深度剖析STM32的“GPU”—DMA2D實(shí)例詳

前言

GPU即圖形處理器，是現(xiàn)代顯卡的核心。在沒(méi)有GPU的時(shí)代，所有圖形的繪制都是由CPU來(lái)完成的，CPU需要計(jì)算圖形的邊界、顏色等數(shù)據(jù)，并且負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)寫入顯存。

簡(jiǎn)單的圖形還沒(méi)有什么問(wèn)題，但隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展（尤其是游戲的發(fā)展），需要顯示的圖形圖像越來(lái)越復(fù)雜，CPU也就越來(lái)越力不從心。所以后來(lái)GPU應(yīng)運(yùn)而生，將CPU從繁重的圖形計(jì)算任務(wù)中拯救了出來(lái)，大大加速了圖形的顯示速度。

而單片機(jī)這邊也有類似的發(fā)展歷程。在早期的單片機(jī)使用場(chǎng)景中，極少有圖形顯示的需求。即使有，也只是簡(jiǎn)單的12864之類的顯示設(shè)備，運(yùn)算量不大，單片機(jī)的CPU可以很好的處理。

但是隨著嵌入式圖形的發(fā)展，單片機(jī)需要承擔(dān)的圖形計(jì)算和顯示任務(wù)越來(lái)越多，嵌入式系統(tǒng)的顯示分辨率和色彩也一路飆升。慢慢地，單片機(jī)的CPU對(duì)這些計(jì)算就開始力不從心了。

所以，自STM32F429開始，一個(gè)類似GPU的外設(shè)開始加入到STM32的單片機(jī)中，ST稱之為Chrom-ART Accelerator，也叫DMA2D（本文將使用此名稱）。DMA2D可以在很多2D繪圖的場(chǎng)合提供加速，完美嵌合了現(xiàn)代顯卡中“GPU”的功能。

雖然這個(gè)“GPU”只能提供2D加速，而且功能非常簡(jiǎn)單，與PC中的GPU不可同日而語(yǔ)。但是它已經(jīng)可以滿足大多數(shù)嵌入式開發(fā)中的圖形顯示加速需求，只要用好了DMA2D，我們?cè)趩纹瑱C(jī)上也可以做出流暢、華麗的UI效果。

本文將從實(shí)例出發(fā)，介紹DMA2D在嵌入式圖形開發(fā)中的可以發(fā)揮的作用。目的是使讀者能簡(jiǎn)單、快速地對(duì)DAM2D的建立最基本的概念并且學(xué)會(huì)最基本的用法。

為了防止內(nèi)容過(guò)于晦澀和難懂，本文不會(huì)對(duì)DMA2D的高級(jí)功能和特性進(jìn)行深入地刨析（如詳細(xì)介紹DMA2D的架構(gòu)、全部的寄存器等等）。如果需要更加詳細(xì)、專業(yè)地學(xué)習(xí)DAM2D，可以在閱讀完本文后參考《STM32H743中文編程手冊(cè)》。

閱讀本文之前需要對(duì)STM32中的TFT液晶控制器（LTDC）和基本的圖形知識(shí)（如幀緩沖framebuffer、像素、顏色格式等概念）有一定的了解。

另，除了ST之外，其他不少廠商生產(chǎn)的MCU中也存在類似功能的外設(shè)（如NXP在RT系列中設(shè)計(jì)的的PxP），不過(guò)這些不在本文的討論范圍內(nèi)，有興趣的朋友可以自行了解。

準(zhǔn)備工作

硬件準(zhǔn)備

可以使用任何的，帶有DMA2D外設(shè)的STM32開發(fā)板來(lái)驗(yàn)證本文中的例子，如STM32F429，STM32F746，STM32H750等MCU的開發(fā)板。本文中使用的開發(fā)板是ART-Pi 。

ART-Pi是由RT-Thread官方出品的開發(fā)板，采用了主頻高達(dá)480MHz的STM32H750XB+32MB SDRAM的強(qiáng)悍配置。而且板載了調(diào)試器（ST-Link V2.1），使用起來(lái)非常方便，特別適合各種技術(shù)方案的驗(yàn)證，用來(lái)作為本文的硬件演示平臺(tái)再合適不過(guò)了。

顯示屏可以是任意的彩色TFT顯示屏，推薦使用16位或24位顏色的RGB接口顯示屏。本文中使用的是一塊 3.5‘’ 的TFT液晶顯示屏，接口為RGB666，分辨率為320x240（QVGA）。在LTDC中，配置使用的顏色格式為RGB565

開發(fā)環(huán)境準(zhǔn)備

本文中介紹的內(nèi)容和出現(xiàn)的代碼可以在任何你喜歡的開發(fā)環(huán)境中使用，如RT-Thread Studio，MDK，IAR等。

開始本文的實(shí)驗(yàn)前你需要一個(gè)以framebuffer技術(shù)驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏的基本工程。運(yùn)行本文中所有的代碼前都需要預(yù)先使能DMA2D。

使能DMA2D可以通過(guò)這個(gè)宏來(lái)實(shí)現(xiàn)（硬件初始化時(shí)使能一次即可）：

1// 使用DMA2D之前一定要先使能DMA2D外設(shè)2__HAL_RCC_DMA2D_CLK_ENABLE（）;

DMA2D的簡(jiǎn)介

我們先來(lái)看看ST是怎么描述DMA2D的

乍一看有點(diǎn)晦澀，但其實(shí)說(shuō)白了就以下幾個(gè)功能：

顏色填充（矩形區(qū)域）

圖像（內(nèi)存）復(fù)制

顏色格式轉(zhuǎn)換（如YCbCr轉(zhuǎn)RGB或RGB888轉(zhuǎn)RGB565）

透明度混合（Alpha Blend）

前兩種都是針對(duì)內(nèi)存的操作，后兩個(gè)則是運(yùn)算加速操作。其中，透明度混合、顏色格式轉(zhuǎn)換可以和圖像復(fù)制一起進(jìn)行，這樣就帶來(lái)了較大的靈活性。

可以看到，ST對(duì)DMA2D的定位就像它的名字一樣，是一個(gè)針對(duì)圖像處理功能強(qiáng)化過(guò)的DMA。而在實(shí)際開發(fā)的過(guò)程中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)DMA2D的使用方式也非常類似傳統(tǒng)的DMA控制器。在某些非圖形處理場(chǎng)合，DMA2D甚至也可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DMA來(lái)發(fā)揮作用。

需要注意的是，ST的不同產(chǎn)品線的DMA2D加速器是有微小區(qū)別的，比如STM32F4系列MCU的DMA2D就沒(méi)有ARGB和AGBR顏色格式互轉(zhuǎn)的功能，所以具體需要用到某個(gè)功能的時(shí)候，最好先查看編程手冊(cè)看所需的功能是否被支持。

本文只介紹所有平臺(tái)的DMA2D共有的功能。

DMA2D的工作模式

就像傳統(tǒng)DMA有外設(shè)到外設(shè)，外設(shè)到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器到外設(shè)三種工作模式一樣，DMA2D作為一個(gè)DMA，也分為以下四種工作模式：

寄存器到存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器并執(zhí)行像素顏色格式轉(zhuǎn)換

存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器且支持像素顏色格式轉(zhuǎn)換和透明度混合

可以看出，前兩種模式起始就是簡(jiǎn)單的內(nèi)存操作，而后面兩種模式，則是在進(jìn)行內(nèi)存復(fù)制時(shí)，根據(jù)需要同時(shí)進(jìn)行顏色格式轉(zhuǎn)換或/和透明度混合。

DMA2D和HAL庫(kù)

大多數(shù)情況下，使用HAL庫(kù)可以簡(jiǎn)化代碼編寫，提高可移植性。但是在DMA2D的使用時(shí)則是個(gè)例外。因?yàn)镠AL庫(kù)存在的最大問(wèn)題就是嵌套層數(shù)再加上各種安全檢測(cè)過(guò)多效率不夠高。

在操作別的外設(shè)時(shí)，使用HAL庫(kù)損失的效率并不會(huì)有多大的影響。但是對(duì)于DMA2D這種以計(jì)算和加速為目的的外設(shè)，考慮到相關(guān)的操作會(huì)在一個(gè)屏幕的繪制周期內(nèi)被多次調(diào)用，此時(shí)再使用HAL庫(kù)就會(huì)導(dǎo)致DAM2D的加速效率嚴(yán)重下降。

所以，我們大多時(shí)候都不會(huì)用HAL庫(kù)中的相關(guān)函數(shù)來(lái)對(duì)DMA2D進(jìn)行操作。為了效率，我們會(huì)直接操作寄存器，這樣才能起到最大化的加速效果。

因?yàn)槲覀兪褂肈MA2D的大多數(shù)場(chǎng)合都會(huì)頻繁變更工作模式，所以CubeMX中對(duì)DMA2D的圖形化配置也失去了意義。

DMA2D場(chǎng)景實(shí)例

1. 顏色填充

我們來(lái)思考一下如何把它繪制出來(lái)。

首先，我們需要使用白色來(lái)填充屏幕，作為圖案的背景。這個(gè)過(guò)程是不能忽略的，否則屏幕上原來(lái)顯示的圖案會(huì)對(duì)我們的主體產(chǎn)生干擾。然后，柱狀圖其實(shí)是由4個(gè)藍(lán)色的矩形方塊和一條線段構(gòu)成的，而線段也可以視作一個(gè)特殊的，高度為1的矩形。所以，這個(gè)圖形的繪制可以分解為一系列“矩形填充”操作：

使用白色填充一個(gè)大小等于屏幕大小的的矩形

使用藍(lán)色填充四個(gè)數(shù)據(jù)條

使用黑色填充一根高度為1的線段

在畫布中實(shí)現(xiàn)任意位置繪制任意大小的矩形的本質(zhì)就是將內(nèi)存區(qū)域中對(duì)應(yīng)像素位置的數(shù)據(jù)設(shè)定為指定的顏色。但是因?yàn)閒ramebuffer在內(nèi)存中的存儲(chǔ)是線性的，所以除非矩形的寬度正好和顯示區(qū)域的寬度重合，否看似連續(xù)的矩形的區(qū)域在內(nèi)存中的地址是不連續(xù)的。

下圖展示了典型的內(nèi)存分布情況，其中的數(shù)字表示了frame buffer中每個(gè)像素的內(nèi)存地址（相對(duì)首地址的偏移，這里忽略掉了一個(gè)像素占多個(gè)字節(jié)的情況），藍(lán)色區(qū)域是我們要填充的矩形?？梢钥闯鼍匦螀^(qū)域的內(nèi)存地址是不連續(xù)的。

framebuffer的這種特性使得我們不能簡(jiǎn)單使用memset這類高效的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形區(qū)域的填充。通常情況下，我們會(huì)使用以下方式的雙重循環(huán)來(lái)填充任意矩形，其中xs和ys是矩形左上角在屏幕上的坐標(biāo)，width和height表示矩形的寬和高，color表示需要填充的顏色：

1for（int y = ys; y 《 ys + height; y++）{

2 for（int x = xs; x 《 xs + width; x++）{

3 framebuffer［y］［x］ = color;

4 }

5}

代碼雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)際執(zhí)行時(shí)，大量的CPU周期浪費(fèi)在了判斷、尋址、自增等的操作，實(shí)際寫內(nèi)存的時(shí)間占比很少。這樣一來(lái)，效率就會(huì)下降。

這時(shí)候DMA2D的寄存器到存儲(chǔ)器工作模式就可以發(fā)揮用場(chǎng)了，DAM2D可以以極高的速度填充矩形的內(nèi)存區(qū)域，即使這些區(qū)域在內(nèi)存中實(shí)際是不連續(xù)的。

首先，因?yàn)槲覀冎皇沁M(jìn)行內(nèi)存填充，而不需要進(jìn)行內(nèi)存拷貝，所以我們要讓DAM2D工作在寄存器到存儲(chǔ)器模式。這通過(guò)設(shè)置DMA2D的CR寄存器的［17:16］位為11來(lái)實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

1DMA2D-》CR = 0x00030000UL;

然后，我們要告訴DAM2D要填充的矩形的屬性，比如區(qū)域的起始地址在哪里，矩形的寬度有多少像素，矩形的高度有多少。

區(qū)域起始地址是矩形區(qū)域左上角第一個(gè)像素的內(nèi)存地址（圖中紅色像素的地址），這個(gè)地址由DAM2D的OMAR寄存器管理。而矩形的寬度和高度都是以像素為單位的，分別由NLR寄存器的高16位（寬度）和低16位（高度）來(lái)進(jìn)行管理，具體的代碼如下：

1DMA2D-》OMAR = （uint32_t）（&framebuffer［y］［x］）; // 設(shè)置填充區(qū)域的起始像素內(nèi)存地址2DMA2D-》NLR = （uint32_t）（width 《《 16） | （uint16_t）height; // 設(shè)置矩形區(qū)域的寬高

接著，因?yàn)榫匦卧趦?nèi)存中的地址不連續(xù)，所以我們要告訴DMA2D在填充完一行的數(shù)據(jù)后，需要跳過(guò)多少個(gè)像素（即圖中黃色區(qū)域的長(zhǎng)度）。這個(gè)值由OOR寄存器管理。計(jì)算跳過(guò)的像素?cái)?shù)量有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，即顯示區(qū)域的寬度減去矩形的寬度即可。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

1DMA2D-》OOR = screenWidthPx - width; // 設(shè)置行偏移，即跳過(guò)的像素

最后，我們需要告知DAM2D，你將使用什么顏色來(lái)進(jìn)行填充，顏色的格式是什么。這分別由OCOLR和OPFCCR寄存器來(lái)管理，其中顏色格式由LTDC_PIXEL_FORMAT_XXX宏來(lái)定義，具體代碼如下：

1DMA2D-》OCOLR = color; // 設(shè)置填充使用的顏色2DMA2D-》OPFCCR = pixelFormat; // 設(shè)置顏色格式，比如想設(shè)置成RGB565，就可以使用宏LTDC_PIXEL_FORMAT_RGB565

一切都設(shè)置完畢，DMA2D已經(jīng)獲取到了填充這個(gè)矩形所需要的全部信息，接下來(lái)，我們要開啟DMA2D的傳輸，這通過(guò)將DMA2D的CR寄存器的第0位設(shè)置為1來(lái)實(shí)現(xiàn)：

1DMA2D-》CR |= DMA2D_CR_START; // 開啟DMA2D的數(shù)據(jù)傳輸，DMA2D_CR_START是一個(gè)宏，其值為0x01

等DMA2D傳輸開始后，我們只需要等待它傳輸完畢即可。DAM2D傳輸完成后，會(huì)自動(dòng)把CR寄存器的第0位設(shè)置為0，所以我們可以通過(guò)以下代碼來(lái)等待DAM2D傳輸完成：

1while （DMA2D-》CR & DMA2D_CR_START） {} // 等待DMA2D傳輸完成

tips0：如果你使用了OS，則可以使能DMA2D的傳輸完畢中斷。然后我們可以創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量并且在開啟傳輸后等待它，隨后在DMA2D的傳輸完畢中斷服務(wù)函數(shù)中釋放該信號(hào)量。這樣的話CPU就可以在DMA2D工作的時(shí)候去干點(diǎn)別的事兒而不是在此處傻等。

tips1：當(dāng)然，由于實(shí)際執(zhí)行時(shí)，DMA2D進(jìn)行內(nèi)存填充的速度實(shí)在是太快了，以至于OS切換任務(wù)的開銷都比這個(gè)時(shí)間要長(zhǎng)，所以即便使用了OS，我們還是會(huì)選擇死等 ：）。

為了函數(shù)的通用性考慮，起始傳輸?shù)刂泛托衅贫荚诤瘮?shù)外計(jì)算完畢后傳入，我們抽出的完整的函數(shù)代碼如下：

1static inline void DMA2D_Fill（ void * pDst， uint32_t width， uint32_t height， uint32_t lineOff， uint32_t pixelFormat， uint32_t color） {

2 3 /* DMA2D配置 */

4 DMA2D-》CR = 0x00030000UL; // 配置為寄存器到儲(chǔ)存器模式 5 DMA2D-》OCOLR = color; // 設(shè)置填充使用的顏色，格式應(yīng)該與設(shè)置的顏色格式相同 6 DMA2D-》OMAR = （uint32_t）pDst; // 填充區(qū)域的起始內(nèi)存地址 7 DMA2D-》OOR = lineOff; // 行偏移，即跳過(guò)的像素，注意是以像素為單位 8 DMA2D-》OPFCCR = pixelFormat; // 設(shè)置顏色格式 9 DMA2D-》NLR = （uint32_t）（width 《《 16） | （uint16_t）height; // 設(shè)置填充區(qū)域的寬和高，單位是像素1011 /* 啟動(dòng)傳輸 */12 DMA2D-》CR |= DMA2D_CR_START;

1314 /* 等待DMA2D傳輸完成 */15 while （DMA2D-》CR & DMA2D_CR_START） {}

16}

為了方便編寫代碼，我們?cè)侔b一個(gè)針對(duì)所使用屏幕坐標(biāo)系的矩形填充函數(shù)：

1void FillRect（uint16_t x， uint16_t y， uint16_t w， uint16_t h， uint16_t color）{

2 void* pDist = &（（（uint16_t*）framebuffer）［y*320 + x］）;

3 DMA2D_Fill（pDist， w， h， 320 - w， LTDC_PIXEL_FORMAT_RGB565， color）;

4}

最后我們嘗試用代碼把本小節(jié)剛開始的示例圖表畫出來(lái)：

1 // 填充背景色2 FillRect（0， 0， 320， 240， 0xFFFF）;

3 // 繪制數(shù)據(jù)條4 FillRect（80， 80， 20， 120， 0x001f）;

5 FillRect（120， 100， 20， 100， 0x001f）;

6 FillRect（160， 40， 20， 160， 0x001f）;

7 FillRect（200， 60， 20， 140， 0x001f）;

8 // 繪制X軸9 FillRect（40， 200， 240， 1， 0x0000）;

2.圖片顯示（內(nèi)存復(fù)制）

假設(shè)我們現(xiàn)在要開發(fā)一個(gè)游戲，然后想在屏幕上顯示一團(tuán)跳動(dòng)的火焰。一般是由美工先把火焰的每一幀都畫出來(lái)，然后放到同一張圖片素材里面。

然后我們以一定的間隔輪流顯示每一幀圖像，就可以在屏幕上實(shí)現(xiàn)“跳動(dòng)的火焰”這個(gè)效果了。

我們現(xiàn)在略過(guò)素材文件加載到內(nèi)存的過(guò)程，假設(shè)這張素材圖片已經(jīng)在內(nèi)存中了。然后我們來(lái)考慮如何將其中的一幀圖片顯示到屏幕上。通常情況下，我們會(huì)這樣實(shí)現(xiàn)：先計(jì)算得出每一幀的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址，然后將這一幀圖片的數(shù)據(jù)復(fù)制到framebuffer中相應(yīng)的位置即可。代碼類似于這樣：

1/**

2 * 將素材中的一幀畫面復(fù)制到framebuffer中的對(duì)應(yīng)位置

3 * index為畫面在幀序列中的索引

4 */ 5static void General_DisplayFrameAt（uint16_t index） {

6 // 宏說(shuō)明 7 // #define FRAME_COUNTS 25 // 幀數(shù)量 8 // #define TILE_WIDTH_PIXEL 96 // 每一幀畫面的寬度（等于高度） 9 // #define TILE_COUNT_ROW 5 // 素材中每一行有多少幀1011 // 計(jì)算幀起始地址12 uint16_t *pStart = （uint16_t *） img_fireSequenceFrame;

13 pStart += （index / TILE_COUNT_ROW） * （TILE_WIDTH_PIXEL * TILE_WIDTH_PIXEL * TILE_COUNT_ROW）;

14 pStart += （index % TILE_COUNT_ROW） * TILE_WIDTH_PIXEL;

1516 // 計(jì)算素材地址偏移17 uint32_t offlineSrc = （TILE_COUNT_ROW - 1） * TILE_WIDTH_PIXEL;

18 // 計(jì)算framebuffer地址偏移（320是屏幕寬度）19 uint32_t offlineDist = 320 - TILE_WIDTH_PIXEL;

2021 // 將數(shù)據(jù)復(fù)制到framebuffer22 uint16_t* pFb = （uint16_t*） framebuffer;

23 for （int y = 0; y 《 TILE_WIDTH_PIXEL; y++） {

24 memcpy（pFb， pStart， TILE_WIDTH_PIXEL * sizeof（uint16_t））;

25 pStart += offlineSrc + TILE_WIDTH_PIXEL;

26 pFb += offlineDist + TILE_WIDTH_PIXEL;

27 }

28}

可見要實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果需要大量的內(nèi)存復(fù)制操作。在嵌入式系統(tǒng)中，需要大量數(shù)據(jù)復(fù)制的時(shí)候，硬件DMA的效率是最高的。但是硬件DMA只能搬運(yùn)地址連續(xù)的數(shù)據(jù)，而這里，需要復(fù)制的數(shù)據(jù)在源圖片和frambuffer中的地址都是不連續(xù)的，這引來(lái)了額外的開銷（與第一小節(jié)中出現(xiàn)的問(wèn)題相同），也導(dǎo)致我們無(wú)法使用硬件DMA來(lái)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)復(fù)制。

所以，雖然我們實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)，但是效率不高（或者說(shuō)沒(méi)有達(dá)到最高）。

為了以最快的速度把素材圖片中的某一塊數(shù)據(jù)搬運(yùn)到幀緩沖中，我們來(lái)看如何使用DMA2D來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先，因?yàn)檫@次是要在存儲(chǔ)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制，所以我們要把DMA2D的工作模式設(shè)定為“存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器模式”，這通過(guò)設(shè)置DMA2D的CR寄存器的［17:16］位為00來(lái)實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

1DMA2D-》CR = 0x00000000UL;

然后我們要分別設(shè)置源和目標(biāo)的內(nèi)存地址，與第一節(jié)中不同，因?yàn)閿?shù)據(jù)源也存在內(nèi)存偏移，所以我們要同時(shí)設(shè)定源和目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)偏移

1DMA2D-》FGMAR = （uint32_t）pSrc; // 源地址2DMA2D-》OMAR = （uint32_t）pDst; // 目標(biāo)地址3DMA2D-》FGOR = OffLineSrc; // 源數(shù)據(jù)偏移（像素）4DMA2D-》OOR = OffLineDst; // 目標(biāo)地址偏移（像素）

然后依然是設(shè)置要復(fù)制的圖像的寬和高，以及顏色格式，這點(diǎn)與第一小節(jié)中的相同

1DMA2D-》FGPFCCR = pixelFormat;

2DMA2D-》NLR = （uint32_t）（xSize 《《 16） | （uint16_t）ySize;

同樣的方式，我們開啟DMA2D的傳輸，并等待傳輸完成：

1/* 啟動(dòng)傳輸 */2DMA2D-》CR |= DMA2D_CR_START;

34/* 等待DMA2D傳輸完成 */5while （DMA2D-》CR & DMA2D_CR_START） {}

最終我們抽出的函數(shù)如下：

1static void DMA2D_MemCopy（uint32_t pixelFormat， void * pSrc， void * pDst， int xSize， int ySize， int OffLineSrc， int OffLineDst）

2{

3 /* DMA2D配置 */ 4 DMA2D-》CR = 0x00000000UL;

5 DMA2D-》FGMAR = （uint32_t）pSrc;

6 DMA2D-》OMAR = （uint32_t）pDst;

7 DMA2D-》FGOR = OffLineSrc;

8 DMA2D-》OOR = OffLineDst;

9 DMA2D-》FGPFCCR = pixelFormat;

10 DMA2D-》NLR = （uint32_t）（xSize 《《 16） | （uint16_t）ySize;

1112 /* 啟動(dòng)傳輸 */13 DMA2D-》CR |= DMA2D_CR_START;

1415 /* 等待DMA2D傳輸完成 */16 while （DMA2D-》CR & DMA2D_CR_START） {}

17}

為了方便，我們包裝一個(gè)調(diào)用它的函數(shù)：

1static void DMA2D_DisplayFrameAt（uint16_t index）{

2 3 uint16_t *pStart = （uint16_t *）img_fireSequenceFrame;

4 pStart += （index / TILE_COUNT_ROW） * （TILE_WIDTH_PIXEL * TILE_WIDTH_PIXEL * TILE_COUNT_ROW）;

5 pStart += （index % TILE_COUNT_ROW） * TILE_WIDTH_PIXEL;

6 uint32_t offlineSrc = （TILE_COUNT_ROW - 1） * TILE_WIDTH_PIXEL;

7 8 9 DMA2D_MemCopy（LTDC_PIXEL_FORMAT_RGB565， （void*） pStart， pDist， TILE_WIDTH_PIXEL， TILE_WIDTH_PIXEL， offlineSrc， offlineDist）;

10}

然后輪流播放每一幀圖片，這里設(shè)置的幀間隔是50毫秒，并且將目標(biāo)地址定義到了frambuffer的中央：

1while（1）{

2 for（int i = 0; i 《 FRAME_COUNTS; i++）{

3 DMA2D_DisplayFrameAt（i）;

4 HAL_Delay（FRAME_TIME_INTERVAL）;

5 }

6}

3.圖片漸變切換

假設(shè)我們要開發(fā)一個(gè)看圖應(yīng)用，在兩張圖片進(jìn)行切換時(shí)，直接進(jìn)行切換會(huì)顯得比較生硬，所以我們要加入切換時(shí)的動(dòng)態(tài)效果，而漸變切換（淡入淡出）是一個(gè)很經(jīng)常使用的，而且看起來(lái)還不錯(cuò)的效果。

這里我們需要先了解一下透明度混合（Alpha Blend）的基本概念。首先透明度混合需要有一個(gè)前景，一個(gè)背景。而混合的結(jié)果就相當(dāng)于透過(guò)前景看背景時(shí)的效果。如果前景完全不透明，那么就完全看不到背景，反之如果前景完全透明，那么就只能看到背景。而如果前景是半透明的，則結(jié)果就是兩者根據(jù)前景色的透明度按照一定的規(guī)則進(jìn)行混合。

如果1表示完全透明，0表示不透明，則透明度的混合公式如下，其中A是背景色，B是前景色：

1X（C）=（1-alpha）*X（B） + alpha*X（A）

因?yàn)轭伾蠷GB三個(gè)通道，所以我們需要對(duì)三通道都進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后在進(jìn)行組合：

1R（C）=（1-alpha）*R（B） + alpha*R（A）

2G（C）=（1-alpha）*G（B） + alpha*G（A）

3B（C）=（1-alpha）*B（B） + alpha*B（A）

而在程序中為了效率起見（CPU對(duì)于浮點(diǎn)的運(yùn)算速度很慢），我們并不用0~1這個(gè)范圍的值。通常情況下我們一般會(huì)使用一個(gè)8bit的數(shù)值來(lái)表示透明度，范圍從0~255。需要注意的是，這個(gè)數(shù)值越大表示越不透明，也就是說(shuō)255是完全不透明，而0表示完全透明（所以也叫不透明度），然后我們可以得到最終的公式：

1outColor = （（int） （fgColor * alpha） + （int） （bgColor） * （256 - alpha）） 》》 8;

實(shí)現(xiàn)RGB565顏色格式像素的透明度混合代碼：

1typedef struct{ 2 uint16_t r:5;

3 uint16_t g:6;

4 uint16_t b:5;

5}RGB565Struct;

6 7static inline uint16_t AlphaBlend_RGB565_8BPP（uint16_t fg， uint16_t bg， uint8_t alpha） {

8 RGB565Struct *fgColor = （RGB565Struct*） （&fg）;

9 RGB565Struct *bgColor = （RGB565Struct*） （&bg）;

10 RGB565Struct outColor;

1112 outColor.r = （（int） （fgColor-》r * alpha） + （int） （bgColor-》r） * （256 - alpha）） 》》 8;

13 outColor.g = （（int） （fgColor-》g * alpha） + （int） （bgColor-》g） * （256 - alpha）） 》》 8;

14 outColor.b = （（int） （fgColor-》b * alpha） + （int） （bgColor-》b） * （256 - alpha）） 》》 8;

151617 return *（（uint16_t*）&outColor）;

18}

了解了透明度混合的概念，也實(shí)現(xiàn)了單個(gè)像素的透明度混合后，我們來(lái)看如何實(shí)現(xiàn)圖片的漸變切換。

假設(shè)整個(gè)漸變?cè)?0幀內(nèi)完成，我們需要在內(nèi)存中開辟一塊兒大小等于圖片的緩沖區(qū)。然后我們以第一張圖片（當(dāng)前顯示的圖片）為背景，第二張圖片（接下來(lái)顯示的圖片）為前景，然后為前景設(shè)置一個(gè)透明度，對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行透明度混合，并且將混合結(jié)果暫存至緩沖區(qū)中。待混合結(jié)束后，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到framebuffer中即完成了一幀的顯示。接下來(lái)繼續(xù)進(jìn)行第二幀、第三幀……逐漸增大前景的不透明度，直到前景色的變?yōu)椴煌该?，即完成了圖片的漸變切換。

因?yàn)槊恳粠夹枰獙?duì)兩張圖片中的每一個(gè)像素都進(jìn)行混合運(yùn)算，這帶了來(lái)巨大的運(yùn)算量。交給CPU實(shí)現(xiàn)是很不明智的行為，所以我們還是把這些工作交給DMA2D來(lái)實(shí)現(xiàn)吧。

這次用到了DMA2D的混合功能，所以我們要使能DAM2D的帶顏色混合的存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器模式，對(duì)應(yīng)CR寄存器［17:16］位的值為10，即：

1DMA2D-》CR = 0x00020000UL; // 設(shè)置工作模式為存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器并帶顏色混合

然后分別設(shè)置前景、背景和輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址和數(shù)據(jù)傳輸偏移、傳輸圖像的寬和高：

1DMA2D-》FGMAR = （uint32_t）pFg; // 設(shè)置前景數(shù)據(jù)內(nèi)存地址2DMA2D-》BGMAR = （uint32_t）pBg; // 設(shè)置背景數(shù)據(jù)內(nèi)存地址3DMA2D-》OMAR = （uint32_t）pDst; // 設(shè)置數(shù)據(jù)輸出內(nèi)存地址45DMA2D-》FGOR = offlineFg; // 設(shè)置前景數(shù)據(jù)傳輸偏移6DMA2D-》BGOR = offlineBg; // 設(shè)置背景數(shù)據(jù)傳輸偏移7DMA2D-》OOR = offlineDist; // 設(shè)置數(shù)據(jù)輸出傳輸偏移89DMA2D-》NLR = （uint32_t）（xSize 《《 16） | （uint16_t）ySize; // 設(shè)置圖像數(shù)據(jù)寬高（像素）

設(shè)置顏色格式。這里設(shè)置前景色的顏色格式時(shí)需要注意，因?yàn)槿绻褂玫氖茿RGB這樣的顏色格式，那么我們進(jìn)行透明度混合時(shí)，顏色數(shù)據(jù)中本身的alpha通道就會(huì)對(duì)混合結(jié)果產(chǎn)生影響，所以我們這里要設(shè)定在進(jìn)行混合操作時(shí)，忽略前景色自身的alpha通道。并強(qiáng)制設(shè)定混合時(shí)的透明度。

輸出顏色格式和背景顏色格式

1DMA2D-》FGPFCCR = pixelFormat // 設(shè)置前景色顏色格式2 | （1UL 《《 16） // 忽略前景顏色數(shù)據(jù)中的Alpha通道3 | （（uint32_t）opa 《《 24）; // 設(shè)置前景色不透明度45DMA2D-》BGPFCCR = pixelFormat; // 設(shè)置背景顏色格式6DMA2D-》OPFCCR = pixelFormat; // 設(shè)置輸出顏色格式

tips0：有時(shí)我們會(huì)遇到一張帶有透明通道的圖片與背景疊加顯示的情況，此時(shí)就不應(yīng)該禁用顏色本身的alpha通道

tips1：這個(gè)模式下，我們不僅可以進(jìn)行顏色混合，還可以同時(shí)轉(zhuǎn)換顏色格式，可以根據(jù)需要設(shè)置前景和背景以及輸出的顏色格式

最后，啟動(dòng)傳輸即可：

1/* 啟動(dòng)傳輸 */2DMA2D-》CR |= DMA2D_CR_START;

34/* 等待DMA2D傳輸完成 */5while （DMA2D-》CR & DMA2D_CR_START） {}

完整代碼如下：

1void _DMA2D_MixColors（void* pFg， void* pBg， void* pDst，

2 uint32_t offlineFg， uint32_t offlineBg， uint32_t offlineDist，

3 uint16_t xSize， uint16_t ySize，

4 uint32_t pixelFormat， uint8_t opa） {

5 6 DMA2D-》CR = 0x00020000UL; // 設(shè)置工作模式為存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器并帶顏色混合 7 8 DMA2D-》FGMAR = （uint32_t）pFg; // 設(shè)置前景數(shù)據(jù)內(nèi)存地址 9 DMA2D-》BGMAR = （uint32_t）pBg; // 設(shè)置背景數(shù)據(jù)內(nèi)存地址10 DMA2D-》OMAR = （uint32_t）pDst; // 設(shè)置數(shù)據(jù)輸出內(nèi)存地址1112 DMA2D-》FGOR = offlineFg; // 設(shè)置前景數(shù)據(jù)傳輸偏移13 DMA2D-》BGOR = offlineBg; // 設(shè)置背景數(shù)據(jù)傳輸偏移14 DMA2D-》OOR = offlineDist; // 設(shè)置數(shù)據(jù)輸出傳輸偏移1516 DMA2D-》NLR = （uint32_t）（xSize 《《 16） | （uint16_t）ySize; // 設(shè)置圖像數(shù)據(jù)寬高（像素）1718 DMA2D-》FGPFCCR = pixelFormat // 設(shè)置前景色顏色格式19 | （1UL 《《 16） // 忽略前景顏色數(shù)據(jù)中的Alpha通道20 | （（uint32_t）opa 《《 24）; // 設(shè)置前景色不透明度2122 DMA2D-》BGPFCCR = pixelFormat; // 設(shè)置背景顏色格式23 DMA2D-》OPFCCR = pixelFormat; // 設(shè)置輸出顏色格式2425 /* 啟動(dòng)傳輸 */26 DMA2D-》CR |= DMA2D_CR_START;

2728 /* 等待DMA2D傳輸完成 */29 while （DMA2D-》CR & DMA2D_CR_START） {}

30}

編寫測(cè)試代碼，這次不需要二次包裝函數(shù)了：

1void DMA2D_AlphaBlendDemo（）{

2 3 const uint16_t lcdXSize = 320， lcdYSize = 240;

4 const uint8_t cnvFrames = 60; // 60幀完成切換 5 const uint32_t interval = 33; // 每秒30幀 6 uint32_t time = 0;

7 8 // 計(jì)算輸出位置的內(nèi)存地址 9 uint16_t distX = （lcdXSize - DEMO_IMG_WIDTH） / 2;

10 uint16_t distY = （lcdYSize - DEMO_IMG_HEIGHT） / 2;

11 uint16_t* pFb = （uint16_t*） framebuffer;

12 uint16_t* pDist = pFb + distX + distY * lcdYSize;

13 uint16_t offlineDist = lcdXSize - DEMO_IMG_WIDTH;

1415 uint8_t nextImg = 1;

16 uint16_t opa = 0;

17 void* pFg = 0;

18 void* pBg = 0;

19 while（1）{

20 // 切換前景/背景圖片21 if（nextImg）{

22 pFg = （void*）img_cat;

23 pBg = （void*）img_fox;

24 }

25 else{

26 pFg = （void*）img_fox;

27 pBg = （void*）img_cat;

28 }

2930 // 完成切換31 for（int i = 0; i 《 cnvFrames; i++）{

32 time = HAL_GetTick（）;

33 opa = 255 * i / （cnvFrames-1）;

34 _DMA2D_MixColors（pFg， pBg， pDist，

35 0，0，offlineDist，

36 DEMO_IMG_WIDTH， DEMO_IMG_HEIGHT，

37 LTDC_PIXEL_FORMAT_RGB565， opa）;

38 time = HAL_GetTick（） - time;

39 if（time 《 interval）{

40 HAL_Delay（interval - time）;

41 }

42 }

43 nextImg = ！nextImg;

44 HAL_Delay（5000）;

45 }

46}

性能對(duì)比

前面介紹了三種嵌入式圖形開發(fā)種的實(shí)例，并對(duì)分別介紹了通過(guò)傳統(tǒng)和DMA2D實(shí)現(xiàn)的方法。這時(shí)候肯定有朋友會(huì)問(wèn)，DMA2D實(shí)現(xiàn)，比起傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)，到底能快多少呢？我們來(lái)實(shí)際測(cè)試一下。

共同的測(cè)試條件如下：

framebuffer放置在SDRAM中，320x240，RGB565

SDRAM工作頻率100MHz，CL2，16位帶寬。

MCU為STM32H750XB，主頻400MHz，開啟I-Cache和D-Cache

代碼和資源在內(nèi)部Flash上，64位AXI總線，速度為200MHz。

GCC編譯器（版本：arm-atollic-eabi-gcc-6.3.1）

測(cè)試項(xiàng)目：矩形填充

繪制上一章第1節(jié)中的圖表，繪制10000次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果

測(cè)試項(xiàng)目：內(nèi)存復(fù)制

繪制上一章第2節(jié)中的序列幀10000幀，統(tǒng)計(jì)結(jié)果

測(cè)試項(xiàng)目：透明度混合

漸變切換上一章第3小節(jié)中的兩張圖片100次，每次30幀完成，共計(jì)3000幀

混合結(jié)果直接輸出到framebuffer，不再通過(guò)緩沖區(qū)緩沖

性能測(cè)試總結(jié)

由上面的測(cè)試結(jié)果可以看出，DAM2D至少有2個(gè)優(yōu)勢(shì)：

一是速度更快：在部分項(xiàng)目中，DMA2D實(shí)現(xiàn)的速度相比純軟件實(shí)現(xiàn)最高可以達(dá)到30倍的差距！這還是在主頻高達(dá)400MHz還帶L1-Cache的STM32H750平臺(tái)上測(cè)試的結(jié)果，如果是在無(wú)cache且主頻較低的STM32F4平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，差距會(huì)進(jìn)一步拉大。

二是性能更加穩(wěn)定：由測(cè)試結(jié)果可以看出，DMA2D實(shí)現(xiàn)的方式受編譯器優(yōu)化等級(jí)的影響非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，這意味著，無(wú)論你使用IAR，GCC或是MDK，使用DMA2D都可以達(dá)到相同的性能表現(xiàn)。不會(huì)出現(xiàn)同一段代碼移植后性能相差很大的情況。

除這兩個(gè)直觀的結(jié)果外，其實(shí)還有第三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，那就是代碼編寫更加簡(jiǎn)單。DMA2D的寄存器不多，而且比較直觀。在某些場(chǎng)合，使用起來(lái)要比軟件實(shí)現(xiàn)方便的多。

結(jié)語(yǔ)

本文中的三個(gè)實(shí)例，都是我本人在嵌入式圖形開發(fā)中經(jīng)常遇到的情況。實(shí)際上，DMA2D的用法還有很多，有興趣的話可以參考《STM32H743中文編程手冊(cè)》中的相關(guān)內(nèi)容，相信有了本文的基礎(chǔ)，在閱讀里面的內(nèi)容時(shí)一定會(huì)事半功倍。

受限于作者的技術(shù)，文章中的內(nèi)容無(wú)法做到100%的正確，如果存在錯(cuò)誤，請(qǐng)大家指出，謝謝。

編輯：jq