Air32F103试玩-移植LVGL+FreeRTOS
上个月合宙推出了一款Air32F103芯片，保持很低价格的同时，兼容STM32，并最高拥有64k RAM+256k ROM，并最高可以跑到216MHz。本文介绍如何将STM32标准库工程升级到Air32F103工程，移植FreeRTOS与LVGL，并分析其性能表现。5元钱的MCU能否流畅运行LVGL？
Air32F103体验
Air32F103是合宙推出的MCU，该MCU同样是以直接兼容STM32作为卖点，但相对于之前测试的AT32F403A，它在某些外设上并不能做到完全兼容，这在其官方文档中也有所提及。但是，对于不使用不兼容外设的场合，该芯片同样能够直接当作STM32进行开发，并且还在多个方面相对STM32进行了升级。
Air32系列芯片也有许多容量型号可选，我选择了QFP48封装所能提供最大存储容量的Air32F103CC，该芯片相对于STM32F103大容量型号，主要有以下几个升级点：
216MHz的Cortex-M3内核（可以稳定超频运行在256MHz），且运行在216MHz下时，全部Flash区域仅需1个等待周期；- 新增了一些外设，包括
ADC3TRNGTIM9-TIM14等； - 对现有外设进行了增强，例如内置USB上拉电阻、GPIO可以独立上下拉等；
移植FreeRTOS与LVGL
由于Air32F103能够兼容STM32，因此本代码基于STM32F1的标准库，并增加了Air32专有的代码。
本工程针对Air32F103CCT6芯片，使用硬件SPI+DMA的方式驱动GC9306X控制器的320x240LCD屏幕，并支持双缓冲模式，几乎榨干了Air32所有的性能。同时，使用RTOS保证了DMA传输过程中CPU能够进入休眠，降低系统功耗。
请使用较新版本的Keil，旧版本的Keil可能会出现编译出的程序运行错误的问题。
本工程经实测可以使用Keil5.36正常编译。
工程组件
本文所使用的工程组件均来自原汁原味的官方最新版，除了配置文件之外绝无任何魔改。
- FreeRTOS来自FreeRTOS官网中最新的
LTS 202012.04版本； - LVGL来自官网LVGL官方GitHub仓库中最新的
LVGL 8.3.1版本。
注意事项
中断优先级
Air32的NVIC中断优先级只有3位，而不是STM32的4位。若想使用STM32的标准库，则需要在FreeRTOSConfig.h头文件中修改__NVIC_PRIO_BITS默认的值。
#ifndef __FREERTOS_CONFIG_H
#define __FREERTOS_CONFIG_H
#include "stm32f10x.h"
#undef __NVIC_PRIO_BITS
#define __NVIC_PRIO_BITS 3
Air32专用PLL库
Air32可以支持到比STM32默认72MHz更高的时钟频率，但是需要来自合宙的闭源PLL库。为此，我将STM32原版的system_stm32f10x.c排除编译，然后实现了自己的SystemInit()函数。该函数可以从合宙官方的SDK中获取。
void SystemInit(void)
{
RCC_DeInit(); //复位RCC寄存器
RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON); //使能HSE
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET); //等待HSE就绪
RCC_PLLCmd(DISABLE); //关闭PLL
AIR_RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_32, 1); //配置PLL, 8*32=256MHz
RCC_PLLCmd(ENABLE); //使能PLL
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET); //等待PLL就绪
RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); //选择PLL作为系统时钟
RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); //配置AHB时钟
RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2); //配置APB1时钟
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1); //配置APB2时钟
RCC_LSICmd(ENABLE); //使能内部低速时钟
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) == RESET); //等待LSI就绪
RCC_HSICmd(ENABLE); //使能内部高速时钟
while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSIRDY) == RESET); //等待HSI就绪
}
然后，将air.lib加入工程中，并自己定义AIR_RCC_PLLConfig()函数的原型与SystemCoreClock的值。Air32支持比STM32标准库更高的RCC_PLLMul_xx值，因此还需要将air32f10x.h中新增的PLL值复制到自己的代码中，这样可以在使用熟悉的STM32标准库的同时，使用到Air32的增强功能。
#define RCC_PLLMul_17 ((uint32_t)0x10000000)
#define RCC_PLLMul_18 ((uint32_t)0x10040000)
#define RCC_PLLMul_19 ((uint32_t)0x10080000)
#define RCC_PLLMul_20 ((uint32_t)0x100C0000)
#define RCC_PLLMul_21 ((uint32_t)0x10100000)
#define RCC_PLLMul_22 ((uint32_t)0x10140000)
#define RCC_PLLMul_23 ((uint32_t)0x10180000)
#define RCC_PLLMul_24 ((uint32_t)0x101C0000)
#define RCC_PLLMul_25 ((uint32_t)0x10200000)
#define RCC_PLLMul_26 ((uint32_t)0x10240000)
#define RCC_PLLMul_27 ((uint32_t)0x10280000)
#define RCC_PLLMul_28 ((uint32_t)0x102C0000)
#define RCC_PLLMul_29 ((uint32_t)0x10300000)
#define RCC_PLLMul_30 ((uint32_t)0x10340000)
#define RCC_PLLMul_31 ((uint32_t)0x10380000)
#define RCC_PLLMul_32 ((uint32_t)0x103C0000)
uint32_t SystemCoreClock = 256000000;
uint32_t AIR_RCC_PLLConfig(uint32_t RCC_PLLSource, uint32_t RCC_PLLMul, uint8_t Latency);
Keil编译器设置
LVGL需要最低支持C99的编译器才能正确编译，因此需要开启Keil AC5的C99模式。同时，为了减少生成固件的体积，建议选择最高级别的-O3优化。
组件库的裁剪与优化
由于芯片的RAM空间有限，因此需要对芯片的RAM空间进行一定的规划与优化。程序中占用RAM较大的部分与相应的规划如下：
- 系统栈：由于使用了
FreeRTOS，各个Task有其自己的任务栈，因此系统栈只有ISR与main函数使用。因此，在startup_stm32f10x_hd.s中将Stack_Size改为0x00000100，即256字节。 - 任务栈：目前的代码中只有三个Task，分别是
LVGL TaskLED Task与IDLE Task。其中，LED Task与IDLE Task都非常简单，为它们设置128字节的任务栈；LVGL Task较为复杂，根据官方推荐的2-8k范围，设置为4k。 - LVGL堆：LVGL的所有的句柄都是动态内存，因此其自己维护了一个堆空间。堆空间的大小可以在
lv_conf.h中的LV_MEM_SIZE中修改，您可以根据自己使用的UI复杂度对其进行修改。对于benchmarkdemo，12k即可满足要求。 - LVGL缓冲区：LVGL需要将画面渲染到缓冲区中，之后再刷新到屏幕上。本工程支持单缓冲与双缓冲模式（可以在Keil的Target中选择），单缓冲模式使用1个
240x40像素的缓冲区，双缓冲模式则使用2个240x40像素的缓冲区。使用双缓冲模式可以在DMA控制器向屏幕写入一个缓冲区的数据时，CPU继续渲染到另一个缓冲区中，提升渲染效率，但会占用双倍的缓冲区。
同时，由于芯片的ROM空间也有限，因此我裁剪了一些LVGL与FreeRTOS的功能。您可以在lv_conf.h与FreeRTOSConfig.h中自行开关它们。benchmarkdemo中包含了大量的字体与图像，因此导致最终编译生成的bin文件较大。只使用FreeRTOS与LVGL内核时，ROM占用约120k。使用常用的空间后，还能剩余约100k空间给用户开发自己的应用。
运行效果
单缓冲模式的存储空间占用情况如下：
Total RO Size (Code + RO Data) 230904 ( 225.49kB)
Total RW Size (RW Data + ZI Data) 40768 ( 39.81kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data) 231472 ( 226.05kB)
跑分结果如下：
双缓冲模式的存储空间占用情况如下：
Total RO Size (Code + RO Data) 230928 ( 225.52kB)
Total RW Size (RW Data + ZI Data) 59968 ( 58.56kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data) 231496 ( 226.07kB)
跑分结果如下：
可以看出，单缓冲模式相比双缓冲模式节约了大量的RAM，帧数却只下降了25%，因此单缓冲模式更具有实用意义。这主要是因为，在复杂UI界面下，瓶颈主要在CPU的运算速度上，而不是向屏幕写入缓冲区的IO操作上。
总结
5元钱的Air32F103确实具有了流畅运行LVGL的能力，并且还有100k左右的ROM和超过20k的RAM空间可用，这使得在Air103上使用LVGL+FreeRTOS的同时开发复杂的用户程序成为了可能，我们又多了一个高性价比的国产MCU选择。