📚 课程目录第4章低功耗刷新策略实战

4、低功耗刷新策略实战：基于帧缓冲区的局部刷新策略、基于脏矩形算法的增量刷新

各位好，欢迎来到第四章。前面我们聊了DMA怎么搬运数据，帧率怎么算。但有个实际问题一直没解决——屏幕上的内容，真的每次都要全部重画吗？

我早年做一款智能手表，电池撑不过一天。后来一查，发现大部分功耗都耗在了“画那些根本没变化的地方”上。说白了，你盯着时间看，秒针在动，但背景的天气图标、心率曲线根本没变，你却每帧都把它们重新刷一遍。这不就是浪费电吗？

所以这一章，我们就来实战两种低功耗刷新策略：局部刷新和脏矩形增量刷新。它们的目标只有一个——只画该画的部分，省下不该花的电。

4.1 局部刷新策略：只更新“变了”的那块

局部刷新的思路很直接：既然帧缓冲区里大部分内容没变，那我就不动它。我只把变化的那一小块区域，重新写入显存，然后告诉屏幕驱动：“嘿，你只需要刷新这块矩形区域。”

这听起来简单，但实现起来有几个关键点。

4.1.1 帧缓冲区的区域划分

首先，你得知道你的帧缓冲区是怎么组织的。假设我们用的是RGB565格式，分辨率320×240。那么一帧的数据量是：

320 × 240 × 2 = 153,600 字节

如果每次全刷，DMA就要搬153KB。但如果只刷一个100×100的弹窗呢？

100 × 100 × 2 = 20,000 字节

数据量直接降到原来的13%。功耗自然就下来了。

我个人习惯在驱动层维护一个脏区域结构体，记录当前需要刷新的矩形范围：

typedef struct {
    uint16_t x;      // 起始X坐标
    uint16_t y;      // 起始Y坐标
    uint16_t width;  // 矩形宽度
    uint16_t height; // 矩形高度
} dirty_rect_t;

每次应用层调用刷新接口时，先更新这个结构体，再由底层驱动决定怎么刷。

4.1.2 局部刷新的硬件支持

这里有个坑。很多便宜的LCD控制器，并不支持“只刷一部分”。你往显存里写数据，它不管你写的是哪块，反正整屏都扫一遍。

所以，你得确认你的屏幕驱动IC是否支持窗口模式。比如常见的ILI9341、ST7789，它们都有设置窗口的命令：

// 设置列地址范围
LCD_WriteCmd(0x2A);
LCD_WriteData(x_start >> 8);
LCD_WriteData(x_start & 0xFF);
LCD_WriteData(x_end >> 8);
LCD_WriteData(x_end & 0xFF);

// 设置行地址范围
LCD_WriteCmd(0x2B);
LCD_WriteData(y_start >> 8);
LCD_WriteData(y_start & 0xFF);
LCD_WriteData(y_end >> 8);
LCD_WriteData(y_end & 0xFF);

// 开始写显存
LCD_WriteCmd(0x2C);

设置完窗口后，你往数据线送像素，驱动IC就会自动把像素填到窗口区域内，窗口外的内容保持不变。嗯，这里要注意：窗口模式下，DMA传输的地址和长度必须和窗口大小严格匹配，否则画面会错位。

我曾经在一个项目里，窗口设置对了，但DMA传输的像素数比窗口面积多了几个字节。结果屏幕右下角出现了一条彩色的“尾巴”，排查了半天才发现是DMA计数器没对齐。

4.2 脏矩形算法：增量刷新的核心

局部刷新解决了“刷哪里”的问题。但还有一个问题没解决：我怎么知道哪些区域变了？

这就是脏矩形算法登场的时候了。

4.2.1 什么是脏矩形？

脏矩形，说白了就是“画面中发生变化的最小矩形区域”。比如你按下一个按钮，按钮本身变了，但按钮周围的背景没变。那么脏矩形就是按钮的边界框。

算法流程大致是这样的：

应用层修改某个UI元素（比如更新文本、移动图标）。
UI框架计算出该元素的新旧边界，合并成一个脏矩形。
将脏矩形提交给刷新管理器。
刷新管理器合并多个脏矩形（如果有多个变化）。
最终将合并后的脏矩形区域，通过DMA传输到显存。
驱动层设置窗口，只刷新该区域。

你看，整个过程只处理变化的部分，没变的地方纹丝不动。

4.2.2 脏矩形合并策略

实际项目中，一帧内可能有多个UI元素同时变化。比如一个进度条在动，同时右上角的电量图标也在更新。这时候你会得到两个脏矩形。

合并策略一般有两种：

策略	做法	优点	缺点
直接合并	取所有脏矩形的最小外接矩形	实现简单，一次DMA传输搞定	可能包含大量未变化区域，浪费带宽
分块合并	将屏幕分成固定大小的块（如16×16），标记哪些块脏了	减少无效刷新区域	需要维护块位图，实现稍复杂
链表合并	维护一个脏矩形链表，相邻或重叠的合并	精确控制刷新区域	链表操作有开销，适合变化不频繁的场景

我个人比较推荐分块合并。它在实现复杂度和刷新效率之间取得了不错的平衡。你想想看，把屏幕切成16×16的小块，每个块用一个bit标记是否脏。一帧下来，你只需要遍历这些bit，找到所有脏块，然后逐个刷新。

小技巧：分块的大小要和DMA传输的粒度匹配。如果DMA每次传输的最小单位是4字节，那你的块宽度最好是4的倍数。否则会有对齐问题，导致性能下降。

4.2.3 脏矩形算法的代码骨架

下面是一个简化的脏矩形管理器实现：

#define SCREEN_WIDTH  320
#define SCREEN_HEIGHT 240
#define BLOCK_SIZE    16

// 脏块位图，每个bit代表一个块
uint8_t dirty_map[(SCREEN_WIDTH / BLOCK_SIZE) * (SCREEN_HEIGHT / BLOCK_SIZE) / 8];

// 标记某个区域为脏
void mark_dirty(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t w, uint16_t h) {
    uint16_t start_block_x = x / BLOCK_SIZE;
    uint16_t start_block_y = y / BLOCK_SIZE;
    uint16_t end_block_x = (x + w - 1) / BLOCK_SIZE;
    uint16_t end_block_y = (y + h - 1) / BLOCK_SIZE;

    for (uint16_t by = start_block_y; by <= end_block_y; by++) {
        for (uint16_t bx = start_block_x; bx <= end_block_x; bx++) {
            uint16_t block_index = by * (SCREEN_WIDTH / BLOCK_SIZE) + bx;
            dirty_map[block_index / 8] |= (1 << (block_index % 8));
        }
    }
}

// 刷新所有脏块
void flush_dirty_blocks(void) {
    uint16_t total_blocks = (SCREEN_WIDTH / BLOCK_SIZE) * (SCREEN_HEIGHT / BLOCK_SIZE);
    for (uint16_t i = 0; i < total_blocks; i++) {
        if (dirty_map[i / 8] & (1 << (i % 8))) {
            uint16_t bx = (i % (SCREEN_WIDTH / BLOCK_SIZE)) * BLOCK_SIZE;
            uint16_t by = (i / (SCREEN_WIDTH / BLOCK_SIZE)) * BLOCK_SIZE;
            // 设置窗口，只刷新这个块
            lcd_set_window(bx, by, bx + BLOCK_SIZE - 1, by + BLOCK_SIZE - 1);
            // 通过DMA传输该块对应的帧缓冲区数据
            dma_transfer(frame_buffer + (by * SCREEN_WIDTH + bx) * 2, BLOCK_SIZE * BLOCK_SIZE * 2);
            // 清除脏标记
            dirty_map[i / 8] &= ~(1 << (i % 8));
        }
    }
}

这段代码看起来简单，但实际项目中要考虑的东西不少。比如，如果脏块太多，一帧内刷不完怎么办？那就需要做优先级排序，先刷用户最关注的区域（比如正在点击的按钮），剩下的留到下一帧。

4.3 实战中的避坑指南

讲到这里，我想分享几个我在项目中踩过的坑。

坑一：局部刷新导致画面撕裂

局部刷新时，如果屏幕的扫描线正好扫到你正在刷新的区域，就会出现上半截是新内容、下半截是旧内容的撕裂现象。解决办法是：在垂直消隐期（VBlank）进行刷新，或者使用双缓冲。

坑二：脏矩形合并后反而更耗电

有一次，我遇到一个动画效果，整个屏幕的元素都在缓慢移动。结果脏矩形合并后，几乎覆盖了整个屏幕。这时候局部刷新反而没有意义了。我的做法是：当脏矩形面积超过屏幕面积的70%时，直接切回全屏刷新。因为全屏刷新的DMA传输效率更高，单次传输的开销反而比多次小窗口传输要低。

坑三：DMA传输和脏矩形更新不同步

如果DMA正在传输某个脏块的数据，而应用层又标记了新的脏块，就会导致数据错乱。我习惯用双缓冲脏矩形表：一个表给应用层写，一个表给DMA读。DMA传输完成后，交换两个表的指针。这样读写就不会冲突了。

4.4 性能对比：局部刷新 vs 全屏刷新

最后，我们来看一组实测数据。这是我用一块320×240的TFT屏，在48MHz SPI总线下测的：

刷新方式	传输数据量	刷新耗时	相对功耗
全屏刷新	153.6 KB	~32 ms	100%
局部刷新（100×100弹窗）	20 KB	~4.2 ms	~13%
脏矩形增量刷新（典型UI操作）	2~15 KB	0.5~3.2 ms	~5%~10%

你看，脏矩形增量刷新在典型UI操作下，功耗只有全屏刷新的十分之一。这就是为什么现在的智能手表、手环，能用那么小的电池撑好几天。

好了，这一章的内容就到这里。局部刷新和脏矩形算法，是低功耗显示的核心技术。下一章我们会继续深入，看看怎么把DMA和这些刷新策略结合起来，实现真正的“零拷贝”传输。