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ESP 系列芯片 LCD 驱动及参考例程在哪？

ESP 系列芯片 LCD 屏幕适配情况是怎样的？

ESP 系列芯片的带屏开发板是否支持使用 Arduino IDE 开发 GUI？

  • 目前官方已推出用于 Arduino 开发的 LCD 驱动库 ESP32_Display_Panel，可以直接在 Arduino IDE 上下载，支持的开发板请参考 文档。

  • 需要注意以下几点：

    • ESP32_Display_Panel 依赖于 arduino-esp32。

    • 由于 ESP32-S3 的 RGB 接口存在 屏幕漂移 问题，需要使用 ESP-IDF release/v5.1 及以上版本的特性来解决，而 arduino-esp32 (v2.x.x) 中使用的 ESP-IDF 版本为 v4.4.x，因此该版本无法解决此问题，在未来推出的 arduino-esp32 (v3.x.x) 中则会使用 ESP-IDF v5.1。

    • 由于使用 Arduino 无法像 ESP-IDF 一样通过 menuconfig 来调整各种参数配置，如编译优化等级等，所以为了实现最佳的性能，推荐基于 ESP-IDF 开发 GUI。

如何提高 LCD 的显示帧率？

  • 关于帧率的详细介绍请参考 ESP-IoT-Solution 编程指南 - LCD 概述。一般来说，受限于 ESP 的计算性能，“接口帧率”往往远大于“渲染帧率”，因此该问题可以表述为“如何提高 LCD 的渲染帧率”。针对这个问题，可以从以下三个方面进行考虑：

    • 提高 ESP 的性能。在使用 ESP-IDF 开发时可以通过 menuconfig 来配置 ESP，而默认并没有配置到最佳性能，这里以 ESP32-S3 为例，我们可以提高 CPU 频率到最高 240 MHz，提高 FreeRTOS tick 的频率到 1000，增大 flash 或 PSRAM 的带宽。除此之外，还有增大 data cache line size，设置编译优化等级为 -O2 等等。

    • 提高 LVGL 的性能。LVGL 本身也是可以通过 menuconfig 或者 lv_conf.h 文件进行配置的，例如设置 LVGL 使用 ESP-IDF 中的 malloc 和 memcpy 等内存操作函数，开启 fast memory 编译选项等。

    • 优化应用设计。一方面可以通过调整任务的优先级或指定 CPU 核使得 LVGL 和其他任务充分利用 CPU 资源，尤其是对具有双核的 ESP；另一方面也可以优化 GUI 的设计，比如尽量避免使用复杂的动画以及具有透明度的图层混叠效果。

  • 以 ESP32-S3R8 为例，以下 ESP 配置项对帧率提升有帮助 (IDF release/v5.1):

    • CONFIG_FREERTOS_HZ=1000

    • CONFIG_ESP_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ_240=y

    • CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHMODE_QIO=y

    • CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHFREQ_120M=y [需要与 PSRAM 保持一致]

    • CONFIG_SPIRAM_MODE_OCT=y

    • CONFIG_IDF_EXPERIMENTAL_FEATURES=y and CONFIG_SPIRAM_SPEED_120M=y [需要与 FLASH 保持一致]

    • CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS=y

    • CONFIG_SPIRAM_RODATA=y

    • CONFIG_ESP32S3_DATA_CACHE_LINE_64B=y

    • CONFIG_COMPILER_OPTIMIZATION_PERF=y

  • 以下 LVGL 配置项对帧率提升有帮助 (LVGL v8.3):

    • #define LV_MEM_CUSTOM 1 or CONFIG_LV_MEM_CUSTOM=y

    • #define LV_MEMCPY_MEMSET_STD 1 or CONFIG_LV_MEMCPY_MEMSET_STD=y

    • #define LV_ATTRIBUTE_FAST_MEM IRAM_ATTR or CONFIG_LV_ATTRIBUTE_FAST_MEM=y

  • 详细 LCD 及 LVGL 性能说明，请参考 文档。

ESP32 是否有 I2S 驱动 LCD 的参考代码？

  • ESP32/ESP32-S2 使用 I2S 驱动的屏幕接口类型为 i80(8080)

  • 关于例程，请参考 LCD 例程。

ESP 系列芯片最大可以支持多少分辨率的 LCD？相应的帧率是多少？

  • 对于 ESP32-S3 和 ESP32-P4 的 RGB 外设接口，由于受其硬件限制，理论上最大支持 4096 x 1024 分辨率（水平最大为 4096，垂直最大为 1024）；对于 ESP 系列芯片的其他外设接口，可以支持多大的分辨率并没有一个“最大”的硬件限制，

  • 由于芯片的存储大小、计算性能和外设接口的传输带宽有限，而且不同接口类型的 LCD 通常具有特定范围内的分辨率，因此针对 ESP32-C3 和 ESP32-S3 这两款芯片推荐使用 LCD 的分辨率如下：

    SoCs

    SPI

    QSPI

    I80

    RGB

    ESP32-C3

    240 x 240

    不推荐

    不支持

    不支持

    ESP32-S3

    320 x 240

    400 x 400

    480 x 320

    480 x 480，800 x 480

  • 针对 ESP32-S3 的 RGB 接口，目前测试过的最大分辨率为 800 × 480，接口帧率上限为 59 (PCLK 30 MHz), 对应 LVGL 平均帧率为 23; LVGL 平均帧率上限为 26, 对应接口帧率为 41 (PCLK 21 MHz)。

ESP32-S3R8 如何开启 PSRAM 120M Octal (DDR)？

  • ESP-IDF 需要使用 release/v5.1 及以上分支版本。

  • 通过 menuconfig 开启配置项： IDF_EXPERIMENTAL_FEATURES, SPIRAM_SPEED_120M, SPIRAM_MODE_OCT。

  • ESP32-S3-WROOM-1-N16R16V 模组目前不支持此功能，如果启用，可能会出现芯片在上电时卡死然后复位的问题。

  • 需注意，该特性是一种仍在测试完善中的实验功能，并具有以下温度风险：

    • 在温度高于 65°C 的情况下，即使开启 ECC 功能也无法保证正常工作。

    • 温度变化也可能导致访问 PSRAM/flash 时程序崩溃，具体参考 文档。

使用 ESP32-S3 测试 LVGL 例程，请问目前已经适配了哪些型号的显示触摸屏？

不推荐使用 esp-iot-solution 中的驱动和例程。关于例程，请参考 LCD 例程。

ESP32-S3 使用 RGB 屏幕必须要外接 PSRAM 吗？

  • 通常来说是的，RGB 屏幕要求主控提供至少一个整屏大小的帧缓存，而 RGB 屏幕的分辨率一般较大，ESP32-S3 的 SRAM 很可能无法满足需求。

  • 不推荐使用 4 线 PSRAM，因为 4 线 PSRAM 的带宽较低，会导致 RGB LCD 的 PCLK 无法设置到需要的频率大小。

  • 推荐使用 8 线 PSRAM 并且需要配置时钟为 80 MHz 及以上。

ESP32-S3 如何在保证 RGB 屏幕显示正常的情况下提高 PCLK 的设置上限？

  • 通常来说，PCLK 的设置上限受限于 PSRAM 的带宽，因此需要提高 PSRAM 的带宽：

    • 使用更高频率的 PSRAM 时钟，或者使用更宽的 PSRAM 总线（8 线）。

    • 减少其他外设对 PSRAM 带宽的占用，如 Wi-Fi、flash 等。

    • 降低 Data Cache Line Size 到 32 Byte（使用 RGB Bounce Buffer 模式时需要设置到 64 Byte）。

  • 开启 RGB 驱动的 Bounce Buffer 模式，并且 buffer 越大效果越好，使用方法请参考 文档。需注意，由于该模式下是先通过 CPU 搬运 PSRAM 数据到 SRAM，再通过 GDMA 传输数据到 RGB 外设，因此需要同时开启 CONFIG_ESP32S3_DATA_CACHE_LINE_64B=y，否则可能会导致屏幕出现漂移。

  • 经过少量测试，4 线 PSRAM 80 MHz 时的 PCLK 最高设置至 11 MHz，8 线 PSRAM 80 MHz 时的 PCLK 最高设置至 22 MHz，8 线 PSRAM 120 MHz 时的 PCLK 最高设置至 30 MHz。

ESP32-S3 系列的芯片支持哪些图片解码格式？

为什么 ESP32-S3 驱动 RGB LCD 屏幕时出现偏移（显示画面整体漂移）？

  • 原因

    • RGB 外设的 PCLK 设置过高，PSRAM 或 GDMA 的带宽无法满足。

    • PSRAM 和 flash 共用一组 SPI 接口，受写 flash 操作（如 Wi-Fi、OTA、低功耗蓝牙）影响，期间 PSRAM 被禁用。

    • 读取大量的 flash/PSRAM 数据，导致 PSRAM 带宽不足。

  • 配置方面

    • 提高 PSRAM 和 flash 带宽，比如在硬件允许的条件下，采用更高的频率或更大的位宽。

    • 开启 CONFIG_COMPILER_OPTIMIZATION_PERF。

    • 降低 Data Cache Line Size 到 32 Byte（使用 RGB Bounce Buffer 模式时需要设置到 64 Byte）。

    • 开启 CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS 和 CONFIG_SPIRAM_RODATA。

    • （不推荐）开启 CONFIG_LCD_RGB_RESTART_IN_VSYNC，可以在屏幕漂移后自动恢复，但无法避免该问题并且降低帧率。

  • 应用方面

    • 在保证屏幕正常工作的前提下，尽量减小 PCLK 的频率，降低 PSRAM 的带宽占用。

    • 如果需要使用 Wi-Fi、低功耗蓝牙和连续写 flash 的操作，请采用 XIP on PSRAM + RGB Bounce buffer 的方法，其中， XIP on PSRAM 用于将代码段和只读段的数据加载到 PSRAM，开启后执行写 flash 操作不会禁用 PSRAM。 RGB Bounce buffer 用于将帧缓存的数据分块通过 CPU 从 PSRAM 搬运到 SRAM，然后再使用 GDMA 传输数据到 RGB 外设，相较于直接采用 PSRAM GDMA 的方式能够实现更高的传输带宽。设置步骤如下：

      • 确认 ESP-IDF 版本为较新（> 2022.12.12）的 release/v5.0 及以上，因为旧版本不支持 XIP on PSRAM 的功能（release/v4.4 可以通过打补丁的方式实现，但不推荐）。

      • 确认 PSRAM 配置里面是否能开启 CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS 和 CONFIG_SPIRAM_RODATA 这两项。如果只读段数据过大（如大量图片），会导致 PSRAM 空间不够，此时可以采用文件系统或将图片制作成 bin 加载到指定分区。

      • 确认内存（SRAM）是否有余量，大概需要占用 [10 * screen_width * 4] 字节。

      • 设置 Data cache line size 为 64 Byte（可设置 Data cache size 为 32 KB 以节省内存）。

      • 设置 CONFIG_FREERTOS_HZ 为 1000。

      • 如以上均符合条件，那么就可以参考 文档 修改 RGB 驱动为 Bounce buffer 模式。 Bounce buffer 模式会分配一块 SRAM 内存作为中间缓存，然后通过 CPU 分块搬运帧缓存的数据到 SRAM，再通过 GDMA 传输数据到 RGB 外设，这样就可以避免 PSRAM 被禁用的问题。如果开启后仍存在漂移现象，可以尝试增大 buffer，但是会占用更多的 SRAM 内存。

      • 如操作 Wi-Fi 仍存在屏幕漂移问题，可以尝试关闭 PSRAM 里 CONFIG_SPIRAM_TRY_ALLOCATE_WIFI_LWIP 一项（会占用较大 SRAM）。

      • 设置后带来的影响包括：CPU 使用率升高、可能会造成中断看门狗复位、会造成较大内存开销。

      • 由于 Boucne Buffer 是在 GDMA 中断里通过 CPU 搬运 PSRAM 的数据到 SRAM，程序需要避免长时间执行关中断的操作（如调用 portENTER_CRITICAL()），否则仍会造成屏幕漂移。

    • 短时操作 flash 导致漂移的情况，如 wifi 连接等操作前后，可以在操作前调用 esp_lcd_rgb_panel_set_pclk() 降低 PCLK（如 6 MHz）并延时大约 20 ms（RGB 刷完一帧的时间），然后在操作结束后提高 PCLK 至原始水平，期间可能会造成短暂的闪白屏现象。

    • 如果无法避免，可以开启 CONFIG_LCD_RGB_RESTART_IN_VSYNC 或调用 esp_lcd_rgb_panel_restart() 接口重置 RGB 时序，防止永久性漂移。

为什么驱动 SPI/8080 LCD 屏幕显示 LVGL 时出现纵向错位？

如果采用 DMA 中断传输的方式，LVGL 的 lv_disp_flush_ready() 需要在 DMA 传输结束后调用，而不是 draw_bitmap() 后立即调用。

使用 ESP32-C3 通过 SPI 接口驱动 LCD 液晶显示屏，是否可使用 RTC_CLK 作为 SPI 时钟，让 LCD 液晶显示屏能在 Deep-sleep 模式下正常显示静态图片？

  • Deep-sleep 模式：CPU 和大部分外设都会掉电，只有 RTC 存储器处于工作状态。具体请参考 《ESP32-C3 技术规格书》 中关于“低功耗管理”的说明.

  • ESP32-C3 的 SPI 只支持 APB_CLK 和 XTAL_CLK 两种时钟源，不支持使用 RTC_CLK。因此在 Deep-sleep 模式下，LCD 液晶屏无法显示静态图片。具体请参考 《ESP32-C3 技术参考手册》 > 复位和时钟 [PDF]。

  • 对于 SPI 接口驱动的 LCD 屏幕，一般来说驱动 IC 内置 GRAM，不需要 ESP 持续输出 SPI 时钟的就能正常显示静态图片，只是期间画面无法更新。

使用 ILI9488 LCD 屏幕测试 屏幕 例程，是否支持 9-bit 总线和 18-bit 色深？

ILI9488 驱动芯片可以支持 9-bit 总线和 18-bit 色深，但目前我们的驱动目前只支持 8-bit 总线和 16-bit 色深。

使用 ESP32-S3 驱动 RGB 屏幕时，为什么运行到 esp_lcd_new_rgb_panel() 或 esp_lcd_panel_init() 就会卡死或复位（TG1WDT_SYS_RST）？

  • 请检查 ESP 芯片或模组中与 PSRAM 占用的引脚是否与 RGB 引脚有冲突，如有冲突请修改 RGB 引脚配置。

  • 如使用 ESP32-S3R8，请避免使用 GPIO35、GPIO36、GPIO37 引脚。


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