在i.MXRT10XX平台上部署Arm-2D

一、引言

众所周知，i.MX RT系列是MCU中的性能强者，超高的主频、丰富的外设以及足够大的存储使其能轻松应用于各类领域。其中，在图像视频方面，i.MX RT1050及以上系列，集成了PXP图形加速器，可用于对LCD显示之前的图像进行处理。

i.MX RT1170更是集成了支持OpenVG的GPU2D模块，可用于矢量绘图等操作，还集成了两类LCD控制器eLCDIF和LCDIFv2，并且在物理接口方面增加了MIPI DSI的支持。

不过强大的硬件支持不是今天文章的重点，今天来玩点“软”的。

去年，Arm在其Github上发布了一个针对全体Cortex-M处理器的2D图形加速库——Arm-2D（暂定名）。在其Github仓库的文档中可以看出，Arm-2D致力于打造一层抽象层，为芯片供应厂商提供的硬件以及GUI厂商提供的图形图形库之间的接口设立一层驱动标准。并且Arm-2D也提供了一系列的2D图形加速API。

本文以移植Arm-2D到i.MX RT1050-EVKB并绘制一些图形界面为例，动手部署。

二、准备工作

1. 工程下载

首先，我们需要获取Arm-2D库，打开其官方github仓库：https://github.com/ARM-software/EndpointAI，可以看到有四个branch可以选择，此处选择developing分支（用于开发的分支，更新相对频繁）。

下载到本地后，将Arm-2D目录（EndpointAI-main-arm-2d-developing\Kernels\Research\Arm-2D）拷贝到我们的目标工程目录下，这里我们选择i.MX RT1050的SDK中elcdif_rgb工程，以IAR工程为例。打开IAR工程，将”Arm-2D”下的”Helper”和”Library”全部文件添加到工程中。

2. 环境配置

将”Arm-2D/Library/Include”和”Arm-2D/Helper/Include”添加到Include搜索路径列表里，接着开始配置工程所需的选项。

在Arm-2D的官方介绍中，我们知道其依赖于CMSIS，并且需要CMSIS 5.7.0及以上的版本。

打开IAR的安装位置，转到arm\CMSIS位置下，点开readme_patch.txt查看是否是5.7.0及以上版本。若你的CMSIS版本为5.7.0以下，请下载新版本，以替换原CMSIS文件。

确定了足够高的版本后，在工程配置中的”General Options-Library Configuration”中勾选上”USECMSIS”和”DSP Library”。

3.关键函数

Arm-2D只负责软件层面的图形操作，而硬件部分则需要我们自己实现，所以此处我们选用SDK中，已经实现好LCD初始化的elcdif_rgb工程进行部署。

我们所需要做的是，提供一个向LCD指定区域传送位图的函数。而i.MX RT1050自带LCD控制器，则更方便实现所需的操作。

所需传送位图的函数如下：

/* i.MX RT1050-EVK */
#define GLCD_WIDTH     480
#define GLCD_HEIGHT    272

#define LCD_BASE_ADDR   0x81E00000  //m_ncache_start 
#define frame_buf         ((volatile uint16_t *)LCD_BASE_ADDR)

int32_t GLCD_DrawBitmap (uint32_t x, uint32_t y, uint32_t width, uint32_t height, const uint8_t *bitmap)
{
    volatile uint16_t *phwDes = frame_buf + y * GLCD_WIDTH + x;
    const uint16_t *phwSrc = (const uint16_t *)bitmap;
    for (int_fast16_t i = 0; i < height; i++) {
        memcpy ((uint16_t *)phwDes, phwSrc, width * 2);
        phwSrc += width;
        phwDes += GLCD_WIDTH;
    }
    return 0;    
}

以上可以直接用存储器读写操作将需要传送的位图传到LCD指定位置，其中显示缓存的基地址是linker文件中的m_ncache_start。

参数 ‘x’和’y’描述需要在LCD中显示的起始位置；参数’width’和’height’描述所传位图的尺寸；而参数’bitmap’则代表位图数据。

三、图形绘制

1. 画第一个方块

接下来尝试利用Arm-2D进行图形绘制了。

首先，原工程中保留硬件配置以及外设初始化的部分，将frameBuffer的操作去除。

接着，在需要用到Arm-2D的地方包含头文件”arm_2d.h”，并在主函数中进行初始化，调用”arm_2d_init();”。此处，我们需要用到Arm-2D的PFB(partial framebuffer)，在需要用到PFB Helper的地方包含”arm-2d_helper.h”，建立一个PFB对象并利用其进行我们所需图像的构建。

以下为PFB的初始化代码：

static arm_2d_helper_pfb_t s_tExamplePFB;

    //! initialise FPB helper
    if (ARM_2D_HELPER_PFB_INIT( 
            &s_tExamplePFB,                 //!< FPB Helper object
            APP_IMG_WIDTH,                //!< screen width
            APP_IMG_HEIGHT,                //!< screen height
            uint16_t,                        //!< color date type
            PFB_BLOCK_WIDTH,               //!< PFB block width
            PFB_BLOCK_HEIGHT,              //!< PFB block height
            1,                              //!< number of PFB in the PFB pool
            {
                .evtOnLowLevelRendering = {
                    //! callback for low level rendering 
                    .fnHandler = &__pfb_render_handler,                         
                },
                .evtOnDrawing = {
                    //! callback for drawing GUI 
                    .fnHandler = &__pfb_draw_handler, 
                },
            }
        ) < 0) {
        //! error detected
        assert(false);
    }

在此函数中，可以设置在屏中显示的大小、像素的数据类型、PFB的规格以及PFB的数量，并设置底层渲染函数” __pfb_render_handler”以及图形绘制函数” __pfb_draw_handler”。

底层渲染函数” pfb_render_handler”用来将PFB中处理好的图像数据渲染到屏幕的指定位置进行显示：

static IMPL_PFB_ON_LOW_LV_RENDERING(__pfb_render_handler)
{
    const arm_2d_tile_t *ptTile = &(ptPFB->tTile);

    ARM_2D_UNUSED(pTarget);
    ARM_2D_UNUSED(bIsNewFrame);

    GLCD_DrawBitmap(ptTile->tRegion.tLocation.iX,
                    ptTile->tRegion.tLocation.iY,
                    ptTile->tRegion.tSize.iWidth,
                    ptTile->tRegion.tSize.iHeight,
                    ptTile->pchBuffer);

    arm_2d_helper_pfb_report_rendering_complete(&s_tExamplePFB, 
                                                (arm_2d_pfb_t *)ptPFB);
}

而图形绘制函数”__pfb_draw_handler”则是利用Arm-2D库里的各类API进行图形的绘制。下面就在此函数中简单绘制一个图形以演示：

static IMPL_PFB_ON_DRAW(__pfb_draw_handler)
{
    ARM_2D_UNUSED(pTarget);
    ARM_2D_UNUSED(bIsNewFrame);

    arm_2d_region_t tBox = {
        .tLocation = {50,50},    //设定目标坐标
        .tSize = {200, 100},     //设定目标大小
    };
    //! 利用此函数向整个PFB填充白色
    arm_2d_rgb16_fill_colour(ptTile, NULL, 0xFFFF);
    //! 向指定box区域填充黑色
    arm_2d_rgb16_fill_colour(ptTile, &tBox, 0x0000);
    //! 更改box的坐标，大小不变
    tBox.tLocation.iX -= 10;
    tBox.tLocation.iY -= 10;
    //! 向修改后的box指定区域填充蓝色，并且使用 50%(128/255)的透明效果
    arm_2d_rgb565_fill_colour_with_alpha(   
        ptTile, 
        &tBox, 
        (arm_2d_color_rgb565_t){0x001F},     //填充蓝色
        128);      //!< 透明度

    return arm_fsm_rt_cpl;
}

以上就绘制了如下图的一个简单图标：

这里是利用”arm_2d_rgb16_fill_colour”和” arm_2d_rgb565_fill_colour_with_alpha”两个API进行矩形的绘制，可以看出这是16位RGB格式的色彩填充，当然库中也提供了32位RGB格式以及8位图的绘制函数；库中还提供”arm_2dp_rgb16_draw_point”的画点函数和”arm_2dp_rgb16_draw_pattern”的画图函数。当然，想做一个图形驱动标准，肯定不止有draw这么基础的能力，Alpha blending,Rotation等一系列图形处理的功能都需要支持。

2. 做一个表盘界面

现在，将各项功能综合运用起来，做一个图形界面试试。

首先，掏出我们“祖传”LOGO，将其转化为特定格式的数组，用的是Arm-2D库中提供的工具，具体位置为”EndpointAI\Kernels\Research\Arm-2D\tools”，用法也在其中，考虑到1050-EVK所用的屏幕为480*272，此处将logo图压缩成512*280（比屏幕大，可做出背景移动的效果）：”python img2c.py -i .\logo.jpg --dim 512 280 --name logo”。

将生成的logo.c文件放到工程中。

除了背景，其余的表盘以及指针等图像文件我们就用Arm-2D提供的例程里的。

在工程栏中新建”asset”分组，将” ..\Arm-2D\examples\common\asset”中除了”background.c”之外的c文件都选进去，并将之前生成的”logo.c”文件也加入其中，以logo图作为本次的背景。这一步是将所需的贴图都加进去。

接着，按照”watch_panel”的工程布局将需要的文件添加：”example_gui.c”和”example_gui.h”，并且依据工程修改主函数、补齐相关的配置。

1. 程序运行时，先进行相关的硬件配置及初始化操作，再进行Arm-2D的初始化” arm_2d_init()”，到这里都和上一节画一个矩形是一样的；
2. 接着，我们需要对绘制界面中刷新层进行初始化“example_gui_init()”，函数定义在“example_gui.c”中；
3. 进行PFB的配置，与上节不同的是，将” pfb_draw_handler”改成“pfb_draw_background_handler”，而” pfb_draw_handler”需要留到后面进行图形绘制用；
4. 在PFB配置完成后，调用PFB任务“arm_2d_helper_pfb_task(&s_tExamplePFB,NULL)”，其中第二个参数为所需刷新的脏矩阵（DirtyRegions）区域，“NULL”则表示需要全屏刷新；
5. 调用图形绘制函数“ARM_2D_HELPER_PFB_UPDATE_ON_DRAW_HANDLER( &s_tExamplePFB, &__pfb_draw_handler);”，其中绘制的部分都在“draw_handler”中的” example_gui_refresh”函数中，对之前添加进工程的贴图进行各种操作就在这里进行，具体可见“example_gui.c”；
6. 最后，通过“while(1)”使程序运行在“display_task”中，对显示屏指定区域的刷新、图像的一些更新都在此实现。

经过以上的一通操作之后，效果如下动图所示：

从上可以看出，此工程中用了bit blit, alpha blending, rotation等效果：

1. logo滚动背景利用一定范围内不断变换坐标的贴图来实现；
2. 表盘利用”arm_2d_rgb565_alpha_blending_with_colour_masking”确定指定的透明度颜色蒙版来实现；
3. 两个旋转齿轮以及一根旋转表针，通过” arm_2dp_rgb565_tile_rotation_with_alpha”区分透明度以及确定旋转中心来分别实现。

四、总结

至此，基本的Arm-2D图形绘制功能在i.MX RT1050-EVK上的实现就介绍完了。

本文只是简单移植一个包含Arm-2D绘图库实现某些动画效果的例子，已经可以看到其多样的功能，至于更多的一些效果，留给我们的想象空间还很足......

本文只是开篇，后续，还会有对于Arm-2D在i.MX RT上更多的应用介绍。