Отображение цветных полос через HDMI

Введение

В этом документе подробно описывается, как использовать Vivado 2021 и Vitis 2021 для отображения четырех цветных полос на мониторе компьютера через интерфейс HDMI путем настройки аппаратного обеспечения, программного обеспечения и ограничений по выводам. Объяснение будет дополнено предоставленными схемами аппаратного дизайна модулей проекта, изображениями результатов эксперимента и блок-схемой системы.

Аппаратный дизайн

Анализ модулей

• Модуль сброса процессорной системы

  • Функция: Этот модуль используется для генерации и управления сигналами сброса системы. Он обеспечивает, что во время запуска и работы системы все модули могут быть сброшены с правильной синхронизацией, предотвращая нестабильность системы.

• Модуль AXI Interconnect

  • Функция: Модуль AXI Interconnect используется для подключения нескольких устройств шины AXI (Advanced eXtensible Interface). Он обеспечивает передачу данных и управляющих сигналов между несколькими ведущими и ведомыми устройствами, гарантируя правильный поток данных между различными модулями.

• Модуль прямого доступа к памяти для видео AXI

  • Функция: Этот модуль выполняет операции прямого доступа к памяти (DMA) между видеоданными и памятью. Он эффективно обрабатывает передачу видеоданных, снижая нагрузку на ЦП и повышая производительность системы.

• Модуль контроллера видеосинхронизации

  • Функция: Модуль контроллера видеосинхронизации отвечает за генерацию сигналов видеосинхронизации, таких как горизонтальная синхронизация, вертикальная синхронизация и тактовый сигнал пикселей. Эти сигналы критически важны для правильного отображения видеоданных на мониторе.

• Модуль VDMA

  • Функция: Модуль VDMA (Video DMA) используется для высокоскоростной передачи данных между видеоданными и системной памятью. Он может считывать видеоданные из памяти в соответствии с сигналами синхронизации, генерируемыми контроллером видеосинхронизации, и передавать их на дисплей.

Анализ блок-схемы системы

Блок-схема системы выглядит следующим образом:

Секция PS (Processing System)

• ARM Cortex-A9: Это главный процессор системы, отвечающий за выполнение программного обеспечения и управление общей работой системы.

• Интерфейсы HP и GP: Эти интерфейсы используются для подключения различных периферийных устройств, обеспечивая передачу данных и управляющих сигналов.

• Память DDR: Используется для хранения программ и данных, необходимых для работы системы, обеспечивая высокоскоростное хранение и доступ к данным.

Секция PL (Programmable Logic)

• VDMA: Имеет ту же функцию, что и упомянутый ранее модуль VDMA, отвечает за доступ к памяти видеоданных.

• Video Timing Controller: Генерирует сигналы видеосинхронизации для обеспечения правильного отображения видеоданных.

• AXI-Stream to DVI Transmitter: Этот модуль преобразует видеоданные из формата AXI-Stream в формат DVI (Digital Visual Interface) для передачи на монитор через интерфейс HDMI.

• HDMI Display: Используется для отображения конечного видеовыхода.

Аппаратный дизайн

Упакуйте секцию драйвера HDMI в IP-ядро для последующего прямого импорта.

На основе предыдущего аппаратного дизайна нам необходимо добавить дизайн IP-ядра ZYNQ:

IP-ядро после настройки:

Найдите ядро VDMA и настройте его, как показано на рисунке ниже:

Найдите ядро синхронизации и настройте его, как показано на рисунке ниже:

Найдите ядро видеовыхода и настройте его, как показано на рисунке ниже:

Найдите ядро тактирования и настройте его, как показано на рисунке ниже:

Добавьте пользовательское IP: dvi_transmitter. Это IP-ядро находится в папке ip_repo в каталоге проекта.

После добавления подключите и выведите внешние порты (необходимо вывести только порт TMDS). Подключите pclk_x5 к clkout2 тактового выхода из предыдущего шага.

Выполните соединения, затем нажмите «Run Connection Automation». Модули и их интерфейсы, которые будут автоматически подключены, перечислены ниже. Установите флажок «All Automation», а затем нажмите кнопку «OK». Система автоматически сгенерирует два модуля AXI Interconnect (axi_mem_intercon и ps7_0_axi_periph). Кроме того, система также автоматически сгенерирует один модуль сброса (rst_ps7_0_150M) для сброса периферийных устройств на шине.

После изменения блочного дизайна сохраните его, затем перегенерируйте Output Products и «Create HDL Wrapper». Далее нам нужно изменить файл ограничений, чтобы назначить выводы для интерфейса HDMI в соответствии со схемой.

Сохраните файл ограничений, затем перейдите к последующим шагам для перегенерации файла BIT.

Программный дизайн

Щелкните правой кнопкой мыши по созданному проекту платформы, выберите «Update Hardware Specification», укажите путь к файлу .xsa. Появится следующее диалоговое окно; нажмите OK, что означает успешное обновление. Хорошая практика: после обновления снова щелкните правой кнопкой мыши по проекту платформы и выберите «Build».

• Напишите код в программном проекте. В программном коде определите данные для четырех цветных полос (красной, зеленой, синей, белой). Реализуйте генерацию и передачу этих данных.

• Сохраните данные этих цветных полос в памяти DDR и передайте их на дисплей через модуль VDMA.

  ​x
  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <string.h>
  #include "xil_types.h"
  #include "xil_cache.h"
  #include "xparameters.h"
  #include "xaxivdma.h"
  #include "xaxivdma_i.h"
  #include "display_ctrl_hdmi/display_ctrl_hdmi.h"
  #include "vdma_api/vdma_api.h"
  
  
  #define VDMA_ID            XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID   //VDMA device ID
  #define DISP_VTC_ID        XPAR_VTC_0_DEVICE_ID       //VTC device ID
  
  
  XAxiVdma     vdma;
  DisplayCtrl  dispCtrl;
  VideoMode    vd_mode;
  
  unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);
  
  int main(void)
  {
      xil_printf("HDMI Display 1920*1080 \r\n");
  
      //set video parameters, resolution: 1920*1080
      vd_mode = VMODE_1920x1080;
  
      //configure VDMA
      run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,
          frame_buffer_addr,0, 0,ONLY_READ);
  
      //initialize Display controller
      DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID);
      //set VideoMode
      DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);
      DisplayStart(&dispCtrl);
  
      int y = 0;
      int x = 0;
      for(y = 0; y < vd_mode.height; y++)
      {
          for(x = 0; x < vd_mode.width; x++)
              if (x >= 0 && x < (vd_mode.width / 4) * 1)  
              {
                  // white
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+0)=0xff;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+1)=0xff;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+2)=0xff;
              }
              else if (x >= (vd_mode.width/4)*1 && x < (vd_mode.width/4)*2) 
              {
                  // red
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+0)=0x00;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+1)=0x00;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+2)=0xff;
  
              }
              else if (x >= (vd_mode.width/4)*2 && x < (vd_mode.width/4)*3) 
              {
                  // green
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+0)=0x00;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+1)=0xff;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+2)=0x00;
              }
              else 
              {
                  // blue
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+0)=0xff;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+1)=0x00;
                  *((u8 *)frame_buffer_addr+y*vd_mode.width*3+3*x+2)=0x00;
              }
      }
  
      Xil_DCacheFlush();     //flush Cache，update data to DDR
      while(1)
      {
  
      }
      return 0;
   }
  

Компиляция и отладка

После успешной компиляции проекта подключите JTAG отладочной платы к компьютеру с помощью кабеля USB Type-C. Используйте другой кабель USB Type-C для подключения PS UART платы к компьютеру. Используйте кабель HDMI для подключения выходного порта HDMI платы к входному порту HDMI монитора компьютера.

На компьютере откройте инструмент серийной отладки MobaXterm и установите соединение с PS UART отладочной платы.

Войдите в режим отладки в Vitis: в разделе «Debug As» выберите первый вариант. Запуск на полной скорости позволит вам видеть отладочную информацию через последовательный порт.

Результаты отладки следующие:

Результаты выполнения следующие: