基于STM32实现“单芯片”模式：TouchGFX 4.24 的创新分析

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攻城狮Melo 发布时间：2024-7-29 13:40

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文章简介:	实现“单芯片”模式：TouchGFX 4.24 的创新特性解析

TouchGFX 4.24版本通过提供新的图像压缩格式（RGB565、RGB888和ARGB888）和更多的闪存节省功能，进一步减少了内存需求。嵌入式系统的最新趋势是“单芯片”接口，开发人员可以从主机MCU的RAM和闪存中运行整个UI，无需使用外部存储器。这有助于减少材料成本，减轻对存储器市场的依赖。简而言之，它在开启了很多新功能的同时还能保持设计的成本效益。但没有之前版本的丰富功能作为基础，这样的突破也是不可能实现的。TouchGFX 4.24建立在旧版本基础之上，可确保更多的应用程序能够适应这种“单芯片”模式。

01PART    TouchGFX 4.24新特性' `6 ~9 M: [% a: k( p, C& j( {
内存优化
ST基于Touch GFX4.23版本展示了一款eBike演示，仅使用355 KB，而不是最初的10.5 MB。TouchGFX 4.24对其压缩算法和矢量运算进行了一系列优化，以节省更多闪存。ST进一步优化了L8压缩格式，并提供了一些技巧，让开发人员在占用更少闪存的同时能充分利用他们的UI。例如，开发团队可使用8位或更少编码的颜色对图像进行更大程度的压缩。此外，有了ChromART，TouchGFX可以直接从闪存中提取数据，减少了应用程序对RAM的依赖。

新版本还对QuiteOK图像（QOI）压缩算法实现进行了优化，可减少内存中图形资产的大小。图形压缩比取决于许多因素，理想情况下，可以无损地将文件大小减少95%。但由于解压缩操作在性能较低的CPU上实现成本较高，有些CPU可能会优先使用优化的位图和技巧，如拼接图像（一个小拼接副本的完整图像构建），以减少闪存的使用。TouchGFX 4.24可以在不使用外部闪存的情况下运行界面。

二维码生成器
二维码的使用非常便利，越来越受欢迎。用户只需扫描二维码即可自动显示出序列号，大大方便了注册过程。用户不需要手动键入URL，即可访问公司网站上的特定页面。制造商更新网站也不用担心用户找不到合适的页面。而对于图形界面开发而言，生成QR码的挑战在于，需要使用大型外部库，而这些库对微控制器的优化程度很低。此外，传递参数来动态生成二维码代码，然后将其写入帧缓冲区中，这个过程的实现非常复杂。

这正是TouchGFX推出二维码生成器的原因。它可以动态生成高达40级的二维码（177个模块x 177个模块），并将其写入帧缓冲区中。开发人员可以生成一个二维码，使用户可以访问相关的支持页面，而不会显示错误代码。TouchGFX还支持纠错，以确保所表示数据的完整性（例如，如果UI正在传输序列号）。二维码还能轻松地发送符号，而不仅是字母和数字，这对部分国家地区来说很实用。

02PART    TouchGFX 主要特性
- W0 v  r, s' B) R3 ^7 b矢量的优化
微控制器上的大多数静态接口都使用位图，它们需要的计算吞吐量非常小。相比之下，矢量图像并不常见，因为它们需要更多的算力。UI开发的挑战在于矢量对于动画至关重要。因此，由于每秒帧数较高，开发人员可能会选择使用更多资源来实现更平滑流畅的动画。另一方式是，动画可以采用较低性能，降低画面的流畅性来处理。TouchGFX 在处理矢量图形时提供了显著的优化，在某些场景下效率提高了70%。得益于TouchGFX 不断的版本优化，开发人员可以在更小的MCU上提供更平滑的动画或使用更多的矢量元素；还将在较大的动画上获得最大的性能提升。

新的优化利用Chrom-ART在某些操作（如颜色填充）期间降低微控制器负载。ST还更新了TouchGFX计算形状边缘的算法。此外，功能更新涉及到框架对矢量图形的处理，用户也将从中受益。开发人员不仅能立即看到性能提升，还可以据此进行规划。有的开发者会选择降低应用程序的内存需求，有的会在界面中添加新动画。团队协作开发时，必须注意检查他们的UI，因为某些元素的运行速度可能比预期的快。

矢量字体
文本是大多数UI的重要组成部分，但却最容易被忽视。比如，许多人甚至不清楚font和typeface之间的区别。Helvetica和Avenir经常被称作font，但实际上都属于typeface。typeface是一种设计语言，用来塑造一系列字母、数字和图标的形态。font是typeface的子集，主要是限定文字的粗细或大小等属性。因此，Helvetica是一种typeface，而12磅Helvetica则是一种font。同样，12磅Helvetica Bold是另一种font。

这两者的区别为什么重要呢？因为嵌入式系统必须在编译时为每种字体渲染新的位图。PC需要使用轮廓字体（又称矢量字体），轮廓字体包含如何绘制的说明，而嵌入式系统需要使用位图。矢量字体需要很大的计算量，这对PC来说不是问题，但对微控制器来说，会造成UI运行缓慢。相反，已经完成渲染的位图不涉及任何计算，但会占用更多存储空间，因为系统必须对每种字体进行单独渲染。例如，三种Font（同一typeface所对应的三种不同大小）的位图会占用将近800字节的内存，而一个矢量文件所占用的内存不到200字节。

▲ 渲染矢量字体

TouchGFX Designer能够在MCU上使用矢量字体的UI工具，为希望减少Flash占用空间的工程师带来了福音。有了这一功能，某些应用场景下，开发者只需使用MCU的内部Flash，大幅降低了BOM成本。产品或公司标识往往需要比字母文字系统用到更多的位图，因此节省存储空间的效果更加明显，实际效果因具体应用而异。此外，存储器市场价格波动频繁，而我们这个新版本可以帮助开发人员减少对外部Flash的需求。

意法半导体旗下已有多款STM32 MCU在技术上支持矢量字体，STM32U5和最新推出的STM32H7R/S内部集成了NeoChrom GPU，出色的加速矢量计算的能力让矢量计算真正切实可行。例如，STM32F7渲染一个矢量字体可能需要花费2.88 ms，而STM32U5F9仅需0.80 ms。同样，最近针对TouchGFX先前版本的矢量优化也能有效减轻负载。但并非每种UI都能从轮廓字体中受益，比如需要使用大量动画的系统。

矢量字体并不是节省存储空间的唯一方法，ST的L8压缩系统也可以缩小位图。每个项目都有不同的Flash需求，每个UI也都有特殊的渲染需求。有些项目只能使用有限的外部Flash，有些项目倾向于使用内部Flash，还有些项目仅需要缩短编程时间。但总的来说，越来越多的客户都希望UI占用的Flash空间更少。因此，矢量字体为无法通过其他方式缩减占用空间的UI提供了一个解决方案。

L8图像压缩
图形资源占用大量内存空间，但降低图形质量也就意味着UI的降级。因此L8 是一项必不可少的功能，它可以将图像文件压缩 75% 而无需降级，这要归功于 STM32 微控制器中的 ChromART 加速器。图形资源最多使用 256 种颜色，这在 STM32 微控制器的小型嵌入式系统上很常见，开发人员只需在 TouchGFX Designer 中勾选一个框，就可以选择使用 L8 格式压缩图形。解压缩的算法也很高效，因为它使用 ChromART 引擎在表中查找颜色，并在不损失质量的情况下对图形进行渲染。

TouchGFX Designer的新版本引入了一个关键功能：L8图像的压缩。单击左侧栏的“图像”可列出当前加载的图形资源。对于所有L8图像，软件都提供一个新的“压缩”下拉菜单，用户可以在三种方法之间进行选择：L4、LZW9（Lempel-Ziv-Welch）和游程编码（RLE）。这三个都是无损的，L4和LZW9创建压缩表，为条目分配颜色，而RLE只是对重复序列进行因子计算。这些方法都有优缺点，因此我们还提供了一个“自动”选项，让编译器根据新文件大小及其渲染时间选择最优化的压缩方法。

用户平均可将图像文件大小减少20%到80%。多数情况下，图像所需的时间是渲染的两倍。然而，由于开发人员会将此功能用于静态界面、图标或较小的资产，因此影响并不明显，渲染只需几毫秒。此外，文件更小意味着从内存中读取时间更短，这就抵消了较长的渲染时间。因此，对存储的优化平衡了解压缩的代价，在使用更少内存的同时，能提供与未压缩L8资产相同或几乎相同的性能。

升级到TouchGFX Designer 4.22 的用户必须手动选择他们的压缩方法。ST仍将未压缩格式设置为默认格式，因为我们不希望开发人员在还不了解的情况下看到平台处理L8图像的方式发生了这么大的变化。该功能充分体现了我们在优化内存占用（尤其是在闪存中）的同时还要考虑到性能所做出的努力。

支持可缩放矢量图形图像（SVG）
TouchGFX 推出了对SVG的支持。以往，TouchGFX 架构存储的是光栅图像，如PNG文件，因为它们易于访问和显示。而SVG文件不包含渲染，但包含绘制说明。它们的可扩展性更好，但要求更高。这对于笔记本电脑或台式机不是问题，但对于低功耗微控制器就不同了。其难点在于，设计师正在创建越来越多的动画界面，他们希望一个UI可以通过缩放适应不同尺寸的显示器。因此，设计团队希望使用SVG文件节省资源，因为一个文件可以用多种不同的方式绘制。

▲ 一个适合不同屏幕尺寸的智能家居控制界面

为了应对这一日益增长的挑战，ST在某些STM32U5产品上集成了新的NeoChrom 2.5D加速器。该硬件对绘图动画进行了优化，减轻了与SVG文件相关的一些计算负担，从而解决了性能问题。该IP还具有更快的内存接口，加快了提取操作。因此，将文件存储在外部存储器中时，损失更小。SVG IP具有很大应用潜力，ST将继续基于其特性为用户带来更多新功能。

TouchGFX Stock
TouchGFX Stock 是基于微控制器框架提供的最大的免费UI图形资产库。它包括图标、GUI元素、主题、图像等。由于图标来自谷歌或百度的免费使用库，而ST拥有其他资源的所有权，TouchGFX Stock 开源了这些图形资产的使用许可，只要用户的项目在STM32设备上运行，即使是商业项目也可免费使用这些资产。用户可以抓取图形资产，调整大小以适应自己的界面，或对其进行编辑以满足特定的需求。TouchGFX Stock甚至还支持将这些图形资产与另一个图形框架一起使用，只要程序是在ST微控制器上运行的即可。

▲ 使用TouchGFX UI的Hi-Fi系统

简洁明了的 TouchGFX 占位符或示例资产，对于缺少设计资源的小型开发团队或初创公司非常友好，他们在开发中大量使用，只需将其添加到应用界面，即可快速实现UI开发。正因为这一点，ST决定投入开发 TouchGFX Stock，并成为拥有最广泛的免费图形资产库的MCU供应商。多年来，ST一直努力让MCU上的GUI更易于使用，并不断地增加新的主题、图像等来扩展这个库。

TouchGFX Stock 提供了很多UI元素，如条形图、弹出窗口、时钟、仪表等，还为某些图形资产提供亮版和暗版。工程师无需担心调色板不匹配或设计理念过时等问题。我们提供的图形资产能够保持UI连贯性和美观性。我们还提供各种尺寸以匹配大多数的显示器，许多显示器甚至不需要自己调整大小。TouchGFX Stock 上市时包含五个主题，但限于MCU上GUI的性质，还无法实现自动切换主题。由于没有与所有资产形成一一对应的关系，用户必须手动替换它们。

转载自： STM32
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