树莓派4 rt-thread实现SPI屏人机交互界面

1.前言

树莓派4的rt-thread一直在不断的更新，充分挖掘可以树莓派底层硬件的特性，同时借助各种外设，使得树莓派4成为一个更加适合学习嵌入式开发，验证各种外设功能，学习操作系统的好用的平台。

在树莓派4上进行各种外设的开发，需要一定的嵌入式调试经验与驱动调试方法，因为树莓派虽然资料很多，但是关键核心的芯片资料却非常的少，都是进行应用层面的开发工作。为了更加深刻的学习嵌入式，了解方法是不够的，而是要弄清楚原理才行。本文主要是介绍树莓派4图像，触摸相关的使用方式，从而实现GUI的移植和界面交互。

2.树莓派4显示接口介绍

树莓派4默认是不带任何屏接口的显示的，可以接上HDMI接口。

另外，树莓派4上带有MIPI的显示器DSI排线接口，可以通过排线进行连接。

这两种显示接口的驱动实现，都已经在树莓派的videocore中实现了，具体的实现细节需要查看相关的GPU的使用。作为学习嵌入式图像这一块，已经无法从树莓派上进行任何的底层相关的开发了。想调用图像的读写操作，可以通过CPU与GPU的通信管道作为数据的传输通道，具体可以查看mbox的驱动实现细节：

https://github.com/RT-Thread/rt-thread/blob/master/bsp/raspberry-pi/raspi4-32/driver/mbox.c

将图像放到一段内存空间，然后发消息给GPU，让其去该地址取数据，最后就可以在屏幕上看到显示的画面了。

这一种只有显示，如果要实现触摸，还需进行另外的接口实现。一种是DSI可以将触摸的坐标传递给GPU，通过mbox取获取坐标数据，另外一种接HDMI屏的常见做法就是将触摸另外接到USB上，通过USB获取坐标点。这是常见的实现手段。

除此之外，微雪则出了MHS-3.5inch RPi Display的3.5寸的SPI屏。

http://www.lcdwiki.com/MHS-3.5inch_RPi_Display

下图是基本的展示：

该屏是利用SPI总线所驱动，最大spi速率支持125Mhz。支持电阻屏触摸。而且价格也很便宜。是本文研究的重点。

3.树莓派4 SPI接口

要想将该屏驱动起来，首先必须了解的是SPI协议，以及bcm2711芯片的spi控制器的使用。所有深度的研读了rpi_DATA_2711_1p0.pdf文档。

https://gitee.com/bigmagic/raspi_sd_fw/tree/master/doc/raspi4

重点是说，树莓派4的SPI是支持两种模式的，一种是标准的SPI总线。

这个很基本，也就是CE片选决定是那个设备，主机通过传输SCLK时钟信号，然后传输MOSI，从机响应数据，MISO。这是标准的SPI协议，可以好好复习一下。

另外一种则是LOSSI模式。

也就是低速串行总线。片选外设后，主机可以通过SCL发送时钟，然后通过SDA发送数据，从机接受到数据后，也会通过SDA数据线传输到主机。只有一条线传输数据。

区分的方法就是在发送数据位时比如发送8位数据位，则会在前面增加一位表示读写。这种适合于低速外设总线的使用。这一种模式目前暂时没有使用到，后面使用的时候再进行分析。

4.树莓派4 上的SPI屏的实现

具体细节我就不过多的展开，反正调试就占用了两天时间，下面主要讲一讲调试的心得和步骤。

标准的SPI屏接上后，触摸和LCD都是用的同样的SPI线。

通过CS引脚进行选择，正好对应上树莓派SPI0的两个片选。我刚开始调试的是LCD，由于LCD的主控是ILI9486，看来一下芯片手册，准备按照以往的调试经验，先读出出厂ID试试。怎么都不读到数据，尝试了好久，结果仔细看上图，发现SO引脚上标注的是Touch panel SPI data output。原来是不能输出数据的呀。于是转换方向，先调试触摸，因为触摸标准一些。

刚开始的时候，触摸读不到数据，因为SPI驱动写的不好，而且测试也不严格，对SPI的协议理解不深刻，后来干脆采用逻辑分析仪跟踪数据。才发现速率太高了，原来这个触摸支持的spi的频率是很低的，只有几百K。我终于看到数据读出来变化了。

由于是电阻屏，所以读到的是12位的数据，读到2个字节，然后计算偏移得到12位的数据，总体变化范围是0到2048之间。按照这个规律，不断的在屏的上下左右角度测试坐标，终于测试得到了以下结论。

XPT2046:Width:320 High:480
no pressed:(0x800,0xfff)
---ETH----USB-----------------------
| (0x800,0x800)      (0xfff,0x800) |
|                                  |
| (0x800,0xFFF)      (0xfff,0xfff) |
------------------------------------

不进行触摸得到的数据(0x800,0xfff)，各个角度的值可以看上面的信息。

计算坐标，由于电阻屏，每个点的坐标均匀分布，有着二次方程的线性关系。很容易就通过取到的数据算出坐标点了。调试这个花费了一天时间。终于可以开始调试LCD了。

由于两个片选不一样，而且只能写不能读，这样调试起来需要非常的精确。首先LCD复位，也就是22号引脚先高电平再低电平再高电平。此时完成复位动作。

接着，注意命令和数据是一个GPIO的高低电平进行控制的。这个细节要注意。接着就是开始传输配置的参数了，参数主要参考类似的lcd的实现。参数传递完成，屏的面板显示又白色变成黑色，这个是证明参数写进去的关键。为了这个细节的实现，调试了许久。然后写数据到lcd中。

刚开始的时候，刷屏的速度肉眼可见，每个坐标点在变化，这肯定不能接受，然后算了一下SPI的频率还不到1MHZ。这肯定不行，于是配置树莓派SPI，将时钟提升到125Mhz。速度虽然有了提升，但是还是不够，差不多1s才能刷新全屏。最后直接跳过rt-thread的spi框架，直接操作底层进行SPI写数据。发现真的快了许多。

用数据来说话，用Image2LCD来生成一张图像，进行刷屏测试。

最后的结果如下所示：

由于操作系统的tick为10ms，所以测试得到差不多40到50ms，所以帧率在20~25帧左右。这是目前实测的数据。虽然速率不是特别高，但是还是可以接受的。