LCD作为终端显示字符串的过程
- 1.本文目的
- 2.资源评估
- 3.显示原理
- 4.嵌入式上汉字处理
- 5.结果验证与展示
- 6.总结
1.本文目的
做嵌入式图形开发，我们往往都会利用到各种GUI进行交互设计，但是对于GUI的字符串处理与中文字库显示，也许并不会特别关注，因为GUI已经帮助我们封装了一些通用的API，在调用相对应的API就可以显示想要的图像和字符串了。那么这些底层原理到底是什么呢？
正好和朋友讨论，我们做嵌入式开发都是将输出信息定位到串口，那能不能定位到I2C、SPI、网络等各种协议上去呢？这个确实是有意思的事情，那正好手上有个树莓派，可以通过DSI或者HDMI来显示，那就把rt-thread的console重定位到LCD上去吧，让树莓派的屏幕代替我们的串口调试助手控制台，这样就不用接上串口看输出信息了。
有了这个想法，于是立即付诸行动。需求很明确，开发平台也已经确定，树莓派4 HDMI屏（分辨率1280x800）。或者接DSI的MIPI屏，我发现树莓派的HDMI驱动原来和DSI的MIPI屏的驱动一样，所以两者没有区别。为了简化验证的操作流程，可以选择rtos，这里我就用比较熟悉的rt-thread。因为rt-thread有着和Linux类似的控制终端，这样更加方便对接。
2.资源评估
有了想法，若要想进行下去，必须评估一下手上的资源是否齐全。下面列出必要的资源
1.树莓派4
选择树莓派4作为验证平台，是我因为现在手上环境搭建已经很方便了。嵌入式开发的痛点和难点就是在环境搭建上，一个好的的开发环境可以达到事半功倍的效果。环境搭建值得好好整理，对于验证各种功能，实现各种特性的验证都十分的好用。
2.hdmi屏
由于已经完成树莓派4的hdmi屏驱动的研究工作，并且hdmi驱动和最后抽象出来的就是FrameBuffer。操作起来不用管底层的实现，只需要向这个Framebuffer的地址处写数据，会自动将这个数据显示到LCD的屏上，十分的方便。并不用关心x,y坐标，像素等等。
3.字库
这里先通过英文字库进行演示，后面再谈中文字库。目前抽取的是开源的GUI中的font_dejavu_40字库进行研究。后面的40表示每个字符高度为40个像素，因为屏的分辨率为1280x800。如果每个字符的高度太小则看起来文字非常的小，在大屏上看起来十分不友好，所以这里选择40个高度的字体，而宽度不定是因为字符的宽度是不是确定的，每个字符有着自己的宽度比如L和l两个数字的宽度就不一样。
有了上述资源，就可以进行后面的探究了，下面来梳理一下显示原理。
3.显示原理
计算机图形本质上就是像素点的集合，更加具体的就是红黄蓝三原色的组合。
三原色的排布组成了一个像素点。实际LCD放大后像素点看起来如下图所示。
而这些像素的亮度决定了最后显示在屏幕上的效果。像素深度(bits per pixel,简称bpp) 描述了每个像素的位数，比如32位则是RGBA8888，24位常见的RGB565和16位常见的565等等。这些都是一个像素所能够表示的信息。
而多个像素可以表示一个图像信息。像素是图像操作的最小单位，所以下面暂时不要考虑颜色信息。
来看一个字库中一个字符的信息
代码语言：javascript复制0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x1f, 0x80, //.. %@@@@@.....
0xff, 0x80, //@@@@@@@@@.....
0xff, 0x80, //@@@@@@@@@.....
0xe3, 0x80, //@%% ..@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x03, 0x80, //......@@@.....
0x7f, 0xfc, //.@@@@@@@@@@@@@
0x7f, 0xfc, //.@@@@@@@@@@@@@
0x7f, 0xfc, //.@@@@@@@@@@@@@
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
0x00, 0x00, //..............
上述就是字符1在字符中的存放信息，每个字节按位展开，.表示0，@表示1。则右边的注释展示了该串字符的信息。如果我们将上述信息告诉给cpu，然后CPU处理这些信息放到LCD上显示则可以显示字符串1。
如果把上面的数组用程序解析交给LCD该如何设计。
1.拷贝上述数组到程序里，作为只有一个字符的字库数组array
2.申请一块和framebuff一样大的内存palette，作为图像输入的画板
3.读取array第一和第二个元素，将第一个元素按高位解析，如果是0向palette填充黑色像素点，1向palette填充白色像素点。
字库中的每一位对应LCD的一个像素，如果对于RGB565来说，则表示2个字节。那我们可以做这样的理解。字库中1的宽度是32个像素，高度是40个像素。
于是可以做标准字库的解析了。一个标准字库是包含多个这样的字符串结构的，所以字符串需要一张表记录这些信息，根据asiic码表排序，字库的存放顺序也可如此，然后一个索引表记录着每个字符串的宽度，数组所在的起始地址信息，有了这些信息，就可以依次做解析然后转换成像素进行显示了。
4.嵌入式上汉字处理
嵌入式上受到资源限制，汉字字库一直都不好解决，不能为了显示汉字把2500~7000个汉字都收录进去，这样需要的内存资源和flash资源十分庞大。为了解决这个问题，一般都是自定义字库，就是首先列出该项目中实际会用到的所有汉字，然后利用特定的软件生成对应的像素字符数组，生成的同时，也会对应这一张map表，方便查找具体汉字的位置。
在处理英文的时候，由于所需的字符很少，可以通过ASCII码进行索引，汉字则可以自定义索引规则，这些都是需要自己设计处理的。但是原理是一样的。
5.结果验证与展示
经过上述的操作，已经完成了lcd console的任务，可以给自己交差了。
其实现的代码也已经放到百度网盘上可以供参考。
代码语言：javascript复制链接：https://pan.baidu.com/s/17A37ISKT0tW3WWq2oXJASw
提取码：dgr6
上述代码仅供参考，优化部分还需完善。
6.总结
需要注意的是，对于不同的LCD，需要自己找到合适的大小的字体，这样才能看起来清楚。另外在实现的细节上需要注意的是最好不要在framebuffer上直接绘图，可以放到一个与framebuffer大小一样的数组中，叫做palette，也就是画板。当绘制一帧画面完成后，再刷新到framebuffer中，这是因为framebuffer是非cache的，操作起来会影响刷屏的帧率，看起来帧率会很低。
对于英文字库的显示、中文汉字的处理，有很多东西需要去拓展。其中汉字的抗锯齿问题就很值得研究学习，汉字模糊，汉字的锐化等等，万变不离其宗，其核心都是对像素的处理。LCD绘图，理解像素处理流程，所有的上层应用实现都非常好理解。
