[LayerIndex], _aySize[LayerIndex], 0);

}