GUI xTurbo让你可以只用片内单缓冲驱动RGB LCD

在当今MCU嵌入式系统中，需要高端GUI显示的场景越来越多。当产品中使用较高分辨率的RGB LCD时，传统的Ping-pong buffer方案使得对RAM空间的要求非常高。这时MCU 片内RAM已经不够用，所以往往需要再搭配使用一个片外的RAM。不管是外挂PSRAM还是SDRAM，都会让产品BOM高不少。尤其是当今SDRAM的价格已经涨飞天，如果能只使用单缓冲放在片内RAM，那实在是太棒了！我们开发了GUI xTurbo - eSingle Buffer，让你抛弃SDRAM（或PSRAM），进一步降低BOM。在嵌入式系统中，图形界面（GUI）的流畅度往往决定了产品的使用体验。然而，许多开发者在实际项目中都会遇到一个常见问题：GUI 刷新速度看起来很慢，甚至出现明显的画面撕裂。造成这些现象的根本原因，通常并不是 MCU 性能不足，而是 LCD 与显存刷新机制之间的同步问题。

为了解决上述痛点，GUI xTurbo 提出了一个基于单缓冲的全新优化思路，在避免撕裂的同时进一步降低资源占用，如下图。传统方案通常需要使用Ping-pong Buffer（双缓冲）如图1，或者 Multi Buffer（一般是三缓冲）如图2。从而在LCD完成当前帧刷新后再输出下一帧。

Ping-pong Buffer : Buffer A 作为显示Buffer，Buffer B 作为离屏Buffer。当Buffer B 渲染完成，并且Buffer A已经显示完成之后。显示Buffer切到Buffer B，离屏Buffer切到Buffer A。

图1  Ping-pong Buffer 在片外RAM

Multi Buffer: 在Ping-pong Buffer的基础上。Buffer A 作为显示Buffer，Buffer B 和Buffer C都作为离屏buffer。

图2  Multi Buffer 在片外RAM

因此常规应用当中，MCU需要外扩一个片外RAM 来存放帧缓冲。例如RGB565的800 x 480的屏，一个full-size buffer需要的RAM大小为800 x 480 x 2 = 768000 Bytes。所以，如果使用双缓冲技术，则需要1.5 Mbytes大小的RAM。这时通常在IMXRT系列（如RT1040或RT1060）上可以外扩PSRAM或SDRAM。

那么为了降低BOM成本，能否仅仅使用单个Buffer放在片内的RAM上如图3，并且防止撕裂的产生？

图3  Single Buffer 在OCRAM

先从TFT LCD显示器本身的画面扫描刷新原理说起。TFT LCD的图像是由像素点组成的，这些像素点组成阵列。整个屏幕刷新一遍称为一个“帧”。图像的每一帧从屏幕的第一行开始刷新，然后依次向下刷新每一行。每一行的像素会在一个很短的时间内被更新。

图4  在800 x 480分辨率的屏幕上显示2个“NXP”图标

传统方案使用ping-pong buffer防止撕裂，是让画面的显示和渲染分别在不同的帧buffer上进行。显示则是eLCDIF把RAM上的数据发送到LCD上，而渲染则是MCU往RAM写数据。所以即使只使用Single Buffer，只要数据在当前像素刷新前写入到RAM，就可以避免撕裂。

比如，在当前画面中我们需要更新2个”NXP”的图标，分别在0~240行和240行~480行。当eLCDIF刷新到240行后，把第一个图标写入RAM，如图5。随后当eLCDIF刷新到480行后，再把第二个图标写入RAM，如图6。

图5  当eLCDIF刷新到240行后，把第一个图标写入RAM

图6  当eLCDIF刷新到480行后，把第二个图标写入RAM

我们基于LVGL实现了这个思路。在RT1060-EVK上，使用800 x 480分辨率的RGB LCD。我们把Single Buffer放在片内的768KB OCRAM上。并且基于针对IMXRT的专门优化，在LVGL9 Benchmark的测试如图7：

图7  eSingle Buffer性能对比Ping-pong Buffer

通过图7，基于同样的代码优化，可以看到eSingle Buffer的渲染速度强于Ping-pong Buffer。得益于Single Buffer放置在片内OCRAM，而OCRAM读写性能强于SDRAM。 并且不再需要像Ping-pong Buffer一样，等待当前帧显示完。并且在GUI-Guider-1.10.0中已经集成该功能。

传统 GUI 系统为了避免 RGB LCD 刷新带来的撕裂问题，普遍依赖双缓冲或多缓冲机制。然而这些方案虽然有效，却不可避免地带来更高的显存占用与带宽压力。GUI xTurbo 的单缓冲优化方案，则从刷新机制本身入手，以更轻量的方式实现流畅显示，不仅降低了资源需求，也为中低端 MCU 的 GUI 性能释放了更大潜力。

随着显示分辨率不断提升、用户对界面流畅度的要求日益增长，如何在有限硬件条件下实现更高效的 GUI，将成为越来越重要的课题。基于单缓冲的创新方法，为业界提供了一条新的思路，也为未来嵌入式显示技术的发展打开了更多可能性。

下篇会介绍如何在GUI-Guider中使用该功能。