U8g2lib 详解

U8g2lib 是一个用于单色图形显示器 (monochrome graphics displays) 的开源嵌入式图形库。它支持各种 OLED 和 LCD 显示器，例如经典的 128x64 SSD1306 OLED 显示器。U8g2lib 以其广泛的硬件支持、丰富的字体集、高效的内存使用以及强大的图形绘制功能而闻名。它是 U8glib 的继任者，相比 U8glib，U8g2lib 在内存效率和功能上进行了优化和扩展，支持帧缓冲模式 (full buffer) 和页缓冲模式 (page buffer)。

核心思想：提供一个统一的 API 接口，驱动各种单色图形显示器，并提供一套完整的图形绘制和字体渲染功能，同时兼顾嵌入式设备的资源限制。 开发者无需关心底层显示器的驱动细节，专注于界面设计。

一、为什么需要 U8g2lib？嵌入式显示器的痛点

在嵌入式系统中集成单色图形显示器时，开发者常常面临以下挑战：

硬件驱动复杂：不同的显示器控制器 (如 SSD1306, SH1106, ST7920) 有不同的初始化序列、命令集和数据传输协议（SPI, I2C, 并行）。手动编写驱动非常耗时且容易出错。
字体渲染困难：在低分辨率单色屏幕上显示文字需要专业的字体处理，包括位图字体存储、字符渲染算法和抗锯齿处理。
图形绘制基础功能缺失：画点、线、矩形、圆等基本图形功能需要从零开始实现。
内存资源限制：嵌入式微控制器（如 Arduino UNO 的 ATmega328P, ESP32/ESP8266）通常内存有限。全屏帧缓冲可能会消耗大量 RAM。
缺乏统一 API：每个显示器可能需要不同的库，导致项目更换显示器时需要大量代码修改。

U8g2lib 通过提供一个统一、强大且内存优化的解决方案，解决了这些痛点。

二、U8g2lib 的主要特性

2.1 广泛的硬件支持

控制器：支持 SSD1306, SH1106, ST7920, PCD8544 (Nokia 5110), ILI9341 (作为单色模式) 等数十种流行的 OLED/LCD 控制器。
接口：支持 I2C, SPI (3线/4线), 并行接口。
开发板：高度兼容 Arduino, ESP32, ESP8266, STM32 等各种微控制器平台。

2.2 两种缓冲模式

U8g2lib 提供了两种核心的屏幕更新策略，以适应不同内存需求的场景：

全帧缓冲模式 (Full Buffer Mode)：
- 工作原理：在微控制器的 RAM 中分配一块与整个显示器屏幕大小一致的位图缓冲区。所有绘制操作都在这个内存缓冲区中进行，然后一次性将整个缓冲区的内容传输到显示器。
- 优点：
  - 绘制性能高：绘制操作在内存中进行，速度快。
  - 图形效果好：支持复杂的图形效果和动画，无闪烁。
- 缺点：
  - 内存消耗大：一个 128x64 像素的屏幕需要 128 * 64 / 8 = 1024 字节的 RAM。对于内存有限的微控制器（如 Arduino UNO 的 2KB RAM），这可能是个问题。
- 适用场景：ESP32/ESP8266 等拥有较多 RAM 的设备，需要复杂动画或流畅用户界面的应用。
初始化示例 (Full Buffer)：
1
2
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/ U8X8_UNUSED, /* clock=*/ SCL, /* data=*/ SDA);
// 其中 '_F_' 表示 Full Buffer 模式
页缓冲模式 (Page Buffer Mode)：
- 工作原理：将显示器屏幕分成若干“页”，每次只在 RAM 中分配一个页大小的缓冲区。绘制操作针对当前页进行，然后将该页的内容传输到显示器。重复此过程直到所有页都被更新。
- 优点：
  - 内存消耗极低：一个 128x64 的屏幕通常分为 8 页 (每页 8 行)。每页只需要 128 * 8 / 8 = 128 字节的 RAM。
  - 高度内存优化：非常适合内存受限的微控制器。
- 缺点：
  - 绘制速度相对慢：每次更新都需要循环绘制所有页，可能会有轻微闪烁或绘制延迟。
  - 复杂图形处理受限：复杂的图形操作（如跨页的动画）可能需要更复杂的逻辑。
- 适用场景：Arduino UNO 等内存极其有限的设备，静态或简单图形显示。
初始化示例 (Page Buffer)：
1
2
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_1_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/ U8X8_UNUSED, /* clock=*/ SCL, /* data=*/ SDA);
// 其中 '_1_' 表示 Page Buffer 模式 (1页)

2.3 丰富的字体库

内置字体：U8g2lib 提供了大量高质量的位图字体，包括各种大小、风格和语言（支持中文等）。
字体编辑器：提供了工具（如 bdfconv）可以将标准字体转换为 U8g2lib 兼容格式。

2.4 强大的图形绘制功能

基本图形：画点 (drawPixel), 线 (drawLine), 矩形 (drawBox, drawFrame), 圆 (drawCircle), 椭圆 (drawEllipse)。
高级图形：多边形 (drawPolygon), 位图 (drawBitmap), XBM (drawXBM)。
文本输出：设置字体 (setFont), 绘制字符串 (drawStr), 获取文本宽度 (getStrWidth)。

2.5 国际化支持

支持 UTF-8 编码，可以显示各种语言字符，包括中文、日文、韩文等。
需要选择包含对应字符集的字体。

三、U8g2lib 的基本使用流程 (Arduino/ESP32 为例)

3.1 1. 安装库

在 Arduino IDE 或 PlatformIO 中搜索 U8g2 并安装。

3.2 2. 选择合适的显示器构造函数

这是 U8g2lib 使用的关键一步。根据你的显示器型号、分辨率、接口类型和缓冲模式，选择一个合适的构造函数。

构造函数命名规则： U8G2_<控制器>_<分辨率>_<模式>_<接口> [参数]

<控制器>：如 SSD1306, SH1106, ST7920。
<分辨率>：如 128X64, 128X32。
<模式>：
- _F_：全帧缓冲 (Full Buffer)
- _N_：不使用帧缓冲 (No Buffer)，直接写入硬件，适用于较小的显示器或极度内存受限场景。
- _1_：页缓冲 (Page Buffer)，每次传输一个页。
- _2_：页缓冲，每次传输 2 个页。
<接口>：
- _HW_I2C：硬件 I2C
- _SW_I2C：软件 I2C
- _HW_SPI：硬件 SPI
- _SW_SPI：软件 SPI
- _8BIT_PARALLEL：8位并行接口
[参数]：如 U8G2_R0 (屏幕旋转 0 度), U8G2_R1 (旋转 90 度), U8G2_R2 (旋转 180 度), U8G2_R3 (旋转 270 度)。

示例：

U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, U8X8_UNUSED, SCL, SDA);
- SSD1306 控制器，128x64 分辨率，全帧缓冲，硬件 I2C 接口，不旋转。
- U8X8_UNUSED 表示没有硬件复位引脚。SCL, SDA 是 I2C 引脚，对于硬件 I2C，通常会自动使用默认引脚，但明确指定也无妨。
U8G2_SH1106_128X64_NONAME_1_HW_SPI u8g2(U8G2_R0, 10, 9, 8, 7);
- SH1106 控制器，128x64 分辨率，页缓冲 (1 页)，硬件 SPI 接口，不旋转。
- 引脚参数顺序通常是：U8G2_R0, cs, dc, res, sck, mosi (对于 SPI)。这里 cs=10, dc=9, res=8, (sck=默认), (mosi=默认)。

3.3 3. 基本代码结构

#include <U8g2lib.h>

// 1. 根据你的显示器和接口选择合适的构造函数
// 例如：128x64 SSD1306 OLED, 硬件I2C, 全帧缓冲模式
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, U8X8_UNUSED, SCL, SDA); 
// 或者对于ESP32/ESP8266，I2C引脚可以这样指定：
// U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, U8X8_UNUSED, D1, D2); // ESP8266为例

void setup() {
  u8g2.begin(); // 初始化U8g2库和显示器
  u8g2.setFont(u8g2_font_ncenB14_tr); // 设置字体
}

void loop() {
  u8g2.clearBuffer(); // 清除内部缓冲区，全帧缓冲模式下有效

  // 绘制内容
  u8g2.drawStr(0, 15, "Hello, World!"); // 在(0, 15)坐标绘制字符串
  u8g2.drawBox(10, 20, 30, 10);        // 绘制一个填充矩形

  u8g2.sendBuffer(); // 将内部缓冲区的内容发送到显示器，全帧缓冲模式下有效

  // 对于页缓冲模式，通常在一个循环中处理绘制和发送
  // u8g2.firstPage();
  // do {
  //   u8g2.setFont(u8g2_font_ncenB14_tr);
  //   u8g2.drawStr(0, 15, "Hello, Page!");
  // } while (u8g2.nextPage());

  delay(1000); // 延迟1秒
}

3.4 4. 常用函数

u8g2.begin(): 初始化显示器。
u8g2.clearBuffer(): 清空内部帧缓冲区（仅全帧缓冲模式）。
u8g2.sendBuffer(): 将帧缓冲区内容发送到显示器（仅全帧缓冲模式）。
u8g2.firstPage() / u8g2.nextPage(): 用于页缓冲模式的循环。
u8g2.setFont(const u8g2_font_t *font): 设置当前字体。
u8g2.drawStr(u8g2_uint_t x, u8g2_uint_t y, const char *s): 在指定位置绘制字符串。
u8g2.drawUTF8(u8g2_uint_t x, u8g2_uint_t y, const char *s): 绘制 UTF-8 编码的字符串。
u8g2.drawPixel(u8g2_uint_t x, u8g2_uint_t y): 画点。
u8g2.drawLine(u8g2_uint_t x1, u8g2_uint_t y1, u8g2_uint_t x2, u8g2_uint_t y2): 画线。
u8g2.drawBox(u8g2_uint_t x, u8g2_uint_t y, u8g2_uint_t w, u8g2_uint_t h): 绘制填充矩形。
u8g2.drawFrame(u8g2_uint_t x, u8g2_uint_t y, u8g2_uint_t w, u8g2_uint_t h): 绘制矩形边框。
u8g2.drawCircle(u8g2_uint_t x0, u8g2_uint_t y0, u8g2_uint_t rad, uint8_t opt): 绘制圆。
u8g2.setCursor(u8g2_uint_t x, u8g2_uint_t y): 设置文本光标位置。
u8g2.print(...): 类似 Serial.print()，用于在当前光标位置打印数据。
u8g2.getDisplayWidth() / u8g2.getDisplayHeight(): 获取显示器宽度和高度。

四、高级特性与优化

字体选择：U8g2lib 的字体名称通常包含信息，如 u8g2_font_ncenB14_tr：
- ncen：字体家族 (New Century Schoolbook)
- B：粗体 (Bold)
- 14：字高 (14 像素)
- tr：透明 (Transparent)，即背景不绘制。tf 表示填充 (Filled) 背景。
  选择合适的字体对于优化显示效果和内存占用很重要。
自定义字体：使用 bdfconv 工具将 .bdf 字体文件转换为 C 数组，并集成到项目中。
电源管理：u8g2.setPowerSave(0) (打开屏幕), u8g2.setPowerSave(1) (关闭屏幕)，在需要省电时非常有用。
对比度设置：u8g2.setContrast(value) 可以调整 OLED 显示器的亮度。
旋转与翻转：在构造函数中选择 U8G2_R0 到 U8G2_R3 进行旋转，u8g2.setFlipMode(1) 可以进行水平/垂直翻转。
内存优化 (Page Buffer)：
- 在内存受限的设备上，优先使用页缓冲模式 (_1_ 或 _N_)。
- u8g2.firstPage(); do { ... } while(u8g2.nextPage()); 是页缓冲模式的标准循环结构。
动画：
- 全帧缓冲模式更适合动画，因为可以在内存中高效绘制多帧，然后快速刷新。
- 页缓冲模式下实现动画需要更精细的绘制控制，可能需要在每个 nextPage() 迭代中更新动画元素。

五、U8g2lib 与 U8glib 的区别

U8g2lib 是 U8glib 的现代版本，主要改进包括：

内存优化：U8g2lib 提供了更灵活的内存管理（全帧缓冲、页缓冲、无缓冲），特别是在页缓冲模式下更加高效。
统一 API：U8g2lib 的 API 设计更加统一和简洁。
字体改进：支持的字体更多，并且对字体的渲染和管理进行了优化。
国际化：更好的 UTF-8 支持。
硬件支持：支持更多新型显示器控制器。

对于新项目，强烈推荐使用 U8g2lib。

六、总结

U8g2lib 是嵌入式领域中一个非常成熟和强大的单色图形库。它以其广泛的硬件兼容性、灵活的缓冲模式、丰富的字体和全面的图形绘制功能，极大地简化了单色显示器的开发。无论是对于内存有限的 Arduino UNO，还是资源更丰富的 ESP32，U8g2lib 都能提供高效且高质量的显示解决方案。掌握 U8g2lib 的使用，将使您能够轻松地为您的嵌入式项目创建富有表现力的用户界面。