By Toradex胡珊逢
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*/
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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
---------------------------------------
启动时在U-Boot中运行下面命令。
---------------------------------------
run m7bootddr
---------------------------------------
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。
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