STM32 的图形加速器 DMA2D

1. 背景

在实际使用 LTDC 控制器控制液晶屏时，配置好的显存地址写入要显示的像素数据，LTDC 就会把这些数据从显存中搬运到液晶面板进行显示。实际上要显示的数据量非常的大，我们常常以纯软件的方式填充显存（指定那个位置要显示什么颜色），这样非常影响绘图速度，因此我们希望能用 DMA 来操作，针对这个需求，STM32 专门定制了 DMA2D 外设，它可以用于快速绘制矩形、执行、分层数据混合、数据复制以及进行图像数据格式转换，可以把它理解为图形专用的 DMA。

2. DMA2D 工作模式

寄存器到存储器（此模式通常同于清屏，将寄存器中保存的颜色值搬运到显存中的某个位置，或者整个显存）
存储器到存储器（将内存中的数据搬到显存中）
存储器到存储区并执行像素格式转换
存储器到存储器并执行像素格式转换和混合

3. DMA2D 控制

通过对 DMA2D 控制器寄存（DMA2D_CR）配置 DMA2D 控制器，用户可以执行下列操作：

选择工作模式
使能/禁止 DMA2D 中断
启动/挂起/中止进行中的数据传输

4. DMA2D 前景层 FIFO 和背景层 FIFO

DMA2D 前景层(FG) FIFO 和背景（BG）FIFO 获取要处理的输入数据。这些 FIFO 根据相应像素格式转换器（PFC）中定义的颜色格式获取像素。通过如下一组寄存器对他们进行编程：

DMA2D 前景层存储地址寄存器（DMA2D_FGMAR 此寄存器存的是前景层数据地址）
DMA2D 前景层偏移寄存器（DMA2D_FGOR ）
DMA2D 背景层存储地址寄存器(DMA2D_BGMAR )
DMA2D 背景层偏移寄存器

DMA2D 在寄存器到存储器模式下工作时，不激活任何 FIFO。

DMA2D 在存储器到存储器模式下工作时（没有像素格式转换和混合操作时），仅激活FG FIFO，并将其作用为缓冲区。

DMA2D 在存储器到存储器模式下工作时并支持像素格式转换时（无混合操作），不会激活
BG FIFO。

5. DMA2D 工作原理

5.1 register to memory

说了那么多理论，我们看一下实际上 DMA2D 的优势到底在那里。当我们想要在 LCD 显示屏的中间画上几个矩形时，或者清屏时，都是使用的纯软件循环填充framnbuffer 的空间比如：

    for(y = y0; y <= y1; y++){for(x = x0; x <= x1; x++)framebuffer[y][x] = color; }

这样的代码非常耗时，根据两个坐标（x0,y0）,(x1,y1) 两个坐标，确定一个平面之后，两层循环填充 frambuffer。当我们清屏时，我们可能想到用 memset 函数去填充 frambuffer,当然这样是明智的选择，也是可行的。但是，如果不想清楚整块 frambuffer（操作 frambuffer 就相当于操作 LCD屏幕了）呢？memset 只适用于连续的地址空间。比如下面这种情况
我只想要蓝色这块区域填充成红色，就不能简单的使用 memset(frambuffer，0xf800, sizeof(frambuffer)) （像素格式RGB565）了吧。因为此块区域地址不连续，因此只能使用上述循环大法，确定左上角坐标，与右下角坐标，循环填充 frambuffer 中的这块地址。

让我们看看 DMA2D 是怎么干的。

首先我们给出这块地址的首地址，也就是红色方块的地址。由于地址不连续，只想画出蓝色区域，因此告诉 DMA2D 填充完成一行后，需要跨过多少个格子才开始画下一行（注意：一个格子对应一个像素点）。比如，蓝色的一行有6个格子，因此需要跨过18、19、20、21 这四个格子之后才开始继续填充。跨越的像素个数有一个简单的计算方式，即一行像素的总个数减去要这一行要显示的像素个数，对应上图为 10 — 6 = 4。

因此画出上面的区域我们可以这样配置 DMA2D:

由于仅仅只是矩形的填充，我们将 DMA2D 配置在寄存器到存储区模式下

DMA2D->CR   = (0x3UL << 16);

然后，告诉 DMA2D 要填充的frambuffer 地址和填充的矩形区域的宽高

DMA2D->OMAR = (uint32_t)(&frambuffer[x][y]);
DMA2D->NLR = (uint32_t)(width << 16) | (uint16_t)height;

紧接着告诉画一行要跳过多少像素，由输出偏移寄存器控制,用于确定下一行的起始地址

DMA2D->ORR = LCD_PIXEL_WIDTH - Width

然后告诉DMA2D 这块区域需要的颜色以及颜色格式

DMA2D->OCOLR = color
DMA2D->OPFCCR = 0x2;// RGB565

现在可以启动 DMA2D 传输了，只需要将 CR 寄存器的 bit0 置1即可，传输结束时，此位由硬件清0，因此，还可利用此位判断是否传输完成

DMA2D->CR |= 0x1;
while(DMA2D->CR & 0x1);//等待传输完成

将上面代码整理并封装成 api,，由于是最基本的填充函数，因此将会经常调用到，所以我们将设置为内联函数，减少函数调用的开销

static inline void dma2d_fill( void * fb, uint32_t width, uint32_t height, uint32_t lineoffect, uint32_t pixelformat,  uint32_t color) {/* DMA2D配置 */  DMA2D->CR      = 0x00030000UL;    // 配置为寄存器到储存器模式DMA2D->OCOLR   = color;        // 设置填充使用的颜色DMA2D->OMAR    = (uint32_t)fb; // 填充区域的起始内存地址DMA2D->OOR     = lineoffect;  // 行偏移，即跳过的像素(像素为单位)DMA2D->OPFCCR  = pixelformat;  // 设置颜色格式DMA2D->NLR     = (uint32_t)(width << 16) | (uint16_t)height;    // 设置填充区域的宽和高，单位是像素/* 启动传输 */DMA2D->CR   |= DMA2D_CR_START;   /* 等待DMA2D传输完成 */while (DMA2D->CR & DMA2D_CR_START) {}
}/* 填充颜色，此处我的 fb 是uint8类型的，由于采用 RGB565格式存储像素点，因此，一个像素占用两个字节，因此下面地址偏移乘了2* 也可强转位 uint16 然后就不用乘 2 了* w :待填充区域的宽度* h :待填充区域的高度
*/
void fill_rect(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t w, uint16_t h, uint16_t color){void* distfb = &framebuffer[2*(y*800 + x)];dma2d_fill(distfb, w, h, 800 - w, LTDC_PIXEL_FORMAT_RGB565, color);
}int dma2d_file_rect_test(void)
{fill_rect(0, 0, 800, 480, 0x0000);//清屏fill_rect(300, 80, 20, 280, 0x001f);fill_rect(340, 100, 20, 200, 0x001f);fill_rect(380, 40, 20, 260, 0x001f);fill_rect(420, 60, 20, 240, 0x001f);fill_rect(260, 300, 240, 1, 0x0000);return 0;
}
MSH_CMD_EXPORT(dma2d_file_rect_test,dma2d_file_rect_test);//导出到 shell 命令

运行结果如下：

5.2 memory to memory

DMA2D 还可以工作在 memory to memory 模式下，此模式可用于将图片数据搬运到 fb 中指定的地址中去，因此我们做如下配置

DMA2D->CR = (0 << 16);

然后我们得告诉我的图片放到了内存中的那里，以及要将图片搬到我的那里，因此做如下配置

DMA2D->BGMAR = (uint32_t)srcaddr;
DMA2D->OMAR    = (uint32_t)dstaddr; // 目标地址
DMA2D->FGOR    = offlinesrc;     // 源数据偏移（像素）
DMA2D->OOR     = offlinedst;     // 目标地址偏移（像素）
DMA2D->FGPFCCR = pixelformat;  //颜色格式
DMA2D->NLR     = (uint32_t)(width << 16) | (uint16_t)height;// 图片的宽高

将其封装成 API

static void dma2d_memcopy(uint32_t pixelformat, void * psrc, void * pdst, int width, int height, int offLinesrc, int offLinedst)
{DMA2D->CR      = 0x00000000UL;DMA2D->FGMAR   = (uint32_t)psrc;DMA2D->OMAR    = (uint32_t)pdst;DMA2D->FGOR    = offLinesrc;DMA2D->OOR     = offLinedst;DMA2D->FGPFCCR = pixelformat;DMA2D->NLR     = (uint32_t)(width << 16) | (uint16_t)height;DMA2D->CR   |= DMA2D_CR_START;while (DMA2D->CR & DMA2D_CR_START) {}
}
/** sky_animation_mask1 为原图片地址* _lcd.front_buf 为显存* 原图片地址不偏移* 目的地址偏移
*/
int dma2d_m2m(void)
{dma2d_memcopy(LTDC_PIXEL_FORMAT_RGB565,sky_animation_mask1,_lcd.front_buf,LOGO1_W,LOGO1_H,0,800-LOGO1_W);
}
MSH_CMD_EXPORT(dma2d_m2m,dma2d_m2m);

执行效果如下：

如果想移动图片的位置，可以操作 fb 地址，这里给的目的地址就是 fb 的首地址，也就是左上角。

5.3 memory to mrmory 图片混合

通过将两张图片混合，并且设置图片透明度，可以达到图片渐变的效果，因此需要将 DMA2D 设置在待混合的模式下

DMA2D->CR = (0x2 << 16);

然后设置背景、背景偏移、前景、前景偏移、目的地址

DMA2D->BGMAR = (uint32_t)bgaddr;//背景 src addr
DMA2D->BGOR  = offsetlineBg;// 背景偏移
DMA2D->FGMAR = (uint32_t)ggaddr;// 前景 src addr
DMA2D->FGOR  = offsetlinefg;// 前景偏移
DMA2D->OMAR = dstaddr;// 目的地址
DMA2D->OOR = offlinedist; // 输出偏移，行便宜将添加到行末尾，用于确认下一行的起始地址
DMA2D->NLR     = (uint32_t)(width << 16) | (uint16_t)height;

由于两幅图片需要混合，因此需要设置前景层图片透明度，这里我们需要设置FGPFCCR 寄存器

DMA2D->FGPFCCR = (opa << 24) | (1 << 16) | (pixelformat << 0)// 将第16位置1，强制图片透明度为opa
DMA2D->BGPFCCR = pixelformat; // 设置背景颜色格式
DMA2D->OPFCCR = pixelformat; // 设置输出颜色格式

将面的步骤整理成 api 如下：

void dma2d_mixcolorsbulk(void* pfg, void* pbg, void* pdst,uint32_t offlinefg, uint32_t offlinebg, uint32_t offlinedist,uint16_t width, uint16_t height,uint32_t pixelformat, uint8_t opa) { // opa 透明度DMA2D->CR    = 0x00020000UL;                DMA2D->FGMAR = (uint32_t)pfg;               DMA2D->BGMAR = (uint32_t)pbg;               DMA2D->OMAR  = (uint32_t)pdst;              DMA2D->FGOR  = offlinefg;                   DMA2D->BGOR  = offlinebg;                   DMA2D->OOR   = offlinedist;                 DMA2D->NLR = (uint32_t)(width << 16) | (uint16_t)height; DMA2D->FGPFCCR = pixelformat | (1UL << 16) | ((uint32_t)opa << 24);            DMA2D->BGPFCCR = pixelformat;               DMA2D->OPFCCR  = pixelformat;                DMA2D->CR   |= DMA2D_CR_START;while (DMA2D->CR & DMA2D_CR_START) {}
}int dma2d_test(void)
{ dma2d_mixcolorsbulk(sky_animation_mask,sky_animation_mask1,&_lcd.front_buf[_lcd.lcd_info.width*200+400],0,0,800-LOGO_W,LOGO1_W,LOGO1_H,LTDC_PIXEL_FORMAT_RGB565,128);
}
MSH_CMD_EXPORT(dma2d_test,dma2d_test);

效果如下: