STM32F411 Dual GC9A01A Video Player

Dự án này giúp phát video RAW 16-bit RGB565 từ thẻ SD lên hai màn hình tròn GC9A01A 240x240 sử dụng STM32F411.
Tối ưu hiệu năng với SPI + DMA, hỗ trợ preload hoặc stream trực tiếp từ thẻ SD, phù hợp cho các ứng dụng nhúng hiển thị video tốc độ cao.

Tính năng chính

• Đọc dữ liệu video từ thẻ SD qua SPI2 sử dụng FatFs và DMA.
• Xuất hình ảnh lên hai LCD GC9A01A qua SPI1 bằng DMA, chia dữ liệu an toàn theo chunk.
• Hỗ trợ hai chế độ phát: preload toàn bộ vào RAM hoặc stream trực tiếp từ file.
• Tối ưu FPS (~25–30 fps cho 240x240), giảm sử dụng RAM.
• Cấu trúc mã nguồn rõ ràng, dễ mở rộng và bảo trì.

STM32F411 Dual GC9A01A Video Player (SPI + DMA)

Giới thiệu

• Mục tiêu: Phát video RAW 16-bit RGB565 từ thẻ SD lên 2 màn tròn GC9A01A 240x240 trên STM32F411, ưu tiên FPS cao và sử dụng RAM hiệu quả.
• Điểm nổi bật:
  • Đọc thẻ SD qua SPI2 + FatFs (driver SPI tự viết, hỗ trợ DMA).
  • Xuất ảnh qua SPI1 tới 2 LCD GC9A01A bằng DMA, chia dữ liệu theo chunk an toàn.
  • Hỗ trợ 2 cách phát: preload full-frame vào RAM hoặc stream trực tiếp từ file bằng f_forward (giảm sử dụng RAM).

Phần cứng

• MCU: STM32F411CEU6
• LCD: 2x GC9A01A 240x240 (SPI)
• Lưu trữ: thẻ microSD (SPI)

Sơ đồ kết nối (mặc định trong mã)

• SPI1 (LCD): PA5=SCK, PA6=MISO, PA7=MOSI
  • LCD1: CS=PB10, DC=PB1, RST=PB0
  • LCD2: CS=PB6, DC=PB7, RST=PB8
• SPI2 (SD): PB13=SCK, PB14=MISO, PB15=MOSI, SD_CS=SD_CS_Pin (port GPIOB)

Kiến trúc mã nguồn chính

• Core/Inc và Core/Src
  • gc9a01.[ch]: driver GC9A01A (khởi tạo, vẽ pixel/chuỗi, rectangle, DMA, invert/rotate/scroll, gamma). Có nhánh stream f_forward để đẩy trực tiếp từ file qua SPI DMA.
  • Function_Paint.[ch]: primitive 2D (line, rect, circle, triangle, rounded rect) dựa trên API gc9a01.
  • fonts.[ch]: font 7x10, 11x18, 16x26.
  • main.c: khởi tạo clock/GPIO/DMA/SPI, mount SD, chọn pipeline phát, vòng lặp phát file RAW.
• FATFS
  • Target/user_diskio_spi.c: driver SPI cho FatFs (DMA full‑duplex tự quản, hiệu năng cao).
  • App/fatfs.[ch], Middlewares/Third_Party/FatFs: stack FatFs.

Định dạng file RAW

• Màu: RGB565, kích thước cố định 240x240 (hoặc biến thể 200/180/150/100/50 theo file mẫu).
• Endian: little-endian (phù hợp ARM Cortex‑M, gửi byte cao trước trên SPI).
• File mẫu: eye240.raw, eye200.raw, eye180.raw, eye150.raw, eye100.raw, eye50.raw nằm ở thư mục gốc.

Build & Flash

• Công cụ: STM32CubeIDE hoặc Makefile (thư mục Debug/ sinh ra tự động bởi IDE).
• Bước thực hiện (STM32CubeIDE):
  1. Mở dự án (Exam.ioc hoặc import thư mục).
  2. Chọn target board/chip đúng STM32F411CEUx.
  3. Build Release/Debug.
  4. Nạp firmware qua ST‑Link.

Chuẩn bị thẻ SD

1. Format FAT32.
2. Sao chép các file RAW vào gốc thẻ (ví dụ eye240.raw).
3. Lắp thẻ vào hệ thống.

Cách sử dụng (2 pipeline)

• Cách 1 — Preload vào RAM (đơn giản, RAM ~115 KB cho 240x240):

// Trong Core/Src/main.c
display_all_frames_preload(&lcd1, &lcd2, "eye240.raw", 240, 240, 1);

• Cách 2 — Stream trực tiếp bằng FatFs f_forward + SPI DMA (giảm RAM):

// Ví dụ trong Core/Src/main.c (có thể bật nhánh sẵn có)
FIL file;
if (f_open(&file, "0:/eye240.raw", FA_READ) == FR_OK) {
    GC9A01A_SetAddressWindow(&lcd1, 0, 0, 239, 239);
    // Đẩy 1 frame từ file ra LCD1 bằng DMA forwarding (không cần full buffer)
    GC9A01A_DrawImage_DMA_fwd(&lcd1, &file, 240*240*2);
    f_close(&file);
}

Lưu ý: để f_forward bằng DMA hoạt động, callback HAL_SPI_TxCpltCallback cần xả cờ đang bận cho đúng hspi tương ứng.

Tối ưu hiệu năng (FPS)

• Mục tiêu: ~25–30 fps cho 240x240 (tăng ~50–100% so với baseline preload/không tối ưu).
• Kỹ thuật:
  • Chia chunk DMA an toàn (≤ 65535B), khuyến nghị ~32 KB.
  • Loại bỏ HAL_Delay thừa trong vòng chờ DMA.
  • Thêm timeout khi chờ DMA để tránh kẹt; reset CS nếu quá hạn.
  • Dùng f_forward để stream, giảm chiếm dụng RAM và cache locality tốt hơn.
  • Chuẩn bị double buffering để overlap đọc SD và phát DMA.
• Xem thêm: FPS_OPTIMIZATION_README.md.

Cấu hình gợi ý

• SPI1 (LCD): BaudRatePrescaler = 2 (tốc độ cao, tùy chất lượng dây/khoảng cách).
• SPI2 (SD): chậm khi init (prescaler lớn), sau init tăng tốc (SD_MAX_SPEED).
• DMA NVIC: bật interrupt cho các stream sử dụng (xem MX_DMA_Init).

Cấu trúc thư mục (rút gọn)

• Core/Inc, Core/Src: mã người dùng, driver LCD, primitives, main.
• Drivers: HAL/LL/CMSIS của ST.
• FATFS: driver và middleware FatFs.
• Middlewares/Third_Party/FatFs: mã nguồn FatFs.
• File dữ liệu mẫu: eye*.raw tại thư mục gốc.

Lưu ý/Issues đã biết

• Hai LCD đang dùng chung SPI1 nên truyền lần lượt, không song song thực sự.
• Biến cờ DMA (dma_busy) dùng chung; nếu tách LCD2 sang SPI3 cần cờ/logic riêng theo hspi trong callback.
• Tránh cấp phát buffer khung lớn trên stack (nguy cơ HardFault). Dùng buffer tĩnh/toàn cục hoặc stream/tiling.

Lộ trình cải tiến

• Tách LCD2 sang SPI3 để phát ảnh song song thực sự.
• Áp dụng double buffering hoàn chỉnh cho overlap SD ↔ LCD.
• Bổ sung công cụ chuyển đổi video → RAW 16‑bit.

Bản quyền

• Mã HAL/CMSIS thuộc STMicroelectronics (theo license gốc đính kèm).
• FatFs thuộc ChaN (theo license gốc).
• Mã người dùng trong thư mục Core/FATFS/Target có thể sử dụng theo nhu cầu nội bộ; cân nhắc bổ sung LICENSE riêng khi công khai.

Liên hệ

• Tác giả: thực tập sinh (Naiscop), 2025.
• Nếu bạn dùng project này, vui lòng trích dẫn nguồn.