NUC1263 LLSIClock開發筆記：運用指標提高LLSI Frame Buffer的可讀性、易用性

LLSI設計時大概是考量到系統整體效能，資料是以32-bit的寬度寫入LLSI FIFO的。因此最直接的方式就是將frame buffer宣告成32-bit的陣列，這個方式拿來點四色”ARGBW” LED時倒是沒什麼問題。但是當我試著用LLSI點亮三色ARGB七段顯示器的時候就有發現，1個顏色8-bit，1顆ARGB LED 3個顏色總共24-bit，資料的排列順序會就變成下面這樣 … 

(第一行的註解是指第幾顆LED)

//                                 2nd   1st     3rd  2nd    4th  3rd  6th    5th
uint32_t g_au32frameBuffer[6] = {0xRRBBGGRR, 0xGGRRBBGG, 0xBBGGRRBB, 0xRRBBGGRR ...}

光用看的是不是就很頭大? 再想到之後要去個別調整每一顆ARGB LED的色彩、亮度，頭就更大了。這也讓我開始思考，有沒有辦法將陣列宣告成8-bit，然後以32-bit的格式來讀取8-bit陣列，寫入LLSI的FIFO。

完整程式碼一樣可以看留言區或是GitHub

https://github.com/danchouzhou/LLSIClock/blob/main/firmware/LLSI_RGB/main.c

從32-bit陣列轉變成8-bit陣列

陣列如果變成這樣讓g_au8frameBuffer[0]~[2]，儲存第1顆ARGB LED的R, G, B；g_au8frameBuffer[3]~[5]，儲存第2顆ARGB LED的R, G, B，以此類推，是不是直觀許多呢?

volatile uint8_t g_au8frameBuffer[24] = {
//    R     G     B
    0x80, 0x00, 0x00, // Red
    0x80, 0x20, 0x00, // Orange
    0x40, 0x40, 0x00, // Yellow
    0x00, 0x80, 0x00, // Green
    0x00, 0x00, 0xFF, // Blue
    0x00, 0x40, 0x80, // Indigo
    0x80, 0x00, 0xFF, // Violet
    0x80, 0x80, 0x80  // White
};

讀出4-byte存入LLSI的FIFO

當然，我們可以像下面這樣讀取陣列四次，然後透過移位的方式湊成32-bit的資料，再寫入LLSI的FIFO，但要做很多運算，這顯然不是個好方法。

uint32_t u32data;
u32data = g_au8frameBuffer[0];
u32data |= g_au8frameBuffer[1] << 8;
u32data |= g_au8frameBuffer[2] << 16;
u32data |= g_au8frameBuffer[3] << 24;
LLSI_WRITE_DATA(LLSI0, u32data);

好的方法：運用指標直接以32-bit的格式讀取8-bit陣列

既然NUC1263的Cortex-M23是32位元的處理器，我們就要好好善用它。

C的陣列若不加索引值，可以得到陣列起始的記憶體位址。所以如果只打g_au8frameBuffer可以得到一個8-bit指標；前面加上(uint32_t *)，即可將8-bit指標轉換為32-bit指標。

(uint32_t *)g_au8frameBuffer

指標中儲存的是記憶體位址，要存取指標指向的記憶體位址中儲存的值，得在前面加上一個星號*來解指標(dereference)，如此以來就能直接以32-bit的格式存取陣列。

*((uint32_t *)g_au8frameBuffer)

向LLSI寫入指標指向的32-bit資料

傳送完畢以後，我們就要將記憶體位址指向下一組資料，所以要從陣列的起始點加上g_u32DataCount++。

/* Write the first word to trigger TXTH_INT */
LLSI_WRITE_DATA(LLSI0, *((uint32_t *)g_au8frameBuffer + g_u32DataCount++));

如果不好懂的話，這一行其實可以分解成這樣：

LLSI_WRITE_DATA(LLSI0, *((uint32_t *)g_au8frameBuffer + g_u32DataCount));
g_u32DataCount++;

接著就是在中斷服務程式把陣列剩餘的資料傳送完，一樣可以看到上面那行的蹤跡：

void LLSI0_IRQHandler()
{
    if (LLSI_GetIntFlag(LLSI0, LLSI_TXTH_INT_MASK))
    {
        while(LLSI_GET_TX_FIFO_FULL_FLAG(LLSI0) == 0) // Fill up the TX FIFO
        {
            if (g_u32DataCount == (TEST_COUNT - 1))
                LLSI_SET_LAST_DATA(LLSI0); // Before writing last word data to LLSI_DATA, user must write LDT = 1
            
            if (g_u32DataCount < TEST_COUNT)
                LLSI_WRITE_DATA(LLSI0, *((uint32_t *)g_au8frameBuffer + g_u32DataCount++));
            else
                break;
        }

        if(g_u32DataCount >= TEST_COUNT)
        {
            LLSI_DisableInt(LLSI0, LLSI_TXTH_INT_MASK);
        }
    }

    if (LLSI_GetIntFlag(LLSI0, LLSI_FEND_INT_MASK)) // FENDIF will be set to 1 when LLSI transfer last pixel data.
    {
        g_u32FrameEnd = 1;
        LLSI_ClearIntFlag(LLSI0, LLSI_FEND_INT_MASK);
    }
}

更新資料時一樣是等待Frame End Interrupt後再進行。本範例是將彩虹顏色分別點亮七段顯示器的每一顆LED，每次更新是把顏色會往後移動一顆，也就是每一段會輪流顯示一種顏色。我用了一個雙層迴圈，裡面那一層一次移動1個byte，由於1顆ARGB LED共3色(3個byte)，所以再靠外面那層重複三次，才能完整移動1顆ARGB LED的色彩。

if (g_u32FrameEnd == 1)  // Wait for FEND_INT
{
    for (int i=0; i<3 for="" i="" int="" j="" u8tmp="g_au8frameBuffer[23];">0; j--)
            g_au8frameBuffer[j] = g_au8frameBuffer[j-1];
        
        g_au8frameBuffer[0] = u8Tmp;
    }

    g_u32FrameEnd = 0;
    g_u32DataCount = 0;

    LLSI_EnableInt(LLSI0, LLSI_TXTH_INT_MASK);
    
    CLK_SysTickLongDelay(500000);
}


成果影片

最後盡可能簡短提一下技術細節：為什麼用指標可以從8-bit陣列讀出32-bit的資料? 

這要從資料是如何儲存在記憶體中，以及陣列是如何儲存在記憶體講起了。

端序

記憶體通常以位元組(byte)為單位組成，每一個位址(Address)會對應一個byte的資料，事實上C的指標就是在紀錄這邊所提的記憶體位址。

那麼uint32_t的變數是如何儲存在記憶體當中的? 這就要了解「端序 (Endianness)」。

https://en.wikipedia.org/wiki/Endianness

所謂「端序」就是指記憶體的起始位址要從高位元組或是從低位元組開始存放，請參考維基百科上由Aeroid發表容易理解的圖片。不過注意喔，每一個位元組的MSB, LSB的順序則是不改變的。

Arm的處理器IP可以選擇big-endian (BE) 或是little-endian (LE)，不過現今主流的習慣是little-endian，可以參考以下文獻。

“ARM cores support both modes, but are most commonly used in, and typically default to little-endian mode.”

https://developer.arm.com/documentation/den0013/latest/Porting/Endianness

新唐的MCU也不例外，採用的是little-endian data format，這在手冊中也有註明。（程式記憶體、資料記憶體、中斷向量表通常都會採用相同的little-endian格式）

陣列

在C語言中，陣列在記憶體中會被存放在一塊連續的記憶體區域中，也就是宣告一個陣列後，陣列中的每一個元素會依序排列在連續的記憶體位址，且每一個元素佔用相同大小的記憶體空間。

指標

在Address Bus為32-bit的系統中，無論將指標宣告為uint8_t *、uint16_t *或是uint32_t *，實際上指標儲存的都是一個32-bit的位址，差別在於操作指標時要以幾個byte為單位，例如指標+1要加幾個位址，或是dereference要讀取的位元組數量。本篇範例是32-bit指標(uint32_t *)g_au8frameBuffer + g_u32DataCount，g_u32DataCount如果是1，實際上位址會是+4（因為32-bit資料由4-byte組成），且dereference一次會讀取4-byte。

所以8-bit陣列若以32-bit指標來存取，綜合前述「little-endian data format」、「陣列在記憶體中會被存放在一塊連續的記憶體區域中」，dereference後的排列順序就會變成這樣，是不是就恢復LLSI所需的32-bit格式了呢?

備註：如果是8051，雖然它是8-bit處理器，不過Address Bus為16-bit，指標儲存的就會是個16-bit的位址。

結論

了解陣列在記憶體中的儲存方式並善用指標，甚至可以用二維陣列或是C的結構，來定義ARGB LED的資料結構，使LLSI韌體開發更加直觀！本篇點到為止，剩下期待讀者們分享您們運用的方式囉！

完整程式碼：
#include <stdio.h>
#include "NuMicro.h"

#define HCLK_CLK    72000000
#define TEST_COUNT  6

//                         2nd   1st
// 32-bit color format is 0xRRBBGGRR for the ELSS-4X6RGBWA/T2/S290-C
volatile uint8_t g_au8frameBuffer[24] = {
    0x80, 0x00, 0x00, // Red
    0x80, 0x20, 0x00, // Orange
    0x40, 0x40, 0x00, // Yellow
    0x00, 0x80, 0x00, // Green
    0x00, 0x00, 0xFF, // Blue
    0x00, 0x40, 0x80, // Indigo
    0x80, 0x00, 0xFF, // Violet
    0x80, 0x80, 0x80  // White
};
volatile uint32_t g_u32DataCount = 0;
volatile uint32_t g_u32FrameEnd = 0;

void LLSI0_IRQHandler()
{
    if (LLSI_GetIntFlag(LLSI0, LLSI_TXTH_INT_MASK))
    {
        while(LLSI_GET_TX_FIFO_FULL_FLAG(LLSI0) == 0) // Fill up the TX FIFO
        {
            if (g_u32DataCount == (TEST_COUNT - 1))
                LLSI_SET_LAST_DATA(LLSI0); // Before writing last word data to LLSI_DATA, user must write LDT = 1
            
            if (g_u32DataCount < TEST_COUNT)
                LLSI_WRITE_DATA(LLSI0, *((uint32_t *)g_au8frameBuffer + g_u32DataCount++));
            else
                break;
        }

        if(g_u32DataCount >= TEST_COUNT)
        {
            LLSI_DisableInt(LLSI0, LLSI_TXTH_INT_MASK);
        }
    }

    if (LLSI_GetIntFlag(LLSI0, LLSI_FEND_INT_MASK)) // FENDIF will be set to 1 when LLSI transfer last pixel data.
    {
        g_u32FrameEnd = 1;
        LLSI_ClearIntFlag(LLSI0, LLSI_FEND_INT_MASK);
    }
}

void SYS_Init(void)
{
    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Init System Clock                                                                                       */
    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Enable HIRC clock */
    CLK_EnableXtalRC(CLK_PWRCTL_HIRCEN_Msk);

    /* Wait for HIRC clock ready */
    CLK_WaitClockReady(CLK_STATUS_HIRCSTB_Msk);

    /* Set core clock to HCLK_CLK Hz */
    CLK_SetCoreClock(HCLK_CLK);

    /* Enable UART0 module clock */
    CLK_EnableModuleClock(UART0_MODULE);

    /* Select UART0 module clock source as HIRC/2 and UART0 module clock divider as 1 */
    CLK_SetModuleClock(UART0_MODULE, CLK_CLKSEL1_UART0SEL_HIRC_DIV2, CLK_CLKDIV0_UART0(1));

    /* Enable LLSI0 module clock */
    CLK_EnableModuleClock(LLSI0_MODULE);

    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Init I/O Multi-function                                                                                 */
    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Set PB multi-function pins for UART0 RXD and TXD */
    SYS->GPB_MFPH = (SYS->GPB_MFPH & (~(UART0_RXD_PB12_Msk | UART0_TXD_PB13_Msk))) | UART0_RXD_PB12 | UART0_TXD_PB13;

    /* Set PC multi-function pins for LLSI0 */
    SET_LLSI0_OUT_PC5();
}

void UART0_Init()
{
    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Init UART                                                                                               */
    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Reset UART0 module */
    SYS_ResetModule(UART0_RST);

    /* Configure UART0 and set UART0 Baudrate */
    UART_Open(UART0, 115200);
}

void LLSI_Init(void)
{
    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Init LLSI                                                                                               */
    /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    /* Configure as software mode, RGB output format, 8 pixels in a frame and idle output low */
    /* Set clock divider. LLSI clock rate = 72MHz */
    /* Set data transfer period. T_Period = 1250ns */
    /* Set duty period. T_T0H = 400ns; T_T1H = 850ns */
    /* Set reset command period. T_ResetPeriod = 50000ns */
    LLSI_Open(LLSI0, LLSI_MODE_SW, LLSI_FORMAT_RGB, HCLK_CLK, 1250, 400, 850, 50000, 8, LLSI_IDLE_LOW);

    /* Set TX FIFO threshold */
    LLSI_SetFIFO(LLSI0, 2);

    /* Enable reset command function */
    LLSI_ENABLE_RESET_COMMAND(LLSI0);

    NVIC_EnableIRQ(LLSI0_IRQn);
}

void main(void)
{
    uint8_t u8Tmp;
    
    /* Unlock protected registers */
    SYS_UnlockReg();

    /* Init System, IP clock and multi-function I/O. */
    SYS_Init();

    /* Lock protected registers */
    SYS_LockReg();

    /* Init UART0 for printf */
    UART_Open(UART0, 115200);

    printf("\n\nCPU @ %d Hz\n", SystemCoreClock);

    /* Init LLSI */
    LLSI_Init();

    /* Enable Transmit FIFO Threshold Interrupt and Frame End Interrupt */
    LLSI_EnableInt(LLSI0, LLSI_TXTH_INT_MASK | LLSI_FEND_INT_MASK);

    /* Write the first word to trigger TXTH_INT */
    LLSI_WRITE_DATA(LLSI0, *((uint32_t *)g_au8frameBuffer + g_u32DataCount++));

    while(1)
    {
        if (g_u32FrameEnd == 1)  // Wait for FEND_INT
        {
            for (int i=0; i<3; i++)
            {
                u8Tmp = g_au8frameBuffer[23];

                for (int j=23; j>0; j--)
                    g_au8frameBuffer[j] = g_au8frameBuffer[j-1];
                
                g_au8frameBuffer[0] = u8Tmp;
            }

            g_u32FrameEnd = 0;
            g_u32DataCount = 0;

            LLSI_EnableInt(LLSI0, LLSI_TXTH_INT_MASK);
            
            CLK_SysTickLongDelay(500000);
        }
    }
}


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