用树莓派改造 NumWorks 计算器

本期我们将用树莓派 Zero 研究 STM32，内容主要包括 DMA 和中断方面，用于改造 NumWorks 计算器 。由于 NumWorks 计算器是由 STM32F412 驱动，那么何不试着把它们放在一起，看看是什么效果。

如果你希望马上体验 NumWorks 的功能，这里有一个线上的 NumWorks 模拟器：
https://www.numworks.com/simulator/

工作原理

1、在计算器上添加一个应用程序，该程序将显示树莓派的输出以及从键盘向其发送的按键数据。
2、在树莓派上通过 SPI 驱动 fbtft 进行显示，并且 NumWorks 的一些裸露的焊盘包含了 SPI 总线。

效果视频如下：
https://v.qq.com/x/page/j3039nzaas0.html

显示来自 SPI 的数据

计算器固件已经完成了所有艰苦的底层工作（初始化显示），并提供了用于控制显示的 API。实际上，它是由 FSMC（柔性静态内存控制器）驱动的，因此从 CPU 的角度来看，该显示可通过两个静态地址访问，一个用于命令，一个用于数据，宽度为 16 位。

对于此应用程序，唯一需要设置的命令，是像素显示区域的命令，它已经在固件中实现。其中，推入像素就像将每个像素依次写入数据地址一样简单，并且它们将会在标准监视器中从左到右，从上到下显示。

因此，只需要将像素从 SPI 控制器复制到显示地址。对于 DMA 引擎来说，复制像素是非常简单的。

窗口的设置是在每一帧之前完成的，使用 SPI 总线中未使用的 MISO 引脚作为软件芯片的选择。因此，当 MISO 变低时，触发将中断，设置 SPI 控制器上的软件芯片选择，用于接受传入的数据，并在显示控制器中配置窗口，覆盖整个屏幕。

设置窗口大约需要 3µs，因此 DMA 的第一个字将延迟到达。在树莓派端，芯片选择和第一个输入字节之间大约有 10 µs 的延迟。

设置 GPIO

SPI 引脚必须设置为第二功能模式，以便在内部连接到 SPI 控制器。MISO 引脚保留为普通 GPIO，因为它用于触发中断。

GPIOA.MODER()->setMode(5, GPIO::MODER::Mode::AlternateFunction);
GPIOA.AFR()->setAlternateFunction(5, GPIO::AFR::AlternateFunction::AF5);
GPIOA.MODER()->setMode(6, GPIO::MODER::Mode::Input);
GPIOA.MODER()->setMode(7, GPIO::MODER::Mode::AlternateFunction);
GPIOA.AFR()->setAlternateFunction(7, GPIO::AFR::AlternateFunction::AF5);

设置 SPI 控制器

SPI 控制器的配置非常简单。它设置为 16 位模式，即 RXONLY 和软件芯片选择。MISO 引脚被复用于芯片选择。

SPI1.CR1()->setRXONLY(true);
SPI1.CR1()->setSSI(true); // Software chip select
SPI1.CR1()->setSSM(true); // Software chip select mode
SPI1.CR1()->setDFF(true); // 16 bits
SPI1.CR1()->setSPE(true); // enable

设置 DMA 控制器

为了使 DMA 工作，需要选择正确的 DMA 控制器，流和通道。然后配置源地址（此处为 SPI1 数据寄存器），目标地址（显示控制器数据地址），源和目标数据宽度（ 16 位），模式（循环）以及编号要传送的数据（此处为 1，因为我们处于循环模式）。无需增加源/目标地址，它始终是相同的。

DMAEngine.SPAR(DMAStream)->set((uint32_t)SPI1.DR()); // Source
DMAEngine.SM0AR(DMAStream)->set((uint32_t)Ion::Display::Device::DataAddress); // Destination
DMAEngine.SNDTR(DMAStream)->set(1); // Number of items
DMAEngine.SCR(DMAStream)->setCHSEL(3); // SPI Channel
DMAEngine.SCR(DMAStream)->setDIR(DMA::SCR::Direction::PeripheralToMemory);
DMAEngine.SCR(DMAStream)->setMSIZE(DMA::SCR::DataSize::HalfWord);
DMAEngine.SCR(DMAStream)->setPSIZE(DMA::SCR::DataSize::HalfWord);
DMAEngine.SCR(DMAStream)->setCIRC(true); // Circular
DMAEngine.SCR(DMAStream)->setEN(true); // Enable

设置 SPI 控制器以发出 DMA 请求

启用 SPI 控制寄存器中的 RXDMAEN bit 即可完成。

SPI1.CR2()->setRXDMAEN(true); // enable DMA requests

通过 MISO 引脚设置中断

这个部分设置比较复杂。引脚和实际的中断处理程序之间有多个抽象级别。
1、将 EXTI（外部中断/事件控制器）配置为触发 NVIC （嵌套矢量中断控制器）中的中断线。
2、启用 NVIC 线，并定义相应的中断处理程序。不要忘记在处理程序中确认中断。

SYSCFG.EXTICR2()->setEXTI(Ion::Rpi::Device::ChipSelectPin, Ion::Rpi::Device::ChipSelectGPIO);
EXTI.RTSR()->set(Ion::Rpi::Device::ChipSelectPin, true);
EXTI.FTSR()->set(Ion::Rpi::Device::ChipSelectPin, true);
NVIC.NVIC_ISER0()->set(23, true);

中断处理程序
这里有两种情况：
当 CS 变低时，它将激活 SPI 控制器的软件芯片选择，然后触发显示控制器中窗口的配置。
当 CS 变高时，它会禁用 SPI 控制器的软件芯片选择。SPI 上收到的任何数据都将被丢弃。

void rpi_isr() {
EXTI.PR()->set(Ion::Rpi::Device::ChipSelectPin, true);

if(GPIOA.IDR()->get(6)) {
SPI1.CR1()->setSSI(true);
} else {
Ion::Display::Device::setDrawingArea(KDRect(0,0,320,240), Ion::Display::Device::Orientation::Landscape);
*Ion::Display::Device::CommandAddress = Ion::Display::Device::Command::MemoryWrite;
SPI1.CR1()->setSSI(false);
}
}

注意：
如果出现问题，不进行错误处理的话，整个链就可能会被阻塞。这主要发生在 SPI 控制器上。如果DMA 读取数据的速度不够快，它将被卡住，等待错误的确认。

通过 SPI 总线发送树莓派显示

按计划使用原始的 fbtft，但研究代码之后发现不能直接使用，因为它直接访问显示控制器，用于优化像素的推送（通过限制到屏幕上已更改的区域）。但我不想在计算器上实现这种功能，因此我决定自己编写代码。
https://github.com/notro/fbtft

通过使用 fbtft 的概念和代码，fbtft 是 Sprite_tm 编写的另一个驱动程序，也是内核内的 vfb 驱动程序，我组装了一个 “quick and dirty” linux 模块，该模块能满足我的需要：将整个帧缓冲区推到 SPI 总线。
http://spritesmods.com/?art=spitft
https://github.com/torvalds/linux/blob/ffefb181728f7b97df49ceba18cacfb6c5ee19f2/drivers/video/fbdev/vfb.c

显示器为 320x240 像素，每个 16bpp，因此每帧为 1228800 位。STM32F412 的最大 SPI 频率为 50MHz，但树莓派无法精确产生。经过测试使用 62.5 MHz，运行良好，因此，理论上最大帧速率为(1228800/(62.5x106))−1 ≈ 50 fps。
https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/spi/README.md

设置键盘

这是计算器上应用程序的最“灵活”的部分（SPI 和 DMA 在后台运行）。计算器只是通过 UART 将固件的键盘扫描例程的结果（64 位位域）发送到树莓派。在树莓派这端，守护程序在 UART 上侦听，并使用 uinput 生成内核的密钥代码。
https://www.kernel.org/doc/html/v4.12/input/uinput.html

在 Linux 端使用自定义键映射。我没有采用这种方式，因为仍然可以使用外部蓝牙键盘（而且我不知道是否可以在多个键盘上使用不同的键盘映射）。你可以去试试。

计算器键盘只有 46 个键，因此为了映射足够的键，按钮 “ x，n，t” 和 “ var” 用于在标准键和数字之间切换。并非标准键盘的所有键都被映射。这一点值得加强。

鼠标仅依赖于 X.Org 的鼠标仿真。按下电源按钮即可触发。
https://wiki.archlinux.org/index.php/Xorg/Keyboard_configuration#Enabling_mouse_keys

Calc          Keymap 1          Keymap 2

{"left",      {KEY_KP4,         KEY_KP4}},
{"up",        {KEY_KP8,         KEY_KP8}},
{"down",      {KEY_KP2,         KEY_KP2}},
{"right",     {KEY_KP6,         KEY_KP6}},
{"ok",        {BTN_LEFT,        BTN_LEFT}},
{"back",      {BTN_RIGHT,       BTN_RIGHT}},
{"home"},     // not handled here
{"power"},    // toggle mouse mode
{NULL},
{NULL},
{NULL},
{NULL},
{"shift",     {KEY_LEFTSHIFT,   KEY_LEFTSHIFT}},
{"alpha",     {KEY_CAPSLOCK,    KEY_CAPSLOCK}},
{"xnt"},      // Switch to first keymap
{"var"},      // Switch to second keymap
{"toolbox",   {KEY_RIGHTALT,    KEY_RIGHTALT}},
{"backspace", {KEY_BACKSPACE,   KEY_ESC}},
{"A",         {KEY_Q,           KEY_F1}},
{"B",         {KEY_B,           KEY_F2}},
{"C",         {KEY_C,           KEY_F3}},
{"D",         {KEY_D,           KEY_F4}},
{"E ,",       {KEY_E,           KEY_F5}},
{"F",         {KEY_F,           KEY_F6}},
{"G",         {KEY_G,           KEY_F7}},
{"H",         {KEY_H,           KEY_F8}},
{"I",         {KEY_I,           KEY_F9}},
{"J",         {KEY_J,           KEY_F10}},
{"K",         {KEY_K,           KEY_F11}},
{"L",         {KEY_L,           KEY_F12}},
{"M 7",       {KEY_SEMICOLON,   KEY_7}},
{"N 8",       {KEY_N,           KEY_8}},
{"O 9",       {KEY_O,           KEY_9}},
{"P (",       {KEY_P,           KEY_5}},
{"Q )",       {KEY_A,           KEY_MINUS}},
{NULL},
{"R 4",       {KEY_R,           KEY_4}},
{"S 5",       {KEY_S,           KEY_5}},
{"T 6",       {KEY_T,           KEY_6}},
{"U *",       {KEY_U,           KEY_KPASTERISK}},
{"V /",       {KEY_V,           KEY_KPSLASH}},
{NULL},
{"W 1",       {KEY_Z,           KEY_1}},
{"X 2",       {KEY_X,           KEY_2}},
{"Y 3",       {KEY_Y,           KEY_3}},
{"Z +",       {KEY_W,           KEY_KPPLUS}},
{"space -",   {KEY_SPACE,       KEY_KPMINUS}},
{NULL},
{"? 0",       {KEY_M,           KEY_0}},
{"! .",       {KEY_COMMA,       KEY_COMMA}},
{"x10^x",     {KEY_LEFTCTRL,    KEY_LEFTCTRL}},
{"ans",       {KEY_LEFTALT,     KEY_LEFTALT}},
{"exe",       {KEY_ENTER,       KEY_EQUAL}},

给树莓派供电

我首先采用的板子是树莓派 zero，不带 WiFi 版。当以 2.8 V（计算器上的内部稳压电压）供电时，起初工作良好，而且板子上配备了 SD 读卡器和一个晶体管来控制其电源。我决定重新使用 SD 电源板来控制树莓派的电源。

但之后发现，没有 WiFi 还是不方便，最终还是采用了带 WiFi 的版本。注意，2.8V 的电源不能稳定运行，WiFi 版本需要 3V 电源。禁用 WiFi 芯片（config.txt 中的 “dtoverlay=pi3-disable-wifi”）可以使树莓派在 2.8 V 的情况下正常工作。
https://www.cypress.com/file/298756/download

最后，我选用电池直接为树莓派供电。由于无法再使用 SD 卡的占用空间，因此在 SD 推车插槽占用空间的未连接引脚上焊接了晶体管，并以“自由型”方式上拉了电阻。

我使用了一个 NTR1P02LT1 和一个 10kΩ 电阻，但是任何能够处理至少 100 mA电流的 P 通道 MOSFET 也应该不错。

电压水平没有问题，因为 STM32 上使用的所有引脚都可承受 5V 电压。
树莓派会在进入应用程序时启动，并在计算器关闭电源时关闭。因此，可以根据需要离开或进入树莓派应用程序。

安装计算器

计算器很容易放入树莓派。树莓派的连接器所在的位置没有组件。我在 HDMI 接口和计算器的显示接口上用双面胶将其固定到位。
但还是有点厚，所以原后盖无法使用（切掉了垂直凸片），但可以将它留在原处。

树莓派的软件配置

GitHub 库：
https://github.com/zardam/spifb
仅需要安装内核头文件，编译，安装和自动加载模块。

sudo apt-get install raspberrypi-kernel-headers build-essential
git clone https://github.com/zardam/spifb.git
cd spifb
make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$PWD
sudo make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$PWD modules_install
sudo depmod -a

/etc/modules

spi-bcm2835
spifb
uinput

/boot/config.txt

dtparam=spi=on

# Disable HDMI output, saves some power
hdmi_blanking=2

# Enable the mini uart (/dev/ttyS0 on a PI Zero W)
enable_uart=1

# Disable LED, saves some power
dtparam=act_led_trigger=none
dtparam=act_led_activelow=on

这里会出现两种可能性：
直接使用帧缓冲区。这是最简单的方法，但是树莓派 GPU 的硬件加速将不可用。
使用 fbcp 将普通帧缓冲区（fb0）复制到 SPI 帧缓冲区（spi1）。该副本会带来一些 CPU 开销，但是可以使用硬件加速，并且可以缩放帧缓冲区，因为 320x240 的分辨率几乎无法使用。

直接使用帧缓冲区
配置与使用 fbtft 相同。
/boot/cmdline.txt

fbcon=map:10

X Server

sudo apt-get install xserver-xorg-video-fbdev

/usr/share/X11/xorg.conf.d/99-fbdev.conf

Section "Device"  
  Identifier "myfb"
  Driver "fbdev"
  Option "fbdev" "/dev/fb1"
EndSection

fbcp
我使用了分支，用 CMake 来构建。
https://github.com/Oper8or/rpi-fbcp

sudo apt-get install cmake
git clone https://github.com/Oper8or/rpi-fbcp.git
cd rpi-fbcp
mkdir build
cd build
cmake ..
make

/boot/config.txt

hdmi_force_hotplug=1
hdmi_cvt=640 480 60 1 0 0 0
hdmi_group=2
hdmi_mode=87

/etc/systemd/system/fbcp.service

[Unit]
Description=NumWorks input device
After=systemd-modules-load.service

[Service]
Type=simple
WorkingDirectory=/home/pi/rpi-fbcp/build
ExecStart=/home/pi/rpi-fbcp/build/fbcp
User=root
Group=root
Restart=on-failure

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启用并启动服务

sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable fbcp
sudo systemctl start fbcp

键盘

GitHub 库：
https://github.com/zardam/uinput-serial-keyboard

git clone https://github.com/zardam/uinput-serial-keyboard
cd uinput-serial-keyboard
gcc uinput.c -o uinput

需要在 lxde 会话配置中禁用 lxkeymap（只使用 GUI 工具）。
必须禁用 linux 串行控制台。在 /boot/cmdline.txt 中，删除：

console=serial0,115200

/etc/systemd/system/nwinput.service

[Unit]
Description=NumWorks input device

[Service]
Type=simple
WorkingDirectory=/home/pi/uinput-serial-keyboard/
ExecStart=/home/pi/uinput-serial-keyboard/uinput
User=root
Group=root
Restart=on-failure

[Install]
WantedBy=multi-user.target

然后，启用并启动服务：

sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable nwinput
sudo systemctl start nwinput

计算器

GitHub 库：
https://github.com/zardam/epsilon/tree/rpi
在计算机上，安装 NumWorks SDK 之后：

git clone -b rpi https://github.com/zardam/epsilon.git
cd epsilon
make epsilon_flash

然后连接并重置计算器，以便刷新自定义固件。

完成

在计算器的浏览器中运行 NumWorks 模拟器。

现在，整个项目已经完成，希望你喜欢这个项目。