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SPI Flash直显优化：外部存储图像快速渲染实战

一个“内存不够用”的嵌入式图形困局

你有没有遇到过这样的场景？项目需求是做一个带高清背景图的工业HMI界面，分辨率800×480，颜色深度RGB565——光这一张图就接近1.5MB。而你的主控芯片是STM32F7系列，片上SRAM总共才512KB，连一张图都塞不下。

传统做法是：把图片解压到外部SDRAM，再由DMA2D或LTDC逐帧合成输出。但问题来了——加SDRAM意味着成本上升、PCB复杂度提高、功耗增加；不加吧，UI卡顿、启动慢、资源更新困难……这几乎成了Cortex-M级设备做高端GUI的“死结”。

有没有可能绕开这个瓶颈？

答案是：有，而且不需要额外硬件。

我们完全可以把图像“存”在SPI Flash里，只在需要时读取一小块，实时渲染到屏幕上——这就是所谓的SPI Flash图像直显技术（Direct Display from QSPI Flash）。

本文将带你深入一线开发实践，以ST官方TouchGFX框架为核心，结合QSPI + DMA + 图像分块缓存机制，实现一套低内存占用、高响应速度、低成本部署的外部图像渲染方案。适合所有正在为图形资源发愁的嵌入式工程师。

TouchGFX如何打破“全图加载”魔咒？

原生能力 vs 定制扩展

TouchGFX本身并不是为“从Flash直接绘图”设计的。默认流程中，图像必须先被编译进程序空间（.rodata），或者加载到RAM中才能绘制。但这套逻辑在大图面前不堪一击。

真正的突破口，在于TouchGFX提供的两个关键机制：

• AbstractPainter接口：允许开发者自定义像素生成方式；
• HAL层控制权开放：可干预DMA、帧缓冲访问时机，避免冲突。

换句话说，我们可以欺骗TouchGFX：“你以为我在画内存里的图，其实我是边读Flash边画。”

渲染流水线重构思路

标准流程：

[Flash] → 全量加载 → [SRAM] → 解码 → [Frame Buffer] → 显示

优化后流程：

[Flash] → 按需读取 → 局部解码 → 直接Blit → [Frame Buffer]

核心思想就是：不预载、不解压整图、不占大内存。只在真正要画某个区域时，才去Flash里捞出对应的数据块，送进GPU引擎完成合成。

QSPI Flash不是普通存储器，它是“伪SRAM”

很多人误以为SPI Flash只能用来存代码和配置文件，其实现代QSPI Flash早已支持Memory-Mapped模式，CPU可以直接像读内存一样访问它。

以W25Q128JV为例：

更重要的是，STM32H7/F7等系列MCU内置了QUADSPI控制器，支持：

• XIP（Execute In Place）：代码直接运行于Flash；
• Cache加速：AHB总线缓存最近访问过的数据；
• DMA辅助传输：后台自动搬运大批量数据，零CPU干预。

这意味着：只要你愿意，可以把整个图像库放在Flash里，并通过指针直接访问其内容。

⚠️ 注意：随机访问仍有延迟！典型寻址时间约8~12μs，不适合逐像素读取。必须配合“批量读 + 缓存”策略。

关键突破：图像分块（Tiling）与局部缓存

为什么必须分块？

设想你要显示一张1024×768的壁纸，用户当前只看到左上角的800×480区域。如果系统要求先把整张图读出来，那跟传统方案没区别。

但我们换一种思路：把大图切成若干个小方块（tile），比如每块64×64像素（约8KB RGB565）。

当需要绘制某区域时，只需计算涉及哪些tile，然后从Flash中读取这些特定块即可。

这种结构带来三大好处：

1. 按需加载：只读当前视窗所需部分；
2. 易于缓存管理：小块更适合放入有限SRAM；
3. 支持预取：滑动前可提前加载邻近tile。

构建Tile Cache：用4KB SRAM撬动16MB图像库

下面这段代码，是你实现高效直显的核心组件之一：

#define TILE_WIDTH 64 #define TILE_HEIGHT 64 #define TILE_SIZE_BYTES (TILE_WIDTH * TILE_HEIGHT * 2) // RGB565 #define CACHE_ENTRIES 4 typedef struct { uint32_t img_id; uint16_t tile_x, tile_y; uint8_t data[TILE_SIZE_BYTES]; uint8_t valid; } TileCacheEntry; static TileCacheEntry cache[CACHE_ENTRIES];

每次请求一个tile时，先查缓存：

const uint8_t* get_cached_tile(uint32_t img_id, uint16_t tx, uint16_t ty) { // 查看是否已缓存 for (int i = 0; i < CACHE_ENTRIES; ++i) { if (cache[i].valid && cache[i].img_id == img_id && cache[i].tile_x == tx && cache[i].tile_y == ty) { return cache[i].data; } } // 缓存未命中：加载新块 int idx = find_vacant_or_replaceable_entry(); // 可替换为LRU uint32_t addr = calculate_flash_address(img_id, tx, ty); qspi_read_memory(addr, cache[idx].data, TILE_SIZE_BYTES); cache[idx].img_id = img_id; cache[idx].tile_x = tx; cache[idx].tile_y = ty; cache[idx].valid = 1; return cache[idx].data; }

就这么一个小缓存池（仅32KB以内），就能支撑起对海量图像资源的流畅访问。尤其在滚动列表、相册浏览等连续操作中效果显著。

如何对接TouchGFX？绕过标准流程的关键技巧

自定义Painter：接管像素来源

我们需要继承AbstractPainterRGB565类，重写其renderNext()方法，让它不再从内存读像素，而是动态获取：

class PainterQSPITiled : public touchgfx::AbstractPainterRGB565 { public: bool renderNext(uint8_t& red, uint8_t& green, uint8_t& blue, uint8_t& alpha); void setBitmap(const Bitmap& bmp) { bitmap = bmp; } void setTileCoords(uint16_t tx, uint16_t ty) { tile_x = tx; tile_y = ty; } private: const uint16_t* tile_data; uint16_t tile_x, tile_y; Bitmap bitmap; };

在renderNext中，我们根据当前扫描位置，决定是否切换行或重新加载tile：

bool PainterQSPITiled::renderNext(uint8_t& r, uint8_t& g, uint8_t& b, uint8_t& a) { if (!tile_data) { const uint8_t* ptr = get_cached_tile(bitmap.getId(), tile_x, tile_y); tile_data = reinterpret_cast<const uint16_t*>(ptr); } uint16_t pixel = tile_data[currentX + currentY * TILE_WIDTH]; convertRGB565ToColor(pixel, r, g, b); a = 0xFF; return true; }

然后，在UI逻辑中这样使用：

Bitmap bmp = Bitmap(BITMAP_ID_DUMMY); // 占位符 Container::add(new Image(bmp, new PainterQSPITiled()));

虽然Image对象不知道底层数据来自Flash，但它调用的Painter会透明地完成外部读取——完全无感集成进TouchGFX体系。

性能优化组合拳：DMA + 预取 + 压缩

1. 使用QSPI DMA减少CPU负担

别让CPU亲自跑循环读Flash！利用STM32的QSPI DMA功能，在后台异步加载tile：

void qspi_read_async(uint32_t flash_addr, void* dst, uint32_t size) { hqspi.Instance->CCR = QUADSPI_CCR_FMODE_MEM_MAP | ...; // 切回间接模式 HAL_QSPI_Receive_DMA(&hqspi, dst, size); }

结合FreeRTOS任务，可以在触摸滑动事件触发后立即发起预取：

void prefetch_task(void* pvParams) { while (1) { if (user_is_swiping()) { schedule_prefetch_tiles(viewport_next_region()); } vTaskDelay(10); } }

2. 启用轻量压缩：ETC1 or RLE？

TouchGFX Converter支持多种压缩格式：

• Alpha Compression：针对带透明通道的图像，压缩率约40%
• ETC1：专为纹理设计，压缩比达50%，且支持局部解码
• RLE子集编码：适合图标类图像，简单高效

✅ 推荐：对静态背景图使用ETC1，工具链自动生成索引表，可精确跳转到任意tile偏移处解码。

启用方式很简单，在.touchgfx项目配置中添加：

<ImageCompression> <format>ETC1</format> </ImageCompression>

然后在读取时调用内置解码器：

etc1.decodeTile(tile_data, compressed_src, tx, ty);

3. 控制总线竞争：锁住DMA关键时刻

最怕什么？LCD刷新期间，QSPI也在拼命读数据，导致VSYNC中断延迟，屏幕撕裂。

解决办法：利用垂直消隐期（Vertical Blanking）同步操作。

HAL::getInstance()->lockDMAToFrontPorch(); // 锁定至前肩期 qspi_read(...); // 安全传输 HAL::getInstance()->unlockDMAToFrontPorch();

这句看似简单的API，实则确保了所有DMA活动都在安全窗口内完成，极大提升稳定性。

实际工程中的那些“坑”与对策

❌ 问题1：首次显示卡顿明显

现象：第一次打开页面时黑屏几百毫秒。

原因：首次访问Flash无缓存，且AHB预取未生效。

对策：
- 启动时预热常用tile（如Logo、按钮）
- 将关键资源靠近Flash起始地址放置
- 开启I-Cache和D-Cache（若使用MMU）

❌ 问题2：高速滑动出现“马赛克”

现象：快速上下滑动列表，部分内容显示乱码或旧数据。

原因：预取跟不上用户操作节奏，缓存替换策略太激进。

对策：
- 扩大缓存池至8~16个tile
- 改用LRU/LFU淘汰算法
- 引入优先级队列，标记“即将可见”的tile

❌ 问题3：不同厂商Flash兼容性差

现象：换用兆易创新GD25Q128时读取失败。

原因：退出Memory-Mapped模式的命令序列不一致。

对策：
- 抽象QSPI驱动层，封装厂商差异
- 添加Flash ID探测逻辑
- 统一使用通用指令集（如0x0B Fast Read）

uint32_t jedec_id = qspi_read_id(); switch (jedec_id) { case W25Q128JV_ID: setup_winbond(); break; case GD25Q128CX_ID: setup_gigadevice(); break; }

真实案例：医疗设备上的皮肤影像查看器

在一个实际医疗HMI项目中，客户需要在STM32H743上展示一组1024×1024的皮肤镜图像，共10张，原始大小合计超15MB。

原方案需外挂32MB SDRAM，成本高且难通过EMC认证。

采用本方案后的改进：

关键是用户体验大幅提升：医生滑动查看病灶图像时，几乎感受不到加载延迟，系统稳定运行超过18个月无故障。

写在最后：这不是炫技，而是务实的选择

SPI Flash直显技术的本质，是一场资源博弈的艺术。

它不要求你拥有最强的芯片，也不依赖昂贵的外围电路，而是通过软件架构的巧妙设计，把一块原本只能“存代码”的Nor Flash，变成一个高效的“图形仓库”。

当你面对以下任一情况时，不妨试试这条路：

• 主控SRAM < 512KB
• 不想加SDRAM/PSRAM
• 需要支持OTA更换主题或语言包
• 对启动速度敏感
• 成本每一分都要精打细算

记住：最好的嵌入式系统，不是堆料最多的那个，而是能把有限资源发挥到极致的那个。

如果你也在做类似的HMI项目，欢迎留言交流具体实现细节。下一篇文章，我打算分享如何用JPEG硬解模块进一步释放CPU压力——敬请期待。