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一、硬件準備

硬件部分主要包括：

龍芯2K500先鋒板
0.96寸OLED屏

OLED屏幕參數：

驅動芯片：SSD1306
分辨率：128x64
接口：I2C

開發板選擇使用I2C1，和OLED屏接線參考下圖：

開發板和OLED小屏的連接關系為：

3號針（I2C1_SCL）連接到OLED屏的SCL腳
4號針（I2C1_SDA）連接到OLED屏的SDA腳
23號針（GND）連接到OLED屏的GND腳
24號針（P3V3）連接到OLED屏的VCC腳

二、背景知識

開始之前，先簡單介紹一些背景知識。

2.1 Linux內核I2C驅動配置

龍芯2K0500內核默認已經打開了I2C驅動，啟動后使用如下命令可以看到：

ls /dev/i2c-*

（左右移動查看全部內容）

已經有i2c設備了。

2.2 Linux用戶空間I2C API

參考這個文檔：https://www.kernel.org/doc/html/latest/i2c/dev-interface.html

用戶空間使用I2C，首先需要包含頭文件：

#include 
#include

（左右移動查看全部內容）

然后，打開設備文件：

int file;
int adapter_nr = 2; /* probably dynamically determined */
char filename[20];


snprintf(filename, 19, "/dev/i2c-%d", adapter_nr);
file = open(filename, O_RDWR);
if (file < 0) {
 /* ERROR HANDLING; you can check errno to see what went wrong */
 exit(1);
}

（左右移動查看全部內容）

打開設備之后，需要指定需要通信的從設備地址：

int addr = 0x40; /* The I2C address */


if (ioctl(file, I2C_SLAVE, addr) < 0) {
 /* ERROR HANDLING; you can check errno to see what went wrong */
 exit(1);
}

（左右移動查看全部內容）

好了，接下來就可以進行I2C通信了：

/*
 * Using I2C Write, equivalent of
 * i2c_smbus_write_word_data(file, reg, 0x6543)
 */
buf[0] = reg;
buf[1] = 0x43;
buf[2] = 0x65;
if (write(file, buf, 3) != 3) {
 /* ERROR HANDLING: I2C transaction failed */
}


/* Using I2C Read, equivalent of i2c_smbus_read_byte(file) */
if (read(file, buf, 1) != 1) {
 /* ERROR HANDLING: I2C transaction failed */
} else {
 /* buf[0] contains the read byte */
}

（左右移動查看全部內容）

以上幾個代碼段，都來自于kernel.org的文檔。

三、移植SSD1306驅動庫

3.1 選擇SSD1306驅動庫

之前移植過的一個STM32的SSD1306驅動庫，原始開源項目鏈接：https://github.com/afiskon/stm32-ssd1306

移植后的開源項目連接：https://gitee.com/hihopeorg/harmonyos-ssd1306

這個移植版本主要修改包括：

適配了OpenHarmony 1.0的WIFI_IOT硬件接口；
添加了一個用于繪制矩形位圖的接口，可用于繪制漢字；
優化了I2C全屏刷新速率；

這里使用移植版本作為基礎。

3.2 移植SSD1306驅動庫

主要修改點包括：

初始化函數ssd1306_Reset中，添加打開I2C設備的代碼；
發送數據函數ssd1306_SendData中，修改為使用I2C用戶空間接口的代碼；
延時函數HAL_Delay，修改為使用ulseep實現；
計時函數HAL_GetTick，修改為使用gettimeofday實現；
添加了關閉函數ssd1306_Finish，用于關閉初始化時打開的I2C設備；

修改之后，這幾個函數的主要代碼為：

static int g_i2c = -1;


static uint64_t g_start_ms = 0;


#define TV2MS(tv) ((tv).tv_sec * 1000 + (tv).tv_usec / 1000)


void ssd1306_Reset(void)
{
  char path[128] = {0};
  snprintf(path, sizeof(path), "/dev/i2c-%d", SSD1306_DEV_NO);


  g_i2c = open(path, O_RDWR);
  if (g_i2c < 0) {
    printf("open %s failed, %s!
", path, strerror(errno));
  }


  if (ioctl(g_i2c, I2C_SLAVE, SSD1306_DEV_ADDR) < 0) {
    /* ERROR HANDLING; you can check errno to see what went wrong */
    printf("ioctl %s I2C_SLAVE failed, %s!
", path, strerror(errno));
    exit(1);
  }


  struct timeval start_tv = {0};
  if (gettimeofday(&start_tv, NULL) != 0) {
    printf("gettimeofday failed!
");
  }
  g_start_ms = TV2MS(start_tv);
}


void ssd1306_Finish(void)
{
  if (g_i2c >= 0) {
    close(g_i2c);
  }
}


void HAL_Delay(uint32_t ms)
{
  usleep(ms * 1000);
}


uint32_t HAL_GetTick(void)
{
  struct timeval now_tv = {0};
  if (gettimeofday(&now_tv, NULL) != 0) {
    printf("gettimeofday failed!
");
  }


  return TV2MS(now_tv) - g_start_ms;
}


uint32_t HAL_GetTickFreq(void)
{
  return 1000;
}


static uint32_t ssd1306_SendData(uint8_t* data, size_t size)
{
  struct i2c_msg msg = {0};
  msg.addr = SSD1306_DEV_ADDR;
  msg.buf = data;
  msg.len = size;


  if (g_i2c >= 0) {
    struct i2c_rdwr_ioctl_data data = {0};
    data.msgs = &msg;
    data.nmsgs = 1;
    return ioctl(g_i2c, I2C_RDWR, &data) < 0 ? -1 : 0;
  }
  return -1;
}

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3.3 添加CMake構建規則文件

接下來添加CMake構建規則CMakeLists.txt文件，分別到ssd1306目錄和examples目錄。

ssd1306目錄的CMakeLists.txt用于編譯驅動庫，內容為：

set(sources
  ssd1306.c
  ssd1306_fonts.c
)


add_library(ssd1306 STATIC ${sources})
include_directories(.)

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3.4 移植SSD1306測試程序

之前移植版的測試程序適配的是OpenHarmony 1.0，這里也需要修改，主要修改點：

ssd1306_demo.c文件中，移除和OpenHarmony相關的代碼；
添加main函數作為入口；

examples目錄的CMakeLists.txt用于編譯測試程序，內容為：

set(sources
  ssd1306_demo.c
  ssd1306_tests.c
)


add_executable(oled_test ${sources})
add_definitions(-DUSE_MAIN)
target_link_libraries(oled_test ssd1306)
target_link_libraries(oled_test m)
include_directories(../ssd1306)

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3.5 LoongArch CMake構建參數

頂層的CMakeLists.txt文件內容如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.21.0) # 網上看到消息稱這個版本的cmake才支持loongarch


set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR loongarch)
set(CMAKE_C_COMPILER loongarch64-linux-gnu-gcc)
set(CMAKE_CXX_COMPILER loongarch64-linux-gnu-g++)
set(CMAKE_C_FLAGS -Wall)


project(ssd1306_oled)


add_subdirectory(ssd1306)
add_subdirectory(examples)

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由于這里我添加了CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR、CMAKE_C_COMPILER、CMAKE_CXX_COMPILER三個參數，因此可以直接編譯出LoongArch的可執行程序了。

如果不在CMakeLists.txt文件中指定這幾個參數，通過命令行參數指定也是可以的：

cmake -B build -DCMAKE_SYSTEM_PROCESSOR=loongarch -DCMAKE_C_COMPILER=loongarch64-linux-gnu-gcc -DCMAKE_CXX_COMPILER=loongarch64-linux-gnu-g++

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3.6 編譯、運行SSD1306測試程序

完成以上步驟后，就可以編譯SSD1306測試程序了。編譯：

# 生成 Makefile ，build 為生成的目錄
cmake -B build


# 編譯 ，或者 cd build && make 也可以
cmake --build build

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編譯完成后，build/examples目錄下生成了oled_test二進制文件，將其拷貝到開發板上。運行測試程序：

./oeld_test

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不出意外的話，就可以看到OLED上正常顯示各種測試畫面了：

四、實現SSD1306播放視頻

4.1 準備視頻文件

首先需要準備一個視頻文件，例如，我這里找的是蔡徐坤的“雞你太美”視頻；

4.2 轉換視頻格式

前面測試發現最大幀率接近 8 fps，接下來需要使用ffmpeg將視頻轉換為幀率 8 fps。轉換命令為：

ffmpeg -i input.mp4 -r 10 output.mp4

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之后再使用Python腳本將視頻轉換為原始幀的二進制文件：

./video2bin.py output.mp4 out.bin

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這里的bin文件包含若干個連續的原始幀數據，每個原始幀占用1KB（128x64/8=1024）；

完整的視頻轉換python腳本，

#!/usr/bin/env python3
import sys
import cv2 as cv


TARGET_WIDTH = 128
TARGET_HEIGHT = 64
PIXEL_PER_BYTE = 8
WIDTH_BYTES = int(TARGET_WIDTH/PIXEL_PER_BYTE)
PIXEL_THRESHOLD = 128.0


# 將多個灰度像素打包到一個整數中
def pack_pixels(pixels, threshold):
  value = 0
  for gray in pixels:
    bit = 1 if gray >= threshold else 0 # 二值化
    value = (value << 1) + bit # 多個二值化像素值拼接為一個字節值
  return value


frameCount = 0
def resize_and_binarize_image(frame, width, height, threshold):
  data = []
  # count = 0 # for debug
  frame = cv2.resize(frame, (width, height)) # 縮放
  frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_RGB2GRAY) # 轉為灰度圖
  _, binary = cv2.threshold(frame, threshold, 255, cv2.THRESH_BINARY) # 二值化


  for r in range(height):
    for b in range(int(width / PIXEL_PER_BYTE)):
      colStart = b * PIXEL_PER_BYTE
      pixels = frame[r, colStart: colStart + PIXEL_PER_BYTE]
      byte = pack_pixels(pixels, threshold)
      data.append(byte)
  return bytes(data)


def convert_frame_to_bytes(frame):
  return resize_and_binarize_image(frame, TARGET_WIDTH, TARGET_HEIGHT, PIXEL_THRESHOLD)


def convert_video_to_bin(videoFile, binFile):
  cap = cv.VideoCapture(videoFile)
  frameCount = cap.get(cv.CAP_PROP_FRAME_COUNT)
  print('frame count:', frameCount)
  print('frame width:', cap.get(cv.CAP_PROP_FRAME_WIDTH))
  print('frame height:', cap.get(cv.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT))
  lastPercent = 0
  with open(binFile, 'wb+') as f:
    while True:
      retval, frame = cap.read()
      if not retval:
        print('video done!')
        break
      bitmap = convert_frame_to_bytes(frame)
      f.write(bitmap)
      pos = cap.get(cv.CAP_PROP_POS_FRAMES)
      percent = pos / frameCount * 100
      if percent - lastPercent >= 1:
        lastPercent = percent
        sys.stdout.write('=')
        sys.stdout.flush()
  print('convert all frames done!')
  cap.release()


def main():
  if len(sys.argv) < 3:
    print("Usage: {} videoFile binFile
	".format(sys.argv[0]))
    exit(-1)


  try:
    videoFile = sys.argv[1]
    binFile = sys.argv[2]
    convert_video_to_bin(videoFile, binFile)
  except Exception as e:
    print('exception raised:', e)


if __name__ == "__main__":
  main()

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4.3 實現視頻播放

在examples目錄下，添加ssd1306_play.cpp文件，代碼如下：

#include "ssd1306.h"


#include 
#include 
#include 
#include 


int play(char* video_bin)
{
  std::unique_ptrdecltype,>(&fclose)> fptr{fopen(video_bin, "rb"), fclose};


  uint32_t count = 0;
  uint8_t frame[SSD1306_BUFFER_SIZE] = {0};


  ssd1306_Init();
  uint32_t beg = HAL_GetTick();
  for(;;) {
    size_t nbytes = fread(frame, 1, sizeof(frame), fptr.get());
    if (ferror(fptr.get())) {
      printf("Error: %s
", strerror(errno));
      return -1;
    }
    if (feof(fptr.get())) {
      break;
    }


    ssd1306_Fill(Black);
    ssd1306_DrawBitmap(frame, sizeof(frame));
    ssd1306_UpdateScreen();
    count++;
  }
  uint32_t end = HAL_GetTick();


  ssd1306_Fill(Black);
  ssd1306_UpdateScreen();
  ssd1306_Finish();


  float cost = (end - beg) / (float) HAL_GetTickFreq();
  printf("Total frames : %d
", count);
  printf("Total time(s): %.3f
", cost);
  printf("Average FPS : %.3f
", count / cost);
  return 0;
}


int main(int argc, char* argv[])
{
  if (argc <= 1) {
    printf("Usage: %s video.bin
", argv[0]);
    return 1;
  }


  return play(argv[1]);
}

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這段代碼實現了播放原始視頻二進制文件；

4.4 添加構建規則

examples目錄的CMakeLists.txt中添加：

add_executable(oled_play ssd1306_play.cpp)
target_link_libraries(oled_play ssd1306)
include_directories(../ssd1306)

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4.5 播放視頻文件

完成以上操作后，重新編譯，再次運行：

./oled_play ikun.bin

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效果如下：

五、源碼倉庫

本文所有代碼均已在碼云開源，鏈接為：https://gitee.com/swxu/linux-ssd1306

六、參考鏈接

Implementing I2C device drivers in userspace — The Linux Kernel documentation：https://www.kernel.org/doc/html/latest/i2c/dev-interface.html
一個STM32 SSD1306驅動庫：https://github.com/afiskon/stm32-ssd1306
【只因太美】用龍芯2K0500驅動小屏放視頻：https://www.bilibili.com/video/BV1Gv4y1i7nW/