本文將會(huì)分別介紹——使用軟件I2C和硬件I2C在PSoC開(kāi)發(fā)板上點(diǎn)亮OLED屏，并進(jìn)行屏幕刷新率對(duì)比測(cè)試，最后還會(huì)在硬件I2C的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化屏幕刷新率。本文實(shí)驗(yàn)使用的OLED屏尺寸為0.96寸，分辨率為128x64，驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1306。本文使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為RT-Thread Studio，設(shè)備上運(yùn)行的是RT-Thread實(shí)時(shí)系統(tǒng)。本文主旨在于，介紹如何在PSoC開(kāi)發(fā)板上使用軟件I2C和硬件硬件I2C驅(qū)動(dòng)外設(shè)，以及對(duì)于屏幕刷新率優(yōu)化的一些思路。

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*附件：【英飛凌PSoC 6 RTT開(kāi)發(fā)板試用】使用軟件和硬件I2C點(diǎn)亮OLED屏，幀率從2FPS提升到51 53b89082947a409aaa80d410ab5527ca.pdf

一、準(zhǔn)備工作

開(kāi)始之前，需要準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的硬件和軟件，接下來(lái)分別介紹。

1.1 硬件準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)需要用到的硬件有：

• RTT&英飛凌PSoC6評(píng)估板
• 0.96寸OLED屏（驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306）
• 杜邦線4根
• USB Type-C數(shù)據(jù)線
• 個(gè)人電腦（Windows 10）

1.2 軟件準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)需要使用的軟件主要為：

• RT-Thread Studio
• MobaXterm（其他串口調(diào)試工具也可以）

假設(shè)你已經(jīng)成功在電腦上安裝了以上這些軟件。

1.3 硬件連接

硬件連接分為兩部分，一部分是PC和開(kāi)發(fā)板，通過(guò)USB Type-C線連接；這個(gè)沒(méi)啥難度，不做過(guò)多介紹；需要注意的是，開(kāi)發(fā)板一端接DAP口；否則無(wú)法正常下載程序。

另外一部分是，開(kāi)發(fā)板和OLED屏幕之間的連接，具體如下表所示：

開(kāi)發(fā)板和OLED屏幕之間的硬件連接，如下圖所示：

二、原理分析

這么連接之后，如果主控芯片使用軟件I2C驅(qū)動(dòng)OLED屏，那么什么限制，對(duì)應(yīng)管腳只需要使用GPIO模擬I2C時(shí)序即可。如果想要讓主控芯片使用硬件I2C驅(qū)動(dòng)OLED屏，則需要檢查一下主控芯片對(duì)應(yīng)引腳可以設(shè)置為硬件I2C功能，接下來(lái)即為檢查的過(guò)程。

2.1 開(kāi)發(fā)板原理圖

首先，檢查開(kāi)發(fā)板原理圖的Arduino接口部分：

這里只能看到標(biāo)號(hào)，看不到主控芯片的引腳名稱。

所以，還需要繼續(xù)搜索這兩個(gè)引腳的標(biāo)號(hào)，找到主控芯片對(duì)應(yīng)的引腳標(biāo)號(hào)：

對(duì)照這兩處可以知道——Arduino接口I2C引腳和主控芯片直接的連接關(guān)系為：

• SCL：P8.0
• SDA：P8.1

2.2 芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)

《PSoC 6 MCU: CY8C62x8, CY8C62xA Datasheet》文檔的 Pinouts 章節(jié)，Table 8. Multiple Alternate Functions 引腳功能服用表，可以查到P8.0和P8.1的功能有：

可以看到，有scb[4].i2c_scl和scb[4].i2c_sda功能。

也就是說(shuō)，P8.0和P8.1可以設(shè)置為硬件I2C功能。

三、軟件I2C驅(qū)動(dòng)OLED

接下來(lái)，將使用RT-Thread Studio創(chuàng)建項(xiàng)目，并通過(guò)添加軟件包和修改配置的方式，實(shí)現(xiàn)使用軟件I2C驅(qū)動(dòng)OLED屏幕。

3.1 創(chuàng)建RT-Thread項(xiàng)目

在RT-Thread Studio中，打開(kāi)“文件”→“新建”→”RT-Thread項(xiàng)目”菜單，如下圖所示：

在彈出的創(chuàng)建項(xiàng)目界面中，Project name中填入psoc6_oled，選中基于開(kāi)發(fā)板的項(xiàng)目，如下圖所示：

點(diǎn)擊“完成”，即可創(chuàng)建名為psoc6_oled的項(xiàng)目。

3.2 添加ssd1306軟件包

創(chuàng)建項(xiàng)目后，雙擊項(xiàng)目資源管理器視圖中，項(xiàng)目下方的“RT-Thread Settings”，主編輯區(qū)如下圖所示：

點(diǎn)擊其中的“添加軟件包”，彈出的軟件包搜索界面，如下圖所示：

按照?qǐng)D中標(biāo)注的操作順序，即可將ssd1306軟件包添加到當(dāng)前項(xiàng)目。

添加完成后，主編輯區(qū)如下圖所示：

此時(shí)，按Ctrl+S快捷鍵，保存對(duì)項(xiàng)目配置的修改。如果網(wǎng)絡(luò)通常，則會(huì)在控制臺(tái)窗口中看到ssd1306軟件包正常下載的日志：

這樣，ssd1306軟件包就成功添加到項(xiàng)目中了，位于packages子目錄下：

3.3 配置軟件I2C和ssd1306軟件包

接下來(lái)，在RT-Thread Studio主編輯器，點(diǎn)擊詳細(xì)配置按鈕，按鈕位置如下圖所示：

主編輯器將會(huì)顯示詳細(xì)配置：

切換到“硬件”標(biāo)簽頁(yè)，找到“Enable Software I2C”選項(xiàng)，并打開(kāi)該選項(xiàng)，如下圖所示：

接著，打開(kāi)“使能I2C1 BUS”，并將scl和sda中分別改為64和65，如下圖所示：

然后，在搜索框輸入ssd1306，彈出懸浮菜單后，單擊該懸浮菜單，如下圖所示：

勾選“Enable debug log output”和“Enable ssd1306 sample”，如下圖所示：

最后，按Ctrl+S保存對(duì)所有配置項(xiàng)的修改。

3.4 編譯和下載程序

首先，點(diǎn)擊工具欄的錘子圖標(biāo)，或者按Ctrl+B快捷鍵，觸發(fā)項(xiàng)目構(gòu)建（全部編譯）：

項(xiàng)目構(gòu)建完成后，可以在控制臺(tái)窗口看到生成了elf文件，以及預(yù)計(jì)Flash和RAM占用情況：

接著，點(diǎn)擊工具欄上的下載圖標(biāo)，或者Ctrl+Alt+D快捷鍵，觸發(fā)下載程序二進(jìn)制文件到開(kāi)發(fā)板上，如下圖：

下載過(guò)程中以及下載完成后，控制臺(tái)窗都可以看到日志輸出：

PS：開(kāi)始下載之前，需要確認(rèn)開(kāi)發(fā)板以及和PC正確連接了（開(kāi)發(fā)板要連在DAP口上，并能夠正常識(shí)別）。

3.5 運(yùn)行和測(cè)試程序

為了方便在串口中進(jìn)行命令控制，運(yùn)行之前，需要先打開(kāi)MobaXterm（或者其他串口調(diào)試工具）：

如上圖所示，選中對(duì)應(yīng)的COM號(hào)，串口參數(shù)設(shè)置為：

• 波特率 115200
• 數(shù)據(jù)位 8
• 停止位 1
• 校驗(yàn) None
• 流控 None

之后，點(diǎn)OK確認(rèn)連接。

連接成功后，按開(kāi)發(fā)板的復(fù)位鍵，可以看到串口連接中輸出：

此時(shí)輸入help命令并回車：

可以看到，有ssd1306_TestAll命令。

輸入ssd1306_TestAll命令并回車，如無(wú)意外，將會(huì)看到OLED屏幕上已經(jīng)有畫(huà)面顯示了：

但是此時(shí)的幀率較低，測(cè)試顯示僅有2幀每秒：

四、硬件I2C驅(qū)動(dòng)OLED

方便起見(jiàn)，接下來(lái)將不再創(chuàng)建新項(xiàng)目，而是在剛剛創(chuàng)建的RT-Thread Studio項(xiàng)目上進(jìn)行修改，通過(guò)修改配置的方式，實(shí)現(xiàn)使用硬件I2C驅(qū)動(dòng)OLED屏幕。

4.1 增加I2C4配置和代碼

RT-Thread Studio默認(rèn)創(chuàng)建的項(xiàng)目不支持I2C4，不能實(shí)現(xiàn)硬件I2C驅(qū)動(dòng)OLED。因此，需要先添加I2C4配置和代碼，才能進(jìn)行后續(xù)操作。

首先，修改 board/Kconfig 文件，在config BSP_USING_HW_I2C6之前添加如下代碼行：

config BSP_USING_HW_I2C4
                bool "Enable I2C4 Bus (Arduino I2C)"
                default n
                if BSP_USING_HW_I2C4
                    comment "Notice: P8_0 -- > 64; P8_1 -- > 65"
                    config BSP_I2C4_SCL_PIN
                        int "i2c4 SCL pin number"
                        range 1 113
                        default 64
                    config BSP_I2C4_SDA_PIN
                        int "i2c4 SDA pin number"
                        range 1 113
                        default 65
                endif

接著，修改 libraries/HAL_Drivers/SConscript 文件，找到 src += ['drv_i2c.c'] 前一行，添加一個(gè)條件：

if GetDepend('BSP_USING_HW_I2C3') or GetDepend('BSP_USING_HW_I2C4') or GetDepend('BSP_USING_HW_I2C6'):

最后，修改 libraries/HAL_Drivers/drv_i2c.c 文件，具體修改內(nèi)容為：

--- a/libraries/HAL_Drivers/drv_i2c.c
+++ b/libraries/HAL_Drivers/drv_i2c.c
@@ -11,7 +11,7 @@
 #include "board.h"

 #if defined(RT_USING_I2C)
-#if defined(BSP_USING_HW_I2C3) || defined(BSP_USING_HW_I2C6)
+#if defined(BSP_USING_HW_I2C3) || defined(BSP_USING_HW_I2C4) || defined(BSP_USING_HW_I2C6)
 #include 

 #ifndef I2C3_CONFIG
@@ -22,7 +22,16 @@
         .sda_pin = BSP_I2C3_SDA_PIN, \\\\\\\\
     }
 #endif /* I2C3_CONFIG */
-#endif
+
+#ifndef I2C4_CONFIG
+#define I2C4_CONFIG                  \\\\\\\\
+    {                                \\\\\\\\
+        .name = "i2c4",              \\\\\\\\
+        .scl_pin = BSP_I2C4_SCL_PIN, \\\\\\\\
+        .sda_pin = BSP_I2C4_SDA_PIN, \\\\\\\\
+    }
+#endif /* I2C4_CONFIG */
+
 #ifndef I2C6_CONFIG
 #define I2C6_CONFIG                  \\\\\\\\
     {                                \\\\\\\\
@@ -32,11 +41,16 @@
     }
 #endif /* I2C6_CONFIG */

+#endif /* defined(BSP_USING_I2C1) || defined(BSP_USING_I2C2) */
+
 enum
 {
 #ifdef BSP_USING_HW_I2C3
     I2C3_INDEX,
 #endif
+#ifdef BSP_USING_HW_I2C4
+    I2C4_INDEX,
+#endif
 #ifdef BSP_USING_HW_I2C6
     I2C6_INDEX,
 #endif
@@ -63,6 +77,10 @@ static struct ifx_i2c_config i2c_config[] =
         I2C3_CONFIG,
 #endif

+#ifdef BSP_USING_HW_I2C4
+        I2C4_CONFIG,
+#endif
+
 #ifdef BSP_USING_HW_I2C6
         I2C6_CONFIG,
 #endif
@@ -145,8 +163,7 @@ void HAL_I2C_Init(struct ifx_i2c *obj)

 int rt_hw_i2c_init(void)
 {
-    rt_err_t result;
-    cyhal_i2c_t mI2C;
+    rt_err_t result = RT_EOK;

     for (int i = 0; i < sizeof(i2c_config) / sizeof(i2c_config[0]); i++)
     {
@@ -157,8 +174,6 @@ int rt_hw_i2c_init(void)
         i2c_objs[i].mI2C_cfg.address = 0;
         i2c_objs[i].mI2C_cfg.frequencyhal_hz = (400000UL);

-        i2c_objs[i].mI2C = mI2C;
-
         i2c_objs[i].i2c_bus.ops = &i2c_ops;

         HAL_I2C_Init(&i2c_objs[i]);
@@ -171,4 +186,4 @@ int rt_hw_i2c_init(void)
 }
 INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_i2c_init);

-#endif /* defined(BSP_USING_I2C1) || defined(BSP_USING_I2C2) */
+#endif /* RT_USING_I2C */

4.1 修改I2C和ssd1306軟件包配置

首先，打開(kāi)RT-Thread Settings的詳細(xì)配置，切換到硬件標(biāo)簽頁(yè)，關(guān)閉“Enable Software I2C Bus”配置項(xiàng)，如下圖所示：

接著，打開(kāi)“Enable Hardware I2C Bus”配置項(xiàng)，再打開(kāi)其中的“Enable I2C4 Bus (Arduino I2C)”配置項(xiàng)，如下圖所示：

最后，再次搜索ssd1306，點(diǎn)擊懸浮菜單，跳回到ssd1306配置，修改I2C bus name為 i2c4 ，如下圖所示：

完成修改后，按Ctrl+S保存配置。

4.2 編譯、下載、運(yùn)行

重新Ctrl+B編譯，Ctrl+Alt+D下載，按RESET鍵復(fù)位之后，重新運(yùn)行 ssd1306_TestAll 命令，可以看到，OLED屏幕成功顯示畫(huà)面了。

并且，這一次測(cè)得的幀率為7fps，如下圖所示：

這次顯示畫(huà)面快了很多，之前只有2fps，現(xiàn)在已經(jīng)7fps了；但還是不夠高，還可以繼續(xù)優(yōu)化。

接下來(lái)繼續(xù)優(yōu)化，提高幀率，提高幀率的思路：

• 提高I2C時(shí)鐘信號(hào)頻率
• 減少一幀畫(huà)面發(fā)送數(shù)據(jù)量

4.3 提高I2C時(shí)鐘信號(hào)頻率

接下來(lái)，分別從這兩方面嘗試提升幀率。

首先是提升I2C頻率，默認(rèn)的速度寫(xiě)在drv_i2c.c代碼里面：

i2c_objs[i].mI2C_cfg.frequencyhal_hz = (400000UL); // 400K

查閱芯片手冊(cè)，可以知道CY8C624ABZI芯片I2C最高支持1Mbps：

將drv_i2c.c里面的默認(rèn)I2C頻率改為1M之后，測(cè)試顯示的幀率為12fps：

4.5 減少一幀畫(huà)面發(fā)送數(shù)據(jù)量

查看ssd1306.c文件，發(fā)現(xiàn)可以優(yōu)化的代碼：

// Send data
void ssd1306_WriteData(uint8_t* buffer, size_t buff_size) 
{
#if PKG_USING_SSD1306_HW_I2C
    HAL_I2C_Mem_Write(&SSD1306_I2C_PORT, SSD1306_I2C_ADDR, 0x40, 1, buffer, buff_size, HAL_MAX_DELAY);
#else
   for (int i = 0; i < buff_size; i++)
   {
       uint8_t buf[2] = {SSD1306_CTRL_DATA, buffer[i]};
       rt_i2c_master_send(i2c_bus, SSD1306_I2C_ADDR, RT_I2C_WR, buf, 2);
   }
#endif
}

這段代碼中，PKG_USING_SSD1306_HW_I2C 宏內(nèi)部的分支是STM32的代碼，不用關(guān)系，主要看下面的分支；

下面的分支，使用了一個(gè)for循環(huán)，調(diào)用rt_i2c_master_send接口，每次卻只發(fā)送兩個(gè)字節(jié)，存在重復(fù)的大量的SSD1306_CTRL_DATA字節(jié)。

查詢SSD1306數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以知道，它是支持在一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)記字節(jié)之后，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的：

相應(yīng)的可以優(yōu)化為：

// Send data
void ssd1306_WriteData(uint8_t* buffer, size_t buff_size) 
{
    uint32_t len = buff_size + 1;
    uint8_t* data = rt_malloc(len); // 申請(qǐng)一個(gè)更大的緩沖
    RT_ASSERT(data);

    // 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)
    data[0] = SSD1306_CTRL_DATA;
    rt_memcpy(&data[1], buffer, buff_size);

    // 發(fā)送
    rt_i2c_master_send(i2c_bus, SSD1306_I2C_ADDR, RT_I2C_WR, data, len);

    rt_free(data); // 釋放
}

這段代碼修改之后，再次運(yùn)行，測(cè)得幀率為45fps：

更進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)還有優(yōu)化空間：

void ssd1306_UpdateScreen(void) 
{
    // Write data to each page of RAM. Number of pages
    // depends on the screen height:
    //
    //  * 32px   ==  4 pages
    //  * 64px   ==  8 pages
    //  * 128px  ==  16 pages
    for(uint8_t i = 0; i < SSD1306_HEIGHT/8; i++) 
    {
        ssd1306_WriteCommand(0xB0 + i); // Set the current RAM page address.
        ssd1306_WriteCommand(0x00);
        ssd1306_WriteCommand(0x10);
        ssd1306_WriteData(&SSD1306_Buffer[SSD1306_WIDTH*i],SSD1306_WIDTH);
    }
}

這個(gè)函數(shù)里面，從注釋可以知道，對(duì)于128x64分辨率的屏，會(huì)分為8頁(yè)進(jìn)行發(fā)送；每個(gè)頁(yè)面發(fā)送開(kāi)始的時(shí)候，會(huì)調(diào)用三次ssd1306_WriteCommand函數(shù)。

實(shí)際上可以不需要重復(fù)調(diào)用ssd1306_WriteCommand函數(shù)：

void ssd1306_UpdateScreen(void) 
{
    uint8_t cmd[] = {
        0X21,   // 設(shè)置列起始和結(jié)束地址
        0X00,   // 列起始地址 0
        0X7F,   // 列終止地址 127
        0X22,   // 設(shè)置頁(yè)起始和結(jié)束地址
        0X00,   // 頁(yè)起始地址 0
        0X07,   // 頁(yè)終止地址 7
    };
    uint32_t count = 0;
    uint8_t data[2 * sizeof(cmd) + 1 + SSD1306_BUFFER_SIZE ] = {};

    // copy cmd
    for (uint32_t i = 0; i < sizeof(cmd)/sizeof(cmd[0]); i++) {
        data[count++] = SSD1306_CTRL_CMD | SSD1306_MASK_CONT;
        data[count++] = cmd[i];
    }

    // copy frame data
    data[count++] = SSD1306_CTRL_DATA;
    memcpy(&data[count], SSD1306_Buffer, sizeof(SSD1306_Buffer));
    count += sizeof(SSD1306_Buffer);

    // send to i2c bus
    rt_i2c_master_send(i2c_bus, SSD1306_I2C_ADDR, RT_I2C_WR, data, count);
}

非常快了，已經(jīng)是最初2fps的25倍。

最終達(dá)到的幀率并沒(méi)有達(dá)到OLED屏幕的物理極限，可能還存在一些優(yōu)化空間，感興趣的讀者還可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探索。

文章就到這里，感謝閱讀，下次再會(huì)~

五、參考鏈接

1. RTT PSoC開(kāi)發(fā)板原理圖：IFX-PSoC6-RT-Thread-sch.pdf (gitee.com)
2. CY8C624A 芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)：Infineon-PSOC_6_MCU_CY8C62X8_CY8C62XA-DataSheet-v18_00-EN.pdf
3. CY8C624A 架構(gòu)參考手冊(cè)： Infineon-PSoC_6_MCU_CY8C6xx8_CY8C6xxA_Architecture_Technical_Reference_Manual_(TRM)-AdditionalTechnicalInformation-v08_00-EN.pdf
4. CY8C624A 寄存器參考手冊(cè)： Infineon-PSoC_6_MCU_CY8C62x8_CY8C62xA_Registers_Technical_Reference_Manual-AdditionalTechnicalInformation-v06_00-EN.pdf
5. Cypress HAL接口參考： Redirecting to Infineon GitHub (cypresssemiconductorco.github.io)