基于NXP iMX8MP处理器M7核心LVGL移植
- 关键词：FreeRTOS,Toradex,Verdin
- 作者：By Toradex胡珊逢
- 摘要：LVGL (Light and Versatile Graphics Library)是一个轻量级的开源图形库，采用 C 或者 MicroPython 语言开发。可以在资源有限的 MCU 上轻松地绘制图形界面。Verdin iMX8M Plus 模块的处理器除了 Cortex-A53 核心外，还具有一个 Cortex-M7 核心，其可以运行诸如 FreeRTOS 的实时操作系统。本文接下来就将介绍如何移植 LVGL 到 Verdin iMX8M Plus 的Cortex-M7 核上。
LVGL (Light and Versatile Graphics Library)是一个轻量级的开源图形库，采用 C 或者 MicroPython 语言开发。可以在资源有限的 MCU 上轻松地绘制图形界面。Verdin iMX8M Plus 模块的处理器除了 Cortex-A53 核心外，还具有一个 Cortex-M7 核心，其可以运行诸如 FreeRTOS 的实时操作系统。本文接下来就将介绍如何移植 LVGL 到 Verdin iMX8M Plus 的Cortex-M7 核上。
本次演示采用一块 SPI 接口的 LCD ，屏幕控制器为 ILI9341。除了 VCC 、GND 和背光外，和 Verdin iMX8M Plus 连接的引脚主要有下面四个。
ILI9341 | Verdin iMX8M Plus | ||
CS | SPI 片选 | ECSPI1_SS0 | SODIMM202 |
RESET | 复位 | GPIO1_IO001 | SODIMM208 |
DC | 命令/数据 | GPIO1_IO00 | SODIMM206 |
MOSI | SPI MOSI | ECSPI1_MOSI | SODIMM200 |
SCK | SPI 时钟 | ECSPI1_SCLK | SODIMM196 |
表一：Verdin iMX8M Plus 连接 ILI9341
注意 Verdin iMX8M Plus 的 SoC 使用 1.8V IO，在连接 SPI LCD 时需要使用 3.3V – 1.8V 电压转换电路。
LVGL 库分为两部分。第一部分是图形实现，包括绘制各类形状、色彩管理、动画事件、定时器等，第二部分是硬件驱动实现 lvgl_drivers。LVGL 将每一帧绘制好的图片数据保存在 RAM 中，lvgl_drivers 负责将数据传输到外部显示设备。 lvgl_drivers 支持多种显示器，如 TFT、电子墨水屏、OLED 等。这里是 lvgl_drivers 支持的常见显示控制器。LVGL 移植时通常只需要修改 lvgl_drivers。例如在本次演示使用了 SPI 接口的显示屏。Verdin iMX8M Plus 可以提供连接显示屏所需的 SPI Master 功能。移植任务主要是适配 lvgl_drivers 中 ILI9341 的 SPI 数据传输以及 LVGL 图形库的几个重要定时任务。
首先安装 iMX8M Plus M7 开发所需的 SDK，如 SDK_2_12_1_MIMX8ML8xxxKZ。将该工程下载到 SDK 安装目录的 SDK_2_12_1_MIMX8ML8xxxKZ/boards/evkmimx8mp/rtos_examples/freertos_ecspi/ 位置。这个工程已经包含了下面提到的修改内容。
在工程目录的 armgcc/CmakeLists.txt 添加 lvgl 和 lvgl_drivers。这里指定 v8.3.7，其他的版本可能发生 API 变更，需要做对应的修改。设置 lvgl 和 lvgl_drivers 的 github 下载源。
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# Fetch LVGL from GitHub
FetchContent_Declare(lvgl GIT_REPOSITORY https://github.com/lvgl/lvgl.git GIT_TAG v8.3.7)
FetchContent_MakeAvailable(lvgl)
FetchContent_Declare(lv_drivers
GIT_REPOSITORY https://github.com/lvgl/lv_drivers GIT_TAG v8.3.0)
FetchContent_MakeAvailable(lv_drivers)
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将 lvgl::lvgl 和 lvgl::drivers 编译到工程中。
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target_link_libraries(${MCUX_SDK_PROJECT_NAME} PRIVATE lvgl::lvgl lvgl::drivers)
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在 add_executable(${MCUX_SDK_PROJECT_NAME} 添加下面两个头文件。
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"${ProjDirPath}/../lv_drv_conf.h"
"${ProjDirPath}/../lv_conf.h"
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设置变量 LV_CONF_PATH，这是 lvgl 的配置文件 lv_conf.h，里面包含屏幕分辨率和 lvgl 图形库参数。
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# Specify path to own LVGL config header
set(LV_CONF_PATH
${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/../lv_conf.h
CACHE STRING "" FORCE)
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FETCHCONTENT_UPDATES_DISCONNECTED 允许每次编译的时候不必重新下载 lvgl 代码。
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SET(FETCHCONTENT_UPDATES_DISCONNECTED ON)
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在工程目录下的 lv_conf.h 设置SPI TFT 屏幕分辨率240*320。
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#define LV_HOR_RES_MAX 240
#define LV_VER_RES_MAX 320
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在工程目录下的 lv_drv_conf.h 设置 LVGL 硬件驱动相关参数。
LV_DRV_DELAY_US() 和 LV_DRV_DELAY_MS() 需要在自己的代码中实现（位于freertos_ecspi_loopback.c）。
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/*********************
* DELAY INTERFACE
*********************/
#define LV_DRV_DELAY_INCLUDE
#define LV_DRV_DELAY_US(us) LVGL_DELAY_MS((1)) /*Delay the given number of microseconds*/
#define LV_DRV_DELAY_MS(ms) LVGL_DELAY_MS((ms)) /*Delay the given number of milliseconds*/
---------------------------------------
延时函数在每个平台上的实现方法都不同，有的可以使用 while() 或 for() 循环，在运行操作系统的平台上可以利用系统提供的 API，例如 Verdin iMX8M Plus M7 的 FreeRTOS 中使用 vTaskDelay()。
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void LVGL_DELAY_MS(uint8_t ms)
{
vTaskDelay( ms / portTICK_PERIOD_MS );
}
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SPI TFT LCD 采用了 ILI9341 控制器，因此设置 USE_ILI9341 宏定义，以及分辨率参数。
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#ifndef USE_ILI9341
# define USE_ILI9341 1
#endif
# define LV_HOR_RES 240
# define LV_VER_RES 320
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除了上面的延时函数外，用于控制 ILI9341 数据/命令引脚 的 LV_DRV_DISP_CMD_DATA() 、复位ILI9341 的 LV_DRV_DISP_RST() 和 SPI 传输一个字节、多个字节的函数spi_transaction_one_byte()，spi_transaction_array ()也需要自己实现。在 lv_drv_conf.h 里定义 lv_diplay_cmd_data() 和 lv_diplay_reset()。
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#define LV_DRV_DISP_INCLUDE
#define LV_DRV_DISP_CMD_DATA(val) lv_diplay_cmd_data((val)) /*Set the command/data pin to 'val'*/
#define LV_DRV_DISP_RST(val) lv_diplay_reset((val)) /*Set the reset pin to 'val'*/
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由于 iMX8M Plus 的 SPI 在收发时会自动控制 CS 引脚，因此 LV_DRV_DISP_SPI_CS(val) 可以设置为空函数。
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#define LV_DRV_DISP_SPI_CS(val) /*spi_cs_set(val)*/ /*Set the SPI's Chip select to 'val'*/
#define LV_DRV_DISP_SPI_WR_BYTE(data) spi_transaction_one_byte((data))/*spi_wr(data)*/ /*Write a byte the SPI bus*/
#define LV_DRV_DISP_SPI_WR_ARRAY(adr, n) spi_transaction_array((adr), (n))/*spi_wr_mem(adr, n)*/ /*Write 'n' bytes to SPI bus from 'adr'*/
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在 freertos_ecspi_loopback.c 中实现 lv_diplay_cmd_data() ，lv_diplay_reset()，spi_transaction_one_byte()，spi_transaction_array()。
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void lv_diplay_cmd_data(uint8_t val)
{
GPIO_PinWrite(GPIO_PAD, LCD_CMD_DATA, val);
}
void lv_diplay_reset(uint8_t val)
{
GPIO_PinWrite(GPIO_PAD, LCD_RESET, val);
}
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LCD_CMD_DATA 和 LCD_RESET 分别定义如下，用于控制ILI9341 的 命令/数据和复位引脚。
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#define GPIO_PAD GPIO1
#define LCD_CMD_DATA 0U
#define LCD_RESET 1U
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SPI 数据传输采用列队形式发送。spi_transaction_one_byte() 和spi_transaction_array() 均采用 xQueueSend() 将需要发送的数据加入到 spi_queue 列队中，该列队长度为 128 字节。然后运行一个高优先级的任务 ecspi_task() 将数据从列队中通过 ECSPI_RTOS_Transfer() 发送到 ILI9341 控制器。由于发送数据的任务优先级高于写入列队的，所以spi_queue 列队中保存的数据会被很快发送出去。
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void spi_transaction_one_byte(uint8_t data)
{
BaseType_t xStatus;
uint32_t data_to_queue;
data_to_queue = (uint32_t)data;
xStatus = xQueueSend(spi_queue, &data_to_queue, portMAX_DELAY);
if( xStatus != pdPASS )
{
PRINTF( "Could not send to the queue.\r\n" );
}
}
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本演示中，采用不同优先级的任务来实现相应的工作。优先级数字越大便是优先级越高。为了保证 SPI 及时发送到 ILI9341，将其设置为最高优先级。
任务函数 | 优先级 | 功能描述 |
draw_lvgl_ui | 2 | LVGL UI |
lv_task_hander_task | 1 | 调用 lv_task_handler |
init_task | 3 | SPI、lv_init, hal_init 初始化 |
ecspi_task | 4 | 发送 SPI 数据到ILI9341 |
vApplicationTickHook | executed every tick | 调用 lv_tick_inc |
表二：FreeRTOS 任务描述
draw_lvgl_ui() 中绘制需要显示的 LVGL UI 内容，本演示中将显示一个动态伸缩变化的彩色柱。
lv_task_hander_task() 将每隔 5ms 调用 lv_task_handler()，该函数会每 5ms 处理 lvgl 相关任务。
init_task() 中完成 SPI、ILI9341 的初始化，以及 LVGL 图形库的相关初始化。为了防止在初始化完成前调用 lv_task_handler 和 UI 绘制，该任务运行时使用 vTaskSuspend 暂时停止 draw_lvgl_ui 和 lv_task_hander_task 两个任务。但 ecspi_task 继续运行。
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void init_task(void *pvParameters)
{
vTaskSuspend(xUITaskHandle); //suspend ui task untill init task finisded.
vTaskSuspend(xLVTaskHandle);
spi_init();
ili9341_init();
lv_init();
hal_init();
PRINTF("Init finised. resume xUI and XLV tasks\r\n");
vTaskResume(xUITaskHandle);
vTaskResume(xLVTaskHandle);
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vApplicationTickHook 并不是一个单独的 FreeRTOS 任务，而是在每个 tick 都会被执行。因此，lv_tick_inc 将在每 2ms 运行。该函数向 LVGL 动画和其他任务提供已经运行的时间信息，需要保证其运行的准确性和粒度。
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void vApplicationTickHook(void)
{
static uint32_t ulCount = 0;
ulCount++;
if (ulCount >= 2UL)
{
lv_tick_inc(2); //calling every 2 milliseconds.
ulCount = 0UL;
}
}
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修改 FreeRTOSConfig.h 中的下面参数，实现每个 TICK 为 1ms，以及启用上面提到的 TICK_HOOK。
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#define configTICK_RATE_HZ ((TickType_t)1000)
#define configUSE_TICK_HOOK 1
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由于 LVGL 运行需要较大的 RAM 空间，因此该演示的 M7 固件会被加载到 DDR RAM 上运行。在编译的时候使用 build_ddr_release.sh 脚本。
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export ARMGCC_DIR=/opt/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10
cd armgcc
./build_ddr_release.sh
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在 U-Boot 里面设置 m7bootddr 参数，将上面编译好的 M7 固件加载到地址为 0x80000000 的 DDR RAM 中。
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Verdin iMX8MP # print m7bootddr
m7bootddr=tftp 0x80000000 m7.bin; dcache flush; bootaux 0x80000000
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启动时在 U-Boot 中运行下面命令。
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run m7bootddr
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运行效果如下。
总结
本文介绍为 Verdin iMX8M Plus M7 移植 LVGL 的步骤和创建对应 FreeRTOS 任务。在项目中需要为实际使用的外设和业务设置合适的任务优先级，保证图形流畅显示以及数据及时处理。在 device tree 也需要把 M7 所使用的外设禁用，避免和 Linux 系统的冲突。