feat(display): 添加LVGL显示支持和PWM背光控制
添加了完整的LVGL集成支持，包括： - 在app.overlay中配置显示设备树，添加背光别名和SPI3总线支持 - 集成PWM背光控制，通过pwm-leds子系统管理背光亮度 - 配置LVGL自动初始化和工作队列运行模式 - 实现显示模块的工作队列更新机制，包含UI创建和定时刷新 - 添加详细的LVGL移植说明文档，涵盖设备树配置、调试步骤和常见问题 - 调整分区配置以适应LVGL固件大小需求 - 启用MCUBoot bootloader支持OTA功能 该变更使得系统能够在ST7789V显示屏上正常运行LVGL界面，并通过PWM控制背光。
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791
docs/lvgl_zephyr_porting_notes.md
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@@ -0,0 +1,791 @@
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# 基于 Zephyr 的 LVGL 移植说明
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## 1. 目标
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本文档记录 `new_kbd` 项目在 `atguigu_mini_keyboard/nrf52840` 板卡上调通 LCD 与 LVGL 的过程，重点覆盖以下内容:
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- 板级设备树需要满足的显示与背光条件
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- 如何先用最基础的 Zephyr `display` 子系统验证硬件链路
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- 如何切回 Zephyr 自带的 LVGL 适配层
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- 当前项目已经落地的关键配置
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- 常见问题与排查顺序
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本文档对应的工程位置:
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- 应用目录: `E:\projects\new_kbd`
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- 板卡目录: `E:\extra\boards\atguigu\atguigu_mini_keyboard`
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## 2. 硬件链路确认
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当前板卡上的显示相关资源如下:
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- 面板驱动: `sitronix,st7789v`
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- 总线: `mipi-dbi-spi`
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- 显示节点: `st7789v3`
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- 背光: `pwm_leds/backlight`
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- 背光 PWM 输出: `pwm0`
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板级 DTS 中的关键节点在:
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- [atguigu_mini_keyboard.dts](E:\extra\boards\atguigu\atguigu_mini_keyboard\atguigu_mini_keyboard.dts)
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- [atguigu_mini_keyboard-pinctrl.dtsi](E:\extra\boards\atguigu\atguigu_mini_keyboard\atguigu_mini_keyboard-pinctrl.dtsi)
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当前已经确认:
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- 屏幕本身可以通过 Zephyr `display_write()` 正常显示颜色切换画面
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- 背光不是普通 GPIO 开关，而是 `pwm-leds` 设备
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- `p0.13` 与当前 LCD 使能无关，已经从显示路径里移除
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这意味着:
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- SPI/MIPI DBI 链路是通的
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- ST7789V 初始化参数至少在当前板上可用
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- 背光控制链路是通的
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- 后续如果 LVGL 出现黑屏，优先怀疑的是 LVGL 初始化、线程模型或对象刷新，而不是底层显示驱动
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## 3. 设备树要求
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应用侧 overlay 在:
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- [app.overlay](E:\projects\new_kbd\app.overlay)
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当前与显示相关的关键要求有三条:
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### 3.1 选择显示设备
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必须在 `chosen` 中指定:
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```dts
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/ {
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chosen {
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zephyr,display = &st7789v3;
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};
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};
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```
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否则 Zephyr 的 `display` 子系统和 LVGL 模块都找不到目标显示设备。
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### 3.2 打开显示控制器和面板节点
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应用 overlay 中需要显式把下面这些节点设为 `okay`:
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```dts
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&spi2 {
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status = "okay";
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};
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&mipi_dbi {
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status = "okay";
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};
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&st7789v3 {
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status = "okay";
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};
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```
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### 3.3 打开 PWM 背光
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当前背光不是由显示驱动自动管理，而是走 LED/PWM 子系统，所以还需要:
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```dts
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/ {
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aliases {
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backlight = &backlight;
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};
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};
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&pwm_leds {
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status = "okay";
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};
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&pwm0 {
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status = "okay";
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};
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```
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这样应用代码里可以通过 `LED_DT_SPEC_GET(DT_NODELABEL(backlight))` 拿到背光设备，再调用 `led_set_brightness_dt()` 设亮度。
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## 4. 先验证裸显示，再切回 LVGL
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这次移植采用了两阶段策略:
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### 4.1 第一阶段: 先验证 Zephyr `display` 子系统
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在这个阶段，应用不启用 LVGL，而是直接调用:
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- `display_get_capabilities()`
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- `display_blanking_off()`
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- `display_write()`
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通过 RGB565 彩条整屏写入，确认:
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- 面板已经真正收到像素数据
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- 刷新链路不是空转
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- 背光与显示内容是解耦的
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这个阶段已经验证成功，屏幕可以正常显示颜色切换画面。
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### 4.2 第二阶段: 切回 Zephyr 自带 LVGL 适配层
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在确认底层链路没问题后，再恢复 LVGL。这样如果再次黑屏，就可以把排查范围收缩到:
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- LVGL 是否真的初始化成功
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- UI 是否在正确线程创建
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- 对象是否被正确刷新
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- `display_blanking_off()` 与背光使能时机是否正确
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这个两阶段方法是这次调试中最关键的分界线。
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## 5. 当前 LVGL 方案
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当前项目使用的是 Zephyr 自带的 LVGL 移植，不再手写 `lv_timer_handler()` 主循环。
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相关应用代码在:
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- [display_module.c](E:\projects\new_kbd\src\modules\display_module.c)
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当前方案要点如下:
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### 5.1 使用 Zephyr 自带的 LVGL 自动初始化
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依赖 `CONFIG_LV_Z_AUTO_INIT=y`，由 Zephyr 在应用启动前完成:
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- `lv_init()`
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- display 注册
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- 渲染缓冲区创建
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- LVGL 核心初始化
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因此应用层不需要再手动调用 `lvgl_init()`。
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### 5.2 使用 Zephyr 的 LVGL workqueue
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依赖 `CONFIG_LV_Z_RUN_LVGL_ON_WORKQUEUE=y`。
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这样 LVGL 核心 `lv_timer_handler()` 由 Zephyr 模块自己调度，应用层不再手动驱动 LVGL 时钟。
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应用里如果还需要定期更新 UI，当前做法是:
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- 自己维护一个 `k_work_delayable`
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- 通过 `lvgl_get_workqueue()` 把这个 work 投递到 LVGL 专用 workqueue
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- 在 work 回调里 `lvgl_lock()` 后访问 LVGL API
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这样做的原因是:
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- 避免 UI 更新逻辑和 LVGL 核心不在同一执行上下文
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- 避免对象创建、样式更新与内部刷新竞争
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- 对当前板子来说，这是比“任意线程加锁直接操作 LVGL”更保守、更容易稳定的方案
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### 5.3 先开背光，再创建 UI
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当前时序是:
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1. `display_blanking_off()`
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2. `display_backlight_init()`
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3. 将显示模块标记为 ready
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4. 立即在 LVGL workqueue 上调度一次 UI 更新
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背光初始化通过 `pwm-leds` 完成，不再依赖额外 GPIO。
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### 5.4 当前 UI 验证策略
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为了避免“画面有了但刚好看不见”的误判，当前 UI 使用了高对比度方案:
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- 背景色在两种颜色之间切换
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- 标题为 `Zephyr LVGL running`
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- 计数文本为 `tick N`
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如果这三项都能显示，基本可以判定 LVGL 渲染链路已经正常工作。
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## 6. 当前关键配置
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应用配置文件在:
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- [prj.conf](E:\projects\new_kbd\prj.conf)
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当前与 LVGL/显示相关的关键配置如下:
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```conf
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CONFIG_DISPLAY=y
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CONFIG_MIPI_DBI=y
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CONFIG_ST7789V=y
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CONFIG_LVGL=y
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CONFIG_LV_CONF_MINIMAL=y
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||||
CONFIG_LV_BUILD_EXAMPLES=n
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||||
CONFIG_LV_BUILD_DEMOS=n
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||||
CONFIG_LV_USE_LABEL=y
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||||
CONFIG_LV_FONT_MONTSERRAT_14=y
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||||
CONFIG_LV_Z_AUTO_INIT=y
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CONFIG_LV_Z_BITS_PER_PIXEL=16
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||||
CONFIG_LV_Z_LVGL_MUTEX=y
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CONFIG_LV_Z_RUN_LVGL_ON_WORKQUEUE=y
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||||
CONFIG_LV_Z_MEM_POOL_SIZE=16384
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```
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各项含义:
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- `CONFIG_LV_Z_BITS_PER_PIXEL=16`
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与 ST7789V 当前 `RGB565` 像素格式对应，避免渲染缓冲格式不匹配
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- `CONFIG_LV_Z_LVGL_MUTEX=y`
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提供 `lvgl_lock()` / `lvgl_unlock()`，确保应用层访问 LVGL API 时有统一互斥保护
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- `CONFIG_LV_Z_RUN_LVGL_ON_WORKQUEUE=y`
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让 Zephyr 自动维护 LVGL 核心执行循环，不需要应用手动跑 `lv_timer_handler()`
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- `CONFIG_LV_Z_MEM_POOL_SIZE=16384`
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作为当前最小可工作的内存池配置
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## 7. 构建方式
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当前构建已不再默认强制使用 `-Og`，而是遵从工程自身配置。
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当前工程已经启用:
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```conf
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CONFIG_SIZE_OPTIMIZATIONS=y
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```
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因此默认会走 size optimization，适合当前 OTA 分区大小约束。
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### 7.1 当前构建 skill 的行为
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`ncs-fresh-build` skill 已经调整为:
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- 不再默认注入 `CONFIG_DEBUG_OPTIMIZATIONS=y`
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- 默认构建目录为项目根下的 `build`
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- 如果项目下已有 `build` 且带构建元数据，则执行 `resume build`
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- 如果不存在，则在项目根下创建 `build`
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也就是说，当前默认构建输出目录是:
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- `E:\projects\new_kbd\build`
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### 7.2 当前已验证的构建结果
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在当前 LVGL 配置下，系统构建通过，成功产出:
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- `merged.hex`
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- `dfu_application.zip`
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最近一次 LVGL 镜像的资源占用约为:
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- FLASH: `437780 / 482816`
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- RAM: `96052 / 256 KB`
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说明在当前 OTA 分区布局下，LVGL 版本仍然可以装下。
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## 8. 当前显示模块代码结构
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当前显示模块入口在:
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- [display_module.c](E:\projects\new_kbd\src\modules\display_module.c)
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整体逻辑如下:
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1. 等待 `main` 模块进入 `MODULE_STATE_READY`
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2. 检查显示设备是否 ready
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3. 读取显示能力并打印日志
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4. 调用 `display_blanking_off()`
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5. 初始化背光 PWM 亮度
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6. 将模块标记为 initialized
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7. 把第一个 UI 更新 work 投递到 LVGL workqueue
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8. 后续每秒更新一次背景与计数文本
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这种结构的好处是:
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- 显示模块与主应用启动顺序解耦
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- LVGL 核心循环交给 Zephyr 模块维护
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- 应用只负责自己的 UI 逻辑
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- 以后如果要继续扩展页面，也可以沿用同样的工作队列模型
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## 9. 常见问题与排查顺序
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### 9.1 背光亮，但完全黑屏
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先不要怀疑 LVGL，先切回裸 `display_write()` 测试版本。
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如果裸显示也黑屏，优先检查:
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- `zephyr,display` 是否指向正确节点
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- `spi2` / `mipi_dbi` / `st7789v3` 是否都为 `okay`
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- ST7789V 初始化参数是否匹配当前屏
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- 面板 offset / colmod / madctl 是否正确
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### 9.2 裸 `display_write()` 正常，但 LVGL 黑屏
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优先检查:
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- `CONFIG_LV_Z_RUN_LVGL_ON_WORKQUEUE` 是否启用
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- 应用是否仍在手动调用 `lv_timer_handler()`
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- UI 更新是否发生在错误线程
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- 是否遗漏 `lvgl_lock()`
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- 文本和背景颜色是否刚好一致
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### 9.3 背光不亮
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优先检查:
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- `backlight` alias 是否存在
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- `&pwm_leds` 是否启用
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- `&pwm0` 是否启用
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- `pwm0_default` 的 pinctrl 是否正确
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- 应用是否真的调用了 `led_set_brightness_dt()`
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### 9.4 构建能过，但镜像塞不进 OTA 分区
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优先检查:
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- 是否误用了 `-Og`
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- `CONFIG_SIZE_OPTIMIZATIONS` 是否生效
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- 是否启用了不必要的 LVGL demos/examples
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- 字体、部件和日志级别是否过大
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## 10. 后续建议
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如果后续继续完善显示功能，建议按下面顺序推进:
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1. 先固定当前最小可工作 UI，不要同时引入太多控件
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2. 增加 RTT 日志，确认 LVGL 初始化和周期更新是否稳定
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3. 再逐步接入输入设备或更复杂页面
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4. 最后再考虑动画、图片资源和更大的字体
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对当前项目来说，最重要的经验是:
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- 先把底层 `display` 写屏跑通
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- 再把问题收敛到 LVGL
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- 最后再处理更高层的 UI 逻辑
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这样可以显著降低显示移植的排查成本。
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## 11. ST7789V 设备树参数详细说明
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当前板上显示节点位于:
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- [atguigu_mini_keyboard.dts](E:\extra\boards\atguigu\atguigu_mini_keyboard\atguigu_mini_keyboard.dts)
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典型配置如下:
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```dts
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st7789v3: st7789v@0 {
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||||
compatible = "sitronix,st7789v";
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||||
status = "disabled";
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||||
reg = <0>;
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||||
mipi-max-frequency = <32000000>;
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||||
width = <320>;
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||||
height = <172>;
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||||
x-offset = <0>;
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||||
y-offset = <34>;
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||||
vcom = <0x2b>;
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||||
gctrl = <0x35>;
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||||
vrhs = <0x11>;
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||||
vdvs = <0x20>;
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||||
mdac = <0x60>;
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||||
lcm = <0x2c>;
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||||
colmod = <0x55>;
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||||
gamma = <0x01>;
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||||
porch-param = [ 0c 0c 00 33 33 ];
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||||
cmd2en-param = [ 5a 69 02 01 ];
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||||
pwctrl1-param = [ a4 a1 ];
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||||
pvgam-param = [ d0 00 02 07 0a 28 32 44 42 06 0e 12 14 17 ];
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||||
nvgam-param = [ d0 00 02 07 0a 28 31 54 47 0e 1c 17 1b 1e ];
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||||
ram-param = [ 00 f0 ];
|
||||
rgb-param = [ c0 02 14 ];
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||||
mipi-mode = "MIPI_DBI_MODE_SPI_4WIRE";
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||||
};
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```
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下面按类别说明这些参数的意义。
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### 11.1 设备身份与总线绑定
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#### `compatible = "sitronix,st7789v"`
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作用:
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||||
- 告诉 Zephyr 使用 ST7789V 显示驱动
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||||
- 绑定文件来自 [sitronix,st7789v.yaml](C:\ncs\v3.2.3\zephyr\dts\bindings\display\sitronix,st7789v.yaml)
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||||
- 驱动实现位于 [display_st7789v.c](C:\ncs\v3.2.3\zephyr\drivers\display\display_st7789v.c)
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||||
如果这个 `compatible` 不对，后续所有参数即使写对也不会被正确解释。
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#### `reg = <0>`
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作用:
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- 这是该显示器在父 `mipi_dbi` 总线上的片选号/地址索引
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- 对 SPI 模式来说，它最终会映射到父 SPI 控制器 `cs-gpios` 数组中的第几个片选
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||||
当前值是 `0`，表示使用父 SPI 控制器的第 0 个 CS。
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#### `mipi-mode = "MIPI_DBI_MODE_SPI_4WIRE"`
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作用:
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- 指定 ST7789V 通过 MIPI DBI Type-C 的 4 线 SPI 模式工作
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- 命令/数据区分不是靠 9-bit SPI，而是靠单独的 `dc-gpios`
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这对当前板子很重要，因为板上已经专门引出了 DC GPIO。
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#### `mipi-max-frequency = <32000000>`
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作用:
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- 指定面板接口希望使用的最高 SPI 时钟
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- 这个值会进入 `struct spi_config.frequency`
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- 最终实际频率还会受底层 SPI 控制器实例上限限制
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当前项目中:
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- 面板这里写的是 `32 MHz`
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- 底层已经把 LCD 切到 `spi3`
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- `spi3` 是 nRF52840 上支持 `32 MHz` 的高速 SPIM 实例
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因此这个值现在是有效的，不再像早期挂在 `spi2` 时那样被 SoC 侧 `8 MHz` 上限卡住。
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### 11.2 分辨率与有效显示窗口
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#### `width = <320>`
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作用:
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- Zephyr `display_get_capabilities()` 返回的水平分辨率
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- LVGL 也会按这个宽度创建显示对象和渲染缓冲
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在当前横屏模式下，宽度已经从竖屏时的 `172` 改为 `320`。
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#### `height = <172>`
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作用:
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- Zephyr `display_get_capabilities()` 返回的垂直分辨率
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- 决定应用层看到的逻辑屏高
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在当前横屏模式下，高度已经从竖屏时的 `320` 改为 `172`。
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#### `x-offset = <0>`
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作用:
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- 指定 LCD 实际可视窗口在 ST7789V GRAM 中的列偏移
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- 驱动在写入时，会把应用层传入的 `x` 坐标再加上这个偏移
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对应驱动代码:
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- `st7789v_set_lcd_margins()`
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- `st7789v_set_mem_area()`
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#### `y-offset = <34>`
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作用:
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- 指定 LCD 实际可视窗口在 ST7789V GRAM 中的行偏移
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- 驱动会把应用层传入的 `y` 坐标再加上这个偏移
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为什么横屏时从 `x-offset=34` 变成 `y-offset=34`:
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- 这块屏的物理可视区域不是完整的 240x320，而是裁剪出来的 `172x320`
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- 当通过 `mdac` 做 XY 轴交换后，原来沿 X 方向的裁剪，需要同步转移到 Y 方向
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这是横屏改造里最容易遗漏的一点。如果只改 `width/height` 和 `mdac`，不改 offset，画面通常会出现:
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- 偏移错位
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- 局部黑边
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- 显示越界
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### 11.3 方向控制
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#### `mdac = <0x60>`
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作用:
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- 对应 ST7789V 的 `MADCTL` 寄存器，即 Memory Data Access Control
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- 用于控制:
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- X/Y 轴交换
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- 左右镜像
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- 上下镜像
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- RGB/BGR 顺序
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对应驱动里的寄存器命令:
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- `ST7789V_CMD_MADCTL`
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当前值 `0x60` 的核心意义是:
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- 打开 `MV`，进行 XY 轴交换
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- 再配合镜像位，把竖屏坐标系旋转为横屏
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对当前项目来说，`mdac` 是“横竖屏切换的核心参数”。
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如果上板后发现:
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- 画面已经横过来，但方向反了
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- 或左右/上下镜像不对
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通常只需要继续调整 `mdac`，而不一定需要再动 `width/height`。
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### 11.4 面板电气与模拟参数
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下面这几项大多属于“面板电气初始化参数”，通常来自原厂例程、模组 demo、已有验证过的初始化序列，或者靠经验调通。
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它们的共同特点是:
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- 不建议随便改
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- 改错后往往不是“完全不亮”，而是
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- 偏色
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- 闪烁
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- 对比度差
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- 稳定性差
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- 局部异常
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#### `vcom = <0x2b>`
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作用:
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- VCOM 电压相关设置
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- 影响液晶驱动偏置和整体显示稳定性
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常见现象:
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- 值不合适时，可能出现闪烁、灰阶异常、残影或对比度不自然
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#### `gctrl = <0x35>`
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作用:
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- Gate Control，控制面板栅极驱动相关参数
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它更接近面板扫描电路的底层设置，一般按已知可工作配置保留。
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#### `vrhs = <0x11>`
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作用:
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- VRH setting，电压参考相关参数之一
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#### `vdvs = <0x20>`
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作用:
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- VDV setting，和驱动电压微调相关
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注意:
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- 驱动里只有同时存在 `vrhs` 和 `vdvs` 时，才会开启对应的 `VDVVRHEN` 流程
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#### `lcm = <0x2c>`
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作用:
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- LCM control，面板控制相关寄存器值
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一般与模组硬件特性绑定，不建议脱离原配置单独尝试。
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#### `gamma = <0x01>`
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作用:
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- Gamma curve 选择
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- 会影响亮度过渡、灰阶、色彩观感
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### 11.5 像素格式与颜色相关
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#### `colmod = <0x55>`
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作用:
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- 对应 `COLMOD`，即 Interface Pixel Format
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- 决定总线传输的像素位宽
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当前值 `0x55` 表示 `RGB565 / 16-bit` 模式，这与当前软件配置完全一致:
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- `CONFIG_ST7789V_RGB565=y`
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- `CONFIG_LV_Z_BITS_PER_PIXEL=16`
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如果这里和软件配置不匹配，常见现象包括:
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- 颜色错乱
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- 红蓝交换
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- 图像看起来像“马赛克”或数据错位
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#### `ram-param = [ 00 f0 ]`
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作用:
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- 对应 `RAMCTRL`
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- 控制显示 RAM 访问的一些底层行为
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这类参数通常和像素格式、总线模式、厂商推荐初始化序列成组使用。
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#### `rgb-param = [ c0 02 14 ]`
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作用:
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- 对应 `RGBCTRL`
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- 设置 RGB 接口/时序相关参数
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虽然当前走的是 SPI MIPI DBI，不是传统 RGB 并口，但 ST7789V 仍要求这组寄存器初始化。
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### 11.6 时序与前后肩参数
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#### `porch-param = [ 0c 0c 00 33 33 ]`
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作用:
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- 对应 `PORCTRL`
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- 设置 porch，也就是显示时序中的前后肩、空白区参数
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这些参数会影响:
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- 帧时序稳定性
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- 扫描边界
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- 某些情况下的闪烁或边缘异常
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这组值一般与具体模组匹配，建议保留已有验证值。
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### 11.7 扩展命令与电源控制参数
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#### `cmd2en-param = [ 5a 69 02 01 ]`
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作用:
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- 对应 `CMD2EN`
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- 开启 ST7789V 扩展命令页
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如果这一步配置错误，后面某些扩展寄存器写入可能根本不会生效。
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#### `pwctrl1-param = [ a4 a1 ]`
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作用:
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- 对应 `PWCTRL1`
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- 电源控制相关参数
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这会影响面板驱动供电行为和显示稳定性。
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### 11.8 Gamma 曲线表
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#### `pvgam-param = [ d0 00 02 07 0a 28 32 44 42 06 0e 12 14 17 ]`
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作用:
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- 对应 `PVGAMCTRL`
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- Positive Voltage Gamma Control 参数表
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#### `nvgam-param = [ d0 00 02 07 0a 28 31 54 47 0e 1c 17 1b 1e ]`
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作用:
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- 对应 `NVGAMCTRL`
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- Negative Voltage Gamma Control 参数表
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这两组参数共同决定:
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- 亮暗过渡
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- 色调倾向
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- 灰阶表现
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调这些参数通常属于“画质微调”，不是基础 bring-up 阶段的首选手段。除非当前已经能稳定显示，只是观感明显不对，否则不建议优先改这里。
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### 11.9 这些参数里最关键、最常改的是哪些
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在实际移植中，最常需要改的是下面这几项:
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- `width`
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- `height`
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- `x-offset`
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- `y-offset`
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- `mdac`
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- `mipi-max-frequency`
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- `colmod`
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其中:
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- `width/height/x-offset/y-offset/mdac`
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主要决定方向、有效显示区域和坐标映射
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- `mipi-max-frequency`
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主要决定带宽上限
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- `colmod`
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主要决定像素格式是否与软件配置匹配
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而像下面这些:
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- `vcom`
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- `gctrl`
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- `vrhs`
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- `vdvs`
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||||
- `lcm`
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||||
- `gamma`
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||||
- `porch-param`
|
||||
- `cmd2en-param`
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||||
- `pwctrl1-param`
|
||||
- `pvgam-param`
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||||
- `nvgam-param`
|
||||
- `ram-param`
|
||||
- `rgb-param`
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||||
更像是“面板模组初始化模板的一部分”，通常是在已有可工作基础上尽量保持不动。
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### 11.10 当前项目的实用建议
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对当前这块屏来说，后续如果还要继续调整显示方向或显示区域，建议按下面顺序操作:
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1. 先改 `mdac`
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2. 再配套检查 `width/height`
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3. 最后再修 `x-offset/y-offset`
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不要一上来同时改所有寄存器，否则很难判断到底是哪一项导致了:
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- 图像颠倒
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- 画面偏移
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- 部分区域黑边
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- 写入越界
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对当前项目，真正应该高频修改的设备树参数，其实主要就是这 5 项:
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- `width`
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- `height`
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- `x-offset`
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- `y-offset`
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- `mdac`
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