NUC980 运行 RT-Thread 驱动 SPI 接口 OLED 播放 badapple

2024-02-27 18:02:03

badapple 是什么，上网随便查了下，没看出个究竟，不过有个关于这个挺火的标签或者主题《 有屏幕的地方就有 badapple 》，网上有很多人用很多方式播放 badapple 动画，有用单片机在 OLED、LCD、LED点阵播放，有在 PC 上用各种编程语言、以各种形式播放，还有在示波器上播放。我之前也玩过

我用到的 badapple 数据是从这里 OLED-STM32 找到的，在这里，badapple 动画数据被做成了一个二进制文件，因为是在一个 128 X64 的OLED上播放，badapple 数据被做成了一帧是128 X 64 个点的单色位图形式，可以直接写入 OLED上显示，看了下这个文件：

有 5.13 M byte，一帧是 128 X 64 / 8 = 1024 字节的话，就有 5383168 /1024 = 5257 帧了。

用单片机来播放，单片机内部 Flash 一般都比较小，无法把 badapple 数据放入单片机自带的 Flash 中，所以用单片机播放的话，大概就 2 种思路：

把 badapple 放到外部存储，如 SPI Flash、SD 卡等，单片机从这些存储设备读出数据，然后显示到显示器上，
PC 或者手机等把 badapple 数据通过通讯接口传送给 MCU，通讯接口可以是UART、USB、网络、蓝牙等，单片机从这些通讯接口接收到数据然后显示到显示器上

这里尝试把 badapple 数据编译进 nuc980 固件中，这样的话，编译出来的固件至少 5.13 M字节，对于只能用内部flash存储固件的单片机来说的话，应该是不行的，我还没见到过内部flash有这么大的单片机。对于 NUC980 可以用外部flash、有这么大的 DRAM，是完全可以实现的，就像之前说的，为所欲为了，如果 NUC980 跑 Linux 的话，这5点几兆算小了。

这里要做的有：

先把显示器驱动起来，
解决怎么把 badapple 数据编译进固件

硬件

我这里用到的显示器是 SPI 接口的 OLED 模块，驱动芯片是 SSD1306，如下：

既然是使用 SPI接口，就要用到 NUC980 的SPI接口了，上图，还是这样用过了好几次的图，NuMaker-RTU-NUC980 板子引出的 IO：

可以看到板子上引出了 SPI0，还需要 2 个 GPIO 用于 OELD的 RST、DC，接线如下：

OLED     NUC980
D0	<--  PC6
D1	<--  PC8
RST	<--  PB4
DC	<--  PB6
CS	<--  PC5

实物如下：

把 OLED 驱动起来

RT-Thread 中 SPI 接口也有相应的驱动框架、对于的API，具体可以查看 RT-Thread 相应文档 -- SPI设备，

首先定义一个 spi 设备，然后挂载到 SPI0，设置 SPI 参数，并把另外用到的 2 个 IO 设置为输出，如下：

static struct rt_spi_device spi_dev_lcd;

#define SSD1306_DC_PIN  NU_GET_PININDEX(NU_PB, 6)
#define SSD1306_RES_PIN NU_GET_PININDEX(NU_PB, 4)

static int rt_hw_ssd1306_config(void)
{
    if (rt_spi_bus_attach_device(&spi_dev_lcd, "lcd_ssd1306", "spi0", RT_NULL) != RT_EOK)
        return -RT_ERROR;

    /* config spi */
    {
        struct rt_spi_configuration cfg;
        cfg.data_width = 8;
        cfg.mode = RT_SPI_MASTER | RT_SPI_MODE_3 | RT_SPI_MSB;
        cfg.max_hz = 42 * 1000 * 1000; /* 42M,SPI max 42MHz,lcd 4-wire spi */

        rt_spi_configure(&spi_dev_lcd, &cfg);
    }

    rt_pin_mode(SSD1306_DC_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(SSD1306_RES_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);

    return RT_EOK;
}

然后实现对 OLED 写命令、数据函数：

static rt_err_t ssd1306_write_cmd(const rt_uint8_t cmd)
{
    rt_size_t len;

    rt_pin_write(SSD1306_DC_PIN, PIN_LOW);

    rt_spi_transfer(&spi_dev_lcd, (const void *)&cmd, NULL, 1);
    if (len != 1)
    {
        LOG_I("ssd1306_write_cmd error. %d", len);
        return -RT_ERROR;
    }
    else
    {
        return RT_EOK;
    }
}

static rt_err_t ssd1306_write_data(const rt_uint8_t data)
{
    rt_size_t len;

    rt_pin_write(SSD1306_DC_PIN, PIN_HIGH);
    rt_spi_transfer(&spi_dev_lcd, (const void *)&data, NULL, 1);

    if (len != 1)
    {
        LOG_I("ssd1306_write_data error. %d", len);
        return -RT_ERROR;
    }
    else
    {
        return RT_EOK;
    }
}

实现 OLED 初始化、写屏、清屏函数：

void ssd1306_fill(uint8_t *dat)
{
	uint8_t i,n;		    
	for(i=0;i<8;i++)  
	{  
		ssd1306_write_cmd (0xb0+i);   
		ssd1306_write_cmd (0x00);      
		ssd1306_write_cmd (0x10);      
		for(n=0;n<128;n++)
        {
            ssd1306_write_data(*dat); 
            dat ++;
        }
            
	}   
}

void ssd1306_clear(void)  
{  
	uint8_t i,n;		    
	for(i=0;i<8;i++)  
	{  
		ssd1306_write_cmd (0xb0+i);   
		ssd1306_write_cmd (0x00);      
		ssd1306_write_cmd (0x10);      
		for(n=0;n<128;n++)
        {
            ssd1306_write_data(0x00); 
            dat ++;
        }
            
	} 
}


static int rt_hw_ssd1306_init(void)
{
    
    rt_hw_ssd1306_config();

    rt_pin_write(SSD1306_RES_PIN, PIN_HIGH);
    rt_thread_delay(RT_TICK_PER_SECOND / 10);
    rt_pin_write(SSD1306_RES_PIN, PIN_LOW);
    //wait at least 100ms for reset
    rt_thread_delay(RT_TICK_PER_SECOND / 10);
    rt_pin_write(SSD1306_RES_PIN, PIN_HIGH);

	ssd1306_write_cmd(0xAE); 
	ssd1306_write_cmd(0xD5); 
	ssd1306_write_cmd(80);  
	ssd1306_write_cmd(0xA8);
	ssd1306_write_cmd(0X3F);
	ssd1306_write_cmd(0xD3); 
	ssd1306_write_cmd(0X00);

	ssd1306_write_cmd(0x40); 
													    
	ssd1306_write_cmd(0x8D); 
	ssd1306_write_cmd(0x14); 
	ssd1306_write_cmd(0x20); 
	ssd1306_write_cmd(0x02); 
	ssd1306_write_cmd(0xA1); 
	ssd1306_write_cmd(0xC0);
	ssd1306_write_cmd(0xDA); 
	ssd1306_write_cmd(0x12); 
		 
	ssd1306_write_cmd(0x81); 
	ssd1306_write_cmd(0xEF);
	ssd1306_write_cmd(0xD9); 
	ssd1306_write_cmd(0xf1); 
	ssd1306_write_cmd(0xDB); 
	ssd1306_write_cmd(0x30); 

	ssd1306_write_cmd(0xA4); 
	ssd1306_write_cmd(0xA6); 
	ssd1306_write_cmd(0xAF); 

    ssd1306_clear();

    return RT_EOK;
}
INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_ssd1306_init);

把 badapple 数据编译进固件（1）

首先想到的是最常用的方法，把 badapple 数据放在一个数组里，然后把该数组的内容写入 OLED 就行了，因为 badapple 数据是二进制，转成数组形式的话，放在代码里面，就相当于把二进制转成字符串，比如以下数据：

对于第一行，转成数组形式的话，如下：

uint8_t example[] = {0x23,0x78,0x33,0xb9,0x04,0x4b,0x13,0xb1,0x04,0x48,0xaf,0xf3,0x00,0x80,0x01,0x23};

如果数量不多的话，还好手动转换下，可是对于这个有 5 点几兆的，也就是有 5383168 字节，上百万个字节，手动转换肯定不实际，也没去找有没有什么现成工具可以用，我自己用 python 写了个小程序，把这个转换出来了，来感受下：

看了下，有30多万行，我电脑打开这文件都会有点卡顿，

经过这么一顿操作，我可是代码量超过 10万行的了，还是轻轻松松、随随便便就达到了。

把该文件放到工程里面，然后写个播放 badapple 的函数：

int badappple_test(int argc, char **argv)
{
    uint32_t len =0,frame = 0,i=0,index = 0;
    rt_tick_t start = 	rt_tick_get();
    len = sizeof(badapple);
    frame = len / 1024;
    
    for(i=0;i<frame;i++)
    {
        ssd1306_fill(&badapple[i * 1024]);
    }
    rt_tick_t end = 	rt_tick_get();
    rt_kprintf("Frame:%d\r\n",frame);
    rt_kprintf("start:%d, end:%d, use:%d\r\n",start,end,end-start);
    rt_kprintf("1 s tick:%d\r\n",rt_tick_from_millisecond(1000));
}
MSH_CMD_EXPORT(badappple_test, badappple test);

开始的时候获取滴答定时器当前的值：

rt_tick_t start = 	rt_tick_get();

然后获取 badapple 数据对应的数组的长度，计算帧数：

    len = sizeof(badapple);
    frame = len / 1024;

然后就是写屏了：

    for(i=0;i<frame;i++)
    {
        ssd1306_fill(&badapple[i * 1024]);
    }

最后获取结束的时候的滴答定时器的值，用于计算帧率：

  rt_tick_t end = 	rt_tick_get();
  rt_kprintf("Frame:%d\r\n",frame);
  rt_kprintf("start:%d, end:%d, use:%d\r\n",start,end,end-start);
  rt_kprintf("1 s tick:%d\r\n",rt_tick_from_millisecond(1000));

编译，看下编译出来的固件大小：

也是有 5 点几兆，最后运行效果为：

串口终端输出的信息：

可以看到播放持续了 23.238 秒，可以计算出帧率为：

5257 / 23.238 = 226.22

226 帧每秒，这会不会是全网用单片机播放 badapple 中帧率最高的呢，

把 badapple 数据编译进固件（2）

对于第一种方法，由于要经过转换，有点麻烦，突然想到之前看到过一套 GUI 源码，代码工程里面是直接把二进制进固件，忘记具体是怎么实现的，上网搜了下，实验了几次，居然做出来了，具体做法如下。

实现这个功能的关键是 incbin 指令，该指令是一条 arm 伪指令，功能是把一个文件包含到当前的源文件中，编译的时候会把该文件以二进制的形式编译进固件中。由于该指令是汇编，所以需要创建一个 .s 文件，内容为：

  .section .rodata
  .global BADAPPLE_FILE 
  .type   BADAPPLE_FILE, %object 
  .align 4
BADAPPLE_FILE:       
  .incbin "applications/badapple.bin"
BADAPPLE_FILE__END:
  .global BADAPPLE_FILE_SIZE
  .type   BADAPPLE_FILE_SIZE, %object
  .align 4
BADAPPLE_FILE_SIZE:
  .int BADAPPLE_FILE__END - BADAPPLE_FILE

这里定义了 2 个全局变量 BADAPPLE_FILE、BADAPPLE_FILE_SIZE，BADAPPLE_FILE 是 badapple 数据开始位置，相当于一个数组头字节地址，BADAPPLE_FILE_SIZE，是 badapple 数据大小。把该 .s 文件跟 badappel.bin 同时放到工程中的 applications 目录下，还要修改下 applications 的 SConscript 文件，因为默认是没有编译该目录下的 .s 文件，修改为：

# RT-Thread building script for component

from building import *

cwd = GetCurrentDir()
src = Glob('*.c') + Glob('*.cpp')  + Glob('*.s')
CPPPATH = [cwd, str(Dir('#'))]

group = DefineGroup('Applications', src, depend = [''], CPPPATH = CPPPATH)

Return('group')

接下里就实现播放 badapple 函数：

extern const uint8_t BADAPPLE_FILE;
const uint8_t *badapple_p = &BADAPPLE_FILE;
extern uint32_t BADAPPLE_FILE_SIZE;
int badappple_test(int argc, char **argv)
{
    uint32_t frame = 0,i=0,index = 0;
    rt_tick_t start = 	rt_tick_get();
    frame = BADAPPLE_FILE_SIZE / 1024;
    
    for(i=0;i<frame;i++)
    {
        ssd1306_fille((uint8_t *)&badapple_p[i * 1024]);
    }
    rt_tick_t end = 	rt_tick_get();
    rt_kprintf("file size is:%d",BADAPPLE_FILE_SIZE);
    rt_kprintf("Frame:%d\r\n",frame);
    rt_kprintf("start:%d, end:%d, use:%d\r\n",start,end,end-start);
    rt_kprintf("1 s tick:%d\r\n",rt_tick_from_millisecond(1000));
}
MSH_CMD_EXPORT(badappple_test, badappple test);

编译运行，经过测试，效果跟上一个方法是一样的。

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硬件

把 OLED 驱动起来

把 badapple 数据编译进固件（1）

把 badapple 数据编译进固件（2）

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