浅析嵌入式 GUI 框架 -LVGL

LVGL 是什么？

LVGL (Light and Versatile Graphics Library) 是最流行的免费开源嵌入式图形库，可为任何 MCU、MPU 和显示类型创建漂亮的 UI。

嵌入式 GUI 框架对比

在嵌入式设备场景，资源比较受限的情况，从渲染性能、许可费用、社区活跃度等做综合对比，LVGL 是目前相对较好的选择。

LVGL 是如何渲染 UI 的？

LVGL 最低配置要求

• 16、32 或 64 位微控制器或处理器

• 建议使用 >16 MHz 时钟速度

• 闪存/ROM： > 64 kB 用于非常重要的组件 (> 建议使用 180 kB)

• RAM:

• 静态 RAM 使用量：~2 kB，取决于使用的功能和对象类型

• 堆: > 2kB (> 建议使用 8 kB)

• 动态数据（堆）: > 2 KB (> 如果使用多个对象，建议使用 16 kB). 在 lv_conf.h 文件中配置 LV_MEM_SIZE 生效。

• 显示缓冲区：> “水平分辨率”像素（推荐 >10 × 10ד 水平分辨率”）

• MCU 或外部显示控制器中的一个帧缓冲区

• C99 或更新的编译器

https://docs.lvgl.io/master/intro/index.html

LVGL 架构

应用程序可以与库通信以创建 GUI。它包含一个 HAL（硬件抽象层）接口来注册您的显示和输入设备驱动程序。

LVGL 初始化流程

• 调用lv_init(), 初始化 LVGL

• 实现显示设备驱动的注册

• 实现输入设备驱动的注册

• 实现 tick_thread 和 handler_thread

具体参考：https://docs.lvgl.io/master/get-started/quick-overview.html#add-lvgl-into-your-project

LVGL 渲染链路解析

在嵌入式系统中，CPU 是控制整个系统的核心，FrameBuffer 是用于存储屏幕上的图像信息的缓冲区，LCD 屏是用于显示图像的硬件设备。LVGL 库的底层原理是通过 CPU、FrameBuffer 和 LCD 屏之间的协作实现图形界面的显示和交互。

具体来说，当应用程序需要显示图形界面时，LVGL 库会调用底层驱动程序来初始化 FrameBuffer 缓冲区，并将缓冲区中的图像信息传递给 LCD 屏进行显示。此时，CPU 会持续不断地将应用程序中的图形绘制指令传递给 LVGL 库，LVGL 库则将这些指令转换为对 FrameBuffer 缓冲区的操作，并通过底层驱动程序将操作传递给 LCD 屏进行显示。

同时，LVGL 库还会通过底层驱动程序来监测设备上的事件，如按键事件、触摸事件等，并将事件信息传递给 LVGL 库中的事件处理函数进行处理。在事件处理函数中，LVGL 库会根据事件类型和事件发生的位置等信息来进行相应的操作，如改变窗口的位置、更新按钮的状态等。这些操作也是通过对 FrameBuffer 缓冲区的操作来实现的。

此外，LVGL 库中的对象（如窗口、按钮等）需要动态分配内存来存储其属性和状态信息。LVGL 库通过内存池的方式来管理对象的内存分配和释放，提高了内存的使用效率。

CPU、FrameBuffer 和 LCD 屏之间的协作是 LVGL 库实现图形界面的关键。CPU 通过调用 LVGL 库中的函数来操作 FrameBuffer 缓冲区，而 LVGL 库则通过底层驱动程序来将缓冲区中的图像信息传递给 LCD 屏进行显示。

补充知识：Linux FrameBuffer 驱动框架

LCD 控制链路

FrameBuffer 驱动框架

帧缓冲实际上是内存中的一块物理内存，驱动程序控制显示控制器将这块内存中的数据传输到显示设备上，应用程序只需要向这块内存写入图像数据，显示控制器就会将图像数据传输到显示设备上，完成图像的显示。

总结

LVGL 是目前主流的嵌入式 GUI 框架，可以通过它很便捷的开发应用层的交互页面，通过深入学习底层原理能够更好的理解 LCD 屏幕和 FrameBuffer 和驱动之间的关系，可以为我们后续优化 LVGL 显示性能打下基础。