1、引言
FPGA是一种现场可编程逻辑门阵列，其并行的特点让其在图像处理、数字通信等领域有广泛的应用。FPGA缺点是不擅长流程控制，对于IIC、SPI等通信方式，往往需要用到状态机。ZYNQ7000是赛灵思推出的一款带有ARM核的FPGA，包含了两个ARM A9的核以及FPGA资源，分为PS端和PL端。在运用ZYNQ做图像处理之前，有必要先搭建环境。我用的是ZYNQ7010，vivado是2018.3版本的。
2、显示环境硬件搭建
2.1 工程框架
利用ZYNQ7010显示图像，其工程的框架我们可以参照赛灵思应用手册xapp742，手册中有这样一张图，描述了 整个工程的各个模块。它是基于FPGA K7开发板搭建的，其实对于ZYNQ也相似。VDMA是video direct memory access，是一种可以将数据从地址映射转为数据流的IP核，RGB to YCrCb、OSD等式图像处理模块，这里未用到，VTC和Stream to video bridge是一起使用的，VTC是动态时钟管理，用于给Stream to video bridge提供时钟信号，Stream to video bridge则是将VDMA的数据流转换成RGB格式可以供LCD屏或者HDMI屏幕显示，具体可以看手册。
2.2 设计目标和工程建立
这里我们需要先在PS端往DDR中写入数据，之后通过VDMA在hdmi显示屏上显示一个彩条图案。在知道了设计的基本框架和目标后，我们画出这个工程的简图，之后创立vivado工程。
这里我自己画了一个工程的简化后的框图，PS端主要完成了DDR的配置，以及串口通信还有往DDR中写入彩条数据。PL端与PS端通过GP和HP接口进行交互，HP接口读取DDR中数据，传输到VDMA，VDMA实现地址映射到数据流转换，VIDEO OUT实现axi数据流到显示屏可以显示的数据转换。这里GP接口是配置，VDMA的一些参数，VTC和PLL分别是时钟配置和锁相环。
工程这边就按照自己的开发板型号来建立即可，之间创建block design，第一步添加ZYNQ IP核如下。需要对他做一些简单的配置，包括DDR、UART等，DDR和串口根据自己板子型号设置即可，这边为了能让传输快一些，将FCLK时钟频率改为了100M，此外，还添加了HP接口来作为数据的传输接口。
修改完成之后的zynq IP核如下图所示。
2.3 VDMA ip核简介和配置
创建完了工程后，根据框架简图，首先添加VDMA IP核如下图所示。关于VDMA IP核的使用可以参考塞琳思的手册pg020。
AXI VDMA IP核提供了一种高带宽的地址映射到数据流的转换，这个IP的基本框图如下图所示，左边是地址映射接口，可以将DDR数据读取出来，右边是数据流格式，AXI4-Lite可以对IP核进行配置。
2.4 VTC ip核与Video OUT ip核简介与配置
这两个IP核的参考手册分别是PG016和PG044。针对手册内容，不在过多叙述，这里直接vivado添加了这两个IP。Video out ip如下图所示，其主要接口为video_in：接入vdma输出的数据流，vtiming_in：用于接收VTC IP给出的时序，此外，还有两组时钟和复位信号。主要的输出端口vid_io_out：输出LCD屏幕可以显示的信号，包括行同步、场同步等。
此外，还需要添加VTC模块如下图所示。其主要输入接口包括了时钟、复位、使能，输出包括时序信号输出等。对它的配置如下，首先是取消勾选了AXI接口，因这里没有用到；然后关闭了detection。之后，因为这这边显示屏是768p的，所以选择1024×768。
在添加完了IP后，继续在block design中连线完成设计，连接完的框图如下图所示。将VDMA的流数据接到Video out，VTC为Video out提供显示的时序信号。Video out的aclk为100M，此外还注意到，video out和VTC还有一个显示屏显示时钟，这个时钟得根据不同的显示屏来确定。
2.5 PLL ip和DVI ip添加和配置
因为显示屏显示是需要具体的时钟信号，所以我们这里手动添加了一个PLL ip核，用于给VTC和Video out提供显示时钟。除此之外，Video out的时序是LCD的，还需要添加一个自定义的IP核来完成lcd到hdmi的转换。添加的两个IP如下图所示。这边用锁相环产生了两个时钟，一个是65MHz，对应我的显示屏，另一个是325MHz，是65MHz的5倍，满足hdmi的时序对时钟信号的要求。最后完成连线如下图所示，之后对工程综合实现生成bit流导入到sdk进行软件设计。
3、显示环境软件程序
整个程序也十分简单，在sdk中导入vdma显示的例程。利用run_triple_frame_buffer函数初始化VDMA，初始化的参数包括了VDMA实例、VDMA的ID、宽度、高度、vdma起始地址。之后写入彩条数据即可。
#include "stdio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xaxivdma.h"
#include "vdma_api.h"
#include "xil_cache.h"
#define VDMA_ID XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID
#define BASE_ADDR XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR
#define WIDTH 1024
#define DEPTH 768
int vdma_addr=(BASE_ADDR+0x1000000);
int main()
{
int i,j;
u8* vdma_buffer;
XAxiVdma vdma_inst;
vdma_buffer=(u8*) vdma_addr;
run_triple_frame_buffer(&vdma_inst,VDMA_ID, WIDTH,DEPTH,vdma_addr,0,0);
for(j=0;j<DEPTH;j++)
{
for(i=0;i<WIDTH;i++)
{
if(i>=0 && i<WIDTH/3)
{
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+0)=0x00;
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+1)=0x00;
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+2)=0xff;
}
else if(i>=WIDTH/3 && i<WIDTH/3*2)
{
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+0)=0x00;
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+1)=0xff;
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+2)=0x00;
}
else if(i>=WIDTH/3*2 && i<WIDTH)
{
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+0)=0xff;
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+1)=0x00;
*(vdma_buffer+j*WIDTH*3+3*i+2)=0x00;
}
}
}
Xil_DCacheFlush();
return 0;
}
4、VDMA彩条显示效果图
5、添加动态时钟IP核的工程
上面的一个工程针对的是某个固定的屏幕，当我们想要更换屏幕时，底层的模块就要重新配置，然后再重新生成比特流，比较麻烦。因此，下述的框架对上面的工程做了修改，首先是删除了锁相环IP核，添加了动态时钟配置模块；其次，打开VTC模块的AXI接口，使其可以通过PS端进行配置；然后VTC、Video out以及DVI模块的时钟由动态时钟模块提供。最后完成所有连线。
最后进行SDK软件设计，其代码如下所示，配置VDMA以及彩条显示与上面的代码相似。差别是添加了一些Display controller的函数对VTC模块和Dyclk模块进行配置和初始化。
#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/display_ctrl.h"
#include "vdma_api/vdma_api.h"
//宏定义
#define BYTES_PIXEL 3 //像素字节数，RGB888占3个字节
#define DYNCLK_BASEADDR XPAR_AXI_DYNCLK_0_BASEADDR //动态时钟基地址
#define VDMA_ID XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID //VDMA器件ID
#define DISP_VTC_ID XPAR_VTC_0_DEVICE_ID //VTC器件ID
//函数声明
void colorbar(u8 *frame, u32 width, u32 height, u32 stride);
//全局变量
XAxiVdma vdma;
DisplayCtrl dispCtrl;
VideoMode vd_mode;
//frame buffer的起始地址
unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);
unsigned int lcd_id=0; //LCD ID
int main(void)
{
vd_mode=VMODE_1024x768;
//配置VDMA
run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,
frame_buffer_addr,0, 0,ONLY_READ);
//初始化Display controller
DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID, DYNCLK_BASEADDR);
//设置VideoMode
DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);
DisplayStart(&dispCtrl);
//写彩条
colorbar((u8*)frame_buffer_addr, vd_mode.width,
vd_mode.height, vd_mode.width*BYTES_PIXEL);
return 0;
}
//写彩条函数（彩虹色）
void colorbar(u8 *frame, u32 width, u32 height, u32 stride)
{
u32 color_edge;
u32 x_pos, y_pos;
u32 y_stride = 0;
u8 rgb_r, rgb_b, rgb_g;
color_edge = width * BYTES_PIXEL / 7;
for (y_pos = 0; y_pos < height; y_pos++) {
for (x_pos = 0; x_pos < (width * BYTES_PIXEL); x_pos += BYTES_PIXEL) {
if (x_pos < color_edge) { //红色
rgb_r = 0xFF;
rgb_g = 0;
rgb_b = 0;
} else if ((x_pos >= color_edge) && (x_pos < color_edge * 2)) { //橙色
rgb_r = 0xFF;
rgb_g = 0x7F;
rgb_b = 0;
} else if ((x_pos >= color_edge * 2) && (x_pos < color_edge * 3)) { //黄色
rgb_r = 0xFF;
rgb_g = 0xFF;
rgb_b = 0;
} else if ((x_pos >= color_edge * 3) && (x_pos < color_edge * 4)) { //绿色
rgb_r = 0;
rgb_g = 0xFF;
rgb_b = 0;
} else if ((x_pos >= color_edge * 4) && (x_pos < color_edge * 5)) { //青色
rgb_r = 0;
rgb_g = 0xFF;
rgb_b = 0xFF;
} else if ((x_pos >= color_edge * 5) && (x_pos < color_edge * 6)) { //蓝色
rgb_r = 0;
rgb_g = 0;
rgb_b = 0xFF;
} else if ((x_pos >= color_edge * 6) && (x_pos < color_edge * 7)) { //紫色
rgb_r = 0x8B;
rgb_g = 0;
rgb_b = 0xFF;
}
frame[x_pos + y_stride + 0] = rgb_b;
frame[x_pos + y_stride + 1] = rgb_g;
frame[x_pos + y_stride + 2] = rgb_r;
}
y_stride += stride;
}
Xil_DCacheFlush(); //刷新Cache，数据更新至DDR3中
xil_printf("show color bar\r\n");
}
最后显示的效果如下图，从左到右依次红橙黄绿青蓝紫。
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