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墨水屏显示模拟器程序解读

news 来源：原创 2025/5/19 8:57:07

程序如下：出处https://github.com/tsl0922/EPD-nRF5?tab=readme-ov-file

// GUI emulator for Windows
// This code is a simple Windows GUI application that emulates the display of an e-paper device.
#include <windows.h>
#include <stdint.h>
#include <time.h>
#include "GUI.h"#define BITMAP_WIDTH   400
#define BITMAP_HEIGHT  300
#define WINDOW_WIDTH   400
#define WINDOW_HEIGHT  340
#define WINDOW_TITLE   TEXT("Emurator")// Global variables
HINSTANCE g_hInstance;
HWND g_hwnd;
display_mode_t g_display_mode = MODE_CALENDAR; // Default to calendar mode
BOOL g_bwr_mode = TRUE;  // Default to BWR mode
time_t g_display_time;
struct tm g_tm_time;// Convert bitmap data from e-paper format to Windows DIB format
static uint8_t *convertBitmap(uint8_t *bitmap, uint16_t x, uint16_t y, uint16_t w, uint16_t h) {int bytesPerRow = ((w + 31) / 32) * 4; // Round up to nearest 4 bytesint totalSize = bytesPerRow * h;// Allocate memory for converted bitmapuint8_t *convertedBitmap = (uint8_t*)malloc(totalSize);if (convertedBitmap == NULL) return NULL;memset(convertedBitmap, 0, totalSize);int ePaperBytesPerRow = (w + 7) / 8; // E-paper buffer stridefor (int row = 0; row < h; row++) {for (int col = 0; col < w; col++) {// Calculate byte and bit position in e-paper bufferint bytePos = row * ePaperBytesPerRow + col / 8;int bitPos = 7 - (col % 8); // MSB first (typical e-paper format)// Check if the bit is set in the e-paper bufferint isSet = (bitmap[bytePos] >> bitPos) & 0x01;// Calculate byte and bit position in Windows DIBint dibBytePos = row * bytesPerRow + col / 8;int dibBitPos = 7 - (col % 8); // MSB first for DIB too// Set the bit in the Windows DIB if it's set in the e-paper bufferif (isSet) {convertedBitmap[dibBytePos] |= (1 << dibBitPos);}}}return convertedBitmap;
}// Implementation of the buffer_callback function
void DrawBitmap(uint8_t *black, uint8_t *color, uint16_t x, uint16_t y, uint16_t w, uint16_t h) {HDC hdc;RECT clientRect;int scale = 1;// Get the device context for immediate drawinghdc = GetDC(g_hwnd);if (!hdc) return;// Get client area for positioningGetClientRect(g_hwnd, &clientRect);// Calculate position to center the entire bitmap in the windowint drawX = (clientRect.right - BITMAP_WIDTH * scale) / 2;int drawY = (clientRect.bottom - BITMAP_HEIGHT * scale) / 2;// Create DIB for visible pixelsBITMAPINFO bmi;ZeroMemory(&bmi, sizeof(BITMAPINFO));bmi.bmiHeader.biSize = sizeof(BITMAPINFOHEADER);bmi.bmiHeader.biWidth = w;bmi.bmiHeader.biHeight = -h; // Negative for top-down bitmapbmi.bmiHeader.biPlanes = 1;bmi.bmiHeader.biBitCount = 1;bmi.bmiHeader.biCompression = BI_RGB;uint8_t *convertedBitmap = convertBitmap(black, x, y, w, h);if (convertedBitmap == NULL) {ReleaseDC(g_hwnd, hdc);return;}// Set colors for black and white displaybmi.bmiColors[0].rgbBlue = 0;bmi.bmiColors[0].rgbGreen = 0;bmi.bmiColors[0].rgbRed = 0;bmi.bmiColors[0].rgbReserved = 0;bmi.bmiColors[1].rgbBlue = 255;bmi.bmiColors[1].rgbGreen = 255;bmi.bmiColors[1].rgbRed = 255;bmi.bmiColors[1].rgbReserved = 0;// Draw the black layerStretchDIBits(hdc,drawX + x * scale, drawY + y * scale,  // Destination positionw * scale, h * scale,                  // Destination size0, 0,                                 // Source positionw, h,                                 // Source sizeconvertedBitmap,                      // Converted bitmap bits&bmi,                                 // Bitmap infoDIB_RGB_COLORS,                       // UsageSRCCOPY);                             // Raster operation codefree(convertedBitmap);// Handle color layer if present (red in BWR displays)if (color) {// Allocate memory for converted color bitmapuint8_t *convertedColor = convertBitmap(color, x, y, w, h);if (convertedColor) {// Set colors for red overlaybmi.bmiColors[0].rgbBlue = 255;bmi.bmiColors[0].rgbGreen = 255;bmi.bmiColors[0].rgbRed = 0;bmi.bmiColors[0].rgbReserved = 0;bmi.bmiColors[1].rgbBlue = 0;bmi.bmiColors[1].rgbGreen = 0;bmi.bmiColors[1].rgbRed = 0;bmi.bmiColors[1].rgbReserved = 0;// Draw red overlayStretchDIBits(hdc,drawX + x * scale, drawY + y * scale,  // Destination positionw * scale, h * scale,                  // Destination size0, 0,                                 // Source positionw, h,                                 // Source sizeconvertedColor,                       // Converted bitmap bits&bmi,                                 // Bitmap infoDIB_RGB_COLORS,                       // UsageSRCINVERT);                           // Use XOR operation to blendfree(convertedColor);}}// Release the device contextReleaseDC(g_hwnd, hdc);
}// Window procedure
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hwnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam) {switch (message) {case WM_CREATE:// Initialize the display timeg_display_time = time(NULL) + 8*3600;// Set a timer to update the CLOCK periodically (every second)SetTimer(hwnd, 1, 1000, NULL);return 0;case WM_TIMER:if (g_display_mode == MODE_CLOCK) {g_display_time = time(NULL) + 8*3600;if (g_display_time % 60 == 0) {InvalidateRect(hwnd, NULL, FALSE);}}return 0;case WM_PAINT: {PAINTSTRUCT ps;HDC hdc = BeginPaint(hwnd, &ps);// Get client rect for calculationsRECT clientRect;GetClientRect(hwnd, &clientRect);// Clear the entire client area with a solid colorHBRUSH bgBrush = CreateSolidBrush(RGB(240, 240, 240));FillRect(hdc, &clientRect, bgBrush);DeleteObject(bgBrush);// Use the stored timestampgui_data_t data = {.bwr             = g_bwr_mode,.width           = BITMAP_WIDTH,.height          = BITMAP_HEIGHT,.timestamp       = g_display_time,.temperature     = 25,.voltage         = 3.2f,};// Call DrawGUI to render the interface, passing the BWR modeDrawGUI(&data, DrawBitmap, g_display_mode);EndPaint(hwnd, &ps);return 0;}case WM_KEYDOWN:// Toggle display mode with spacebarif (wParam == VK_SPACE) {if (g_display_mode == MODE_CLOCK)g_display_mode = MODE_CALENDAR;elseg_display_mode = MODE_CLOCK;InvalidateRect(hwnd, NULL, TRUE);}// Toggle BWR mode with R keyelse if (wParam == 'R') {g_bwr_mode = !g_bwr_mode;InvalidateRect(hwnd, NULL, TRUE);}// Handle arrow keys for month/day adjustmentelse if (wParam == VK_UP || wParam == VK_DOWN || wParam == VK_LEFT || wParam == VK_RIGHT) {// Get the current time structureg_tm_time = *localtime(&g_display_time);// Up/Down adjusts monthif (wParam == VK_UP) {g_tm_time.tm_mon++;if (g_tm_time.tm_mon > 11) {g_tm_time.tm_mon = 0;g_tm_time.tm_year++;}}else if (wParam == VK_DOWN) {g_tm_time.tm_mon--;if (g_tm_time.tm_mon < 0) {g_tm_time.tm_mon = 11;g_tm_time.tm_year--;}}// Left/Right adjusts dayelse if (wParam == VK_RIGHT) {g_tm_time.tm_mday++;}else if (wParam == VK_LEFT) {g_tm_time.tm_mday--;}// Convert back to time_tg_display_time = mktime(&g_tm_time);// Force redrawInvalidateRect(hwnd, NULL, TRUE);}return 0;case WM_DESTROY:KillTimer(hwnd, 1);PostQuitMessage(0);return 0;default:return DefWindowProc(hwnd, message, wParam, lParam);}
}// Main entry point
int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow) {g_hInstance = hInstance;// Register window classWNDCLASSA wc = {0}; // Using WNDCLASSA for ANSI versionwc.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;wc.lpfnWndProc = WndProc;wc.hInstance = hInstance;wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);wc.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);wc.lpszClassName = "BitmapDemo"; // No L prefix - using ANSI stringsif (!RegisterClassA(&wc)) {MessageBoxA(NULL, "Window Registration Failed!", "Error", MB_ICONEXCLAMATION | MB_OK);return 0;}// Create the window - explicit use of CreateWindowA for ANSI versiong_hwnd = CreateWindowA("BitmapDemo","Emurator", // Using simple titleWS_OVERLAPPEDWINDOW,CW_USEDEFAULT, CW_USEDEFAULT,WINDOW_WIDTH, WINDOW_HEIGHT,NULL, NULL, hInstance, NULL);if (!g_hwnd) {MessageBoxA(NULL, "Window Creation Failed!", "Error", MB_ICONEXCLAMATION | MB_OK);return 0;}// Show windowShowWindow(g_hwnd, nCmdShow);UpdateWindow(g_hwnd);// Main message loopMSG msg;while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)) {TranslateMessage(&msg);DispatchMessage(&msg);}return (int)msg.wParam;
}

代码功能概述

这段 C 语言代码是一个 Windows GUI 应用程序，用于模拟电子纸显示设备的界面。它支持黑白和黑白红 (BWR) 两种显示模式，并能在时钟和日历两种显示模式间切换。程序通过 Windows API 创建窗口，处理用户输入，并模拟电子纸的显示效果。

主要模块与功能分析

1. 全局变量与宏定义

#define BITMAP_WIDTH 400
#define BITMAP_HEIGHT 300
#define WINDOW_WIDTH 400
#define WINDOW_HEIGHT 340
#define WINDOW_TITLE TEXT("Emurator")

HINSTANCE g_hInstance;
HWND g_hwnd;
display_mode_t g_display_mode = MODE_CALENDAR;
BOOL g_bwr_mode = TRUE;
time_t g_display_time;
struct tm g_tm_time;

定义了显示区域和窗口的尺寸

声明了窗口句柄、显示模式和时间相关变量

默认显示模式为日历，默认支持 BWR (黑白红) 模式

2. 位图转换函数 convertBitmap

static uint8_t *convertBitmap(uint8_t *bitmap, uint16_t x, uint16_t y, uint16_t w, uint16_t h) {
// 计算行字节数并分配内存
int bytesPerRow = ((w + 31) / 32) * 4;
int totalSize = bytesPerRow * h;
uint8_t *convertedBitmap = (uint8_t*)malloc(totalSize);
memset(convertedBitmap, 0, totalSize);

// 转换电子纸格式(MSB优先)到位图格式
int ePaperBytesPerRow = (w + 7) / 8;
for (int row = 0; row < h; row++) {
for (int col = 0; col < w; col++) {
// 计算电子纸缓冲区中的位位置
int bytePos = row * ePaperBytesPerRow + col / 8;
int bitPos = 7 - (col % 8);
int isSet = (bitmap[bytePos] >> bitPos) & 0x01;

// 设置Windows DIB中的对应位
int dibBytePos = row * bytesPerRow + col / 8;
int dibBitPos = 7 - (col % 8);
if (isSet) {
convertedBitmap[dibBytePos] |= (1 << dibBitPos);
}
}
}
return convertedBitmap;
}

将电子纸设备使用的位图格式转换为 Windows DIB (设备无关位图) 格式

处理了位序转换 (MSB 优先) 和行字节对齐问题

支持黑白和彩色 (红色) 两层显示

DrawBitmap 函数详解

该函数是电子纸模拟器的核心绘制函数，负责将电子纸的位图数据（黑白层和彩色层）转换为 Windows 窗口可显示的位图，并完成最终渲染。

以下从功能流程、关键技术点和代码细节三方面展开分析：

一、函数功能与流程总览

输入参数：

• black：黑白层位图数据（1 位单色，MSB 优先）

• color：彩色层位图数据（可选，通常用于红色显示）

• x/y：绘制起点坐标（相对于显示区域）

• w/h：绘制区域的宽度和高度

核心流程：

1. 获取绘图环境：获取窗口的设备上下文（HDC）和客户区尺寸。

2. 配置位图信息：定义 Windows 位图格式（BITMAPINFO），包括尺寸、位深、颜色表等。

3. 绘制黑白层： ◦ 调用 convertBitmap 转换电子纸格式为 Windows 位图。 ◦ 使用 StretchDIBits 绘制黑色前景和白色背景。

4. 绘制彩色层（可选）： ◦ 转换彩色层数据并设置颜色表（红色通过黄色与黑色异或实现）。 ◦ 使用 SRCINVERT 光栅操作混合颜色层。

5. 释放资源：归还设备上下文，避免内存泄漏。

二、关键技术点解析

1. 设备上下文（HDC）与窗口坐标系

• GetDC(g_hwnd)：获取窗口的设备上下文，用于直接在窗口上绘制图形。

• GetClientRect：获取窗口客户区（不含边框和标题栏）的尺寸，

用于计算位图居中显示的位置：

int drawX = (clientRect.right - BITMAP_WIDTH * scale) / 2;
int drawY = (clientRect.bottom - BITMAP_HEIGHT * scale) / 2;

（代码中虽未显式计算 scale，但通过 StretchDIBits 的缩放参数实现自适应显示）

2. 位图信息头（BITMAPINFO）配置

BITMAPINFO bmi = {0};
bmi.bmiHeader.biSize = sizeof(BITMAPINFOHEADER);
bmi.bmiHeader.biWidth = w; // 位图宽度（像素）
bmi.bmiHeader.biHeight = -h; // 负高度表示位图数据从上到下存储（正向显示）
bmi.bmiHeader.biPlanes = 1; // 平面数，固定为1
bmi.bmiHeader.biBitCount = 1; // 1位单色位图（每个像素占1位，0=黑色，1=白色）
bmi.bmiHeader.biCompression = BI_RGB; // 无压缩，使用RGB颜色表
• 负高度的作用：

Windows 位图有两种存储方式：

◦ 正高度：位图数据从下到上存储（原点在左下角）。

◦ 负高度：位图数据从上到下存储（原点在左上角），更符合常规坐标系，便于直接绘制。

3. 位图格式转换（convertBitmap）

• 电子纸格式特点：

◦ 1 位单色，MSB 优先（最高位为第一个像素）。

◦ 行字节数为 (宽度 + 7) / 8（向上取整到字节）。

• Windows DIB 格式要求： ◦ 1 位位图使用 BI_RGB 压缩，行字节数需为 4 的倍数（通过 ((w + 31) / 32) * 4 计算）。 • 转换逻辑： c // 电子纸缓冲区中的位位置（MSB优先）
int bitPos = 7 - (col % 8);
// Windows DIB 中的位位置（同样MSB优先）
int dibBitPos = 7 - (col % 8);

通过逐行逐位复制，将电子纸的 “位掩码” 转换为 Windows 可识别的位图数据。 4. 颜色表与绘制逻辑 • 黑白层绘制： c bmi.bmiColors[0] = RGB(0, 0, 0); // 索引0对应黑色（位图中值为0的像素）
bmi.bmiColors[1] = RGB(255, 255, 255); // 索引1对应白色（位图中值为1的像素）
StretchDIBits(..., SRCCOPY); // 直接复制像素，黑色前景覆盖白色背景

• 彩色层（红色）绘制：

◦ 电子纸彩色层通常为红色，但 Windows 位图不支持直接绘制红色单通道，因此通过异或（XOR）操作模拟：

bmi.bmiColors[0] = RGB(255, 255, 0); // 黄色（R=255, G=255, B=0）
bmi.bmiColors[1] = RGB(0, 0, 0); // 黑色（背景）
StretchDIBits(..., SRCINVERT); // 异或操作：黄色 ^ 白色 = 红色，黄色 ^ 黑色 = 黄色

◦ 异或原理：

◦ 白色背景区域（RGB (255,255,255)）：黄色（RGB (255,255,0)）与白色异或后为红色（RGB (255,0,0)）。

◦ 黑色前景区域（RGB (0,0,0)）：黄色与黑色异或后保持黄色，但因黑色层已覆盖，实际不显示。三、代码细节与注意事项

1. 内存管理

• 动态分配与释放：

uint8_t *convertedBitmap = convertBitmap(...); // 分配内存
// 使用后立即释放
free(convertedBitmap);
避免因忘记释放内存导致程序泄漏。

2. 光栅操作码（Raster Operation）

• SRCCOPY：直接复制源位图到目标区域，覆盖原有像素（用于黑白层）。

• SRCINVERT：源位图与目标区域像素异或（用于彩色层叠加）。

3. 电子纸特性模拟

• 分层绘制：电子纸通常支持黑白层和彩色层独立更新，此处通过两次 StretchDIBits 调用模拟分层。

• 低刷新率：电子纸实际刷新较慢，但代码中未模拟延迟，仅通过定时器控制界面更新频率。四、总结 DrawBitmap 函数通过以下步骤实现电子纸显示模拟：

1. 格式适配：将电子纸的位掩码格式转换为 Windows 位图，处理位序和行对齐问题。