HDMI显示彩色条

引言

本文档将详细介绍如何使用 Vivado 2021 和 Vitis 2021 通过配置硬件及软件、引脚约束等，在电脑显示屏上通过 HDMI 接口显示出四条彩色条。文中将结合所提供的工程模块硬件设计图、实验结果显示图和系统框图进行说明。

硬件设计

模块分析

Processor System Reset 模块
- 作用：该模块用于生成和管理系统复位信号。它确保在系统启动和运行过程中，各个模块能够在正确的时序下进行复位操作，防止系统出现不稳定状态。
AXI Interconnect 模块
- 作用：AXI Interconnect 模块用于连接多个 AXI（Advanced eXtensible Interface）总线设备。它实现了多个主设备和从设备之间的数据传输和控制，确保数据能够在不同模块之间正确地流动。
AXI Video Direct Memory Access 模块
- 作用：该模块用于在视频数据和内存之间进行直接内存访问（DMA）操作。它能够高效地处理视频数据的传输，减少 CPU 的负担，提高系统性能。
Video Timing Controller 模块
- 作用：Video Timing Controller 模块负责生成视频时序信号，如行同步、场同步和像素时钟等。这些信号对于正确地在显示器上显示视频数据至关重要。
VDMA 模块
- 作用：VDMA（Video DMA）模块用于在视频数据和系统内存之间进行高速数据传输。它能够根据视频时序控制器生成的时序信号，将视频数据从内存中读取出来，并传输到显示器上。

系统框图分析

系统框图如下：

PS（Processing System）部分

ARM Cortex - A9：这是系统的主处理器，负责运行软件程序，控制整个系统的运行。
HP 接口和 GP 接口：这些接口用于连接不同的外设，实现数据和控制信号的传输。
DDR 存储器：用于存储系统运行所需的程序和数据，提供高速的数据存储和访问能力。

PL（Programmable Logic）部分

VDMA：与图一中的 VDMA 模块功能相同，负责视频数据的内存访问。
Video Timing Controller：生成视频时序信号，确保视频数据的正确显示。
AXI - Stream to DVI Transmitter：该模块将 AXI - Stream 格式的视频数据转换为 DVI（Digital Visual Interface）格式，以便通过 HDMI 接口传输到显示器上。
HDMI 显示器：用于显示最终的视频输出。

硬件设计

将HDMI 驱动部分封装成 IP 核，以便后续直接导入。

在之前的硬件设计基础上，我们需要添加ZYNQ IP 核的设计：

配置完成后的IP核：

搜索vdma核并按下图进行配置：

搜索timing核并按下图进行配置：

搜索veido out核并按下图进行配置：

搜索clock核并按下图进行配置：

添加自定义IP：dvi_transmitter。该 IP 核位于工程目录下的 ip_repo 文件夹中。

添加完成之后进行连接并引出外部端口（只需要引出 TMDS 端口）。pclk_x5连接到上一步时钟输出的clkout2上。

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进行连线，然后点击“Run Connnection Automation”，下面列出了会自动连接的模块及其接口，勾选“All Automation”，然后点击“OK”按钮。此时系统会自动生成 AXI Interconnect（axi_mem_intercon）和 AXI Interconnect（ps7_0_axi_periph）两个模块。另外系统也自动生成了 1 个 reset 模块（rst_ps7_0_150M），用于复位总线上的外设。

block design 修改完成后保存，然后重新 Generate Output Products 和“Create HDL Wrapper”。接下来我们还要修改约束文件，根据原理图为 HDMI 接口分配引脚。

保存约束文件，然后进行之后操作重新生成 BIT 文件。

软件设计

右击创建的平台工程，点击Update Hardware Specification:选择.xsa文件路径，出现以下弹框，点击OK，说明更新成功。好的习惯：更新完之后继续右击平台工程Build一下。

在软件项目中编写代码，在软件代码中，定义四条彩色条（红、绿、蓝、白）的数据。实现数据的生成和传输。

将这些彩色条数据存储在 DDR 存储器中，通过 VDMA 模块将数据传输到显示器上。


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;
 }

编译调试

编译工程成功后，用type-c USB线将开发板的JTAG和电脑连接，使用另外一根type-c USB线将开发板的PS UART和电脑连接。使用 HDMI 线将开发板的 HDMI 输出接口连接到电脑显示器的 HDMI 输入接口。

在电脑上打开串口调试工具MobaXterm，和开发板的PS UART建立连接。

在vitis上进入调试模式：在Debug As，选择第一个。全速运行就可以通过串口看到调试信息。

调试结果如下：

运行结果如下：