[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK高级篇连载-04视频图形显示方案(VDMA/HDMI)

​ 软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1概述

本文对 Xilinx 提供的一款 IP 核—AXI VDMA(Video Direct Memory Access) 进行详细讲解，首先分析 VDMA 应用意义；然后详细介绍 VDMA 的特点、寄存器作空间；最后阐述如何使用 VDMA，包括 IP 核的配置方法、代码编写流程等。

VDMA IP可以从PS DDR中读取数据，然后以AXI-Stream流的方式输出。虽然使用DMA和FDMA也可以从PS DDR中读取数据，但是使用VDMA输出的优势在于LINUX下使用的时候，具有现成的驱动可以使用。

本文在PS DDR中开辟了一段缓存地址用于VDMA的视频缓存，通过PS的ARM写入测试图形数据，测试图形就会在显示器或者液晶屏上显示。

PS DDR中的数据也可以通过HDMI通道输出，考虑到2CG板卡并没有自带的HDMI输出接口，所以本文仅介绍使用VDMA输出至LCD屏以及HDMI输出两种输出方式。如果用户在学习的过程中想使用HDMI输出，可以参考我们的教程购买HDMI子卡自行修改Demo。

本文实验目的：

1:掌握基于VDMA IP的图像显示系统的搭建方法可以参考“附录2”

2:了解点缓存方式图像的撕裂问题

3:掌握VDMA polled模式的基本使用

4:掌握米联客 HDMI IP 在 ZYNQ 中的使用

5:掌握米联客7寸液晶屏驱动显示

2系统框图
如下图所示，该方案中 PS 的 CPU 往 DDR 中绘制测试图形，VDMA 自主从 PS DDR 中读取绘制的图形数据，发送给 AXI4-Stream to Video Out IP(简称 VID OUT),VID OUT IP 把 Stream 流数据转为 RGB 时序给 HDMI 输出 IP,这样就能驱动 HDMI 显示器了。
这里还用到了 Video Timing Controller IP(简称 VTC),该 IP 产生 RGB 视频时序，和VID OUT IP 配合实现 AXIStream 视频数据流转为 RGB 视频数据。
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如下图所示，该方案中PS 的CPU往DDR中绘制测试图形，VDMA自主从PS DDR中读取绘制的图形数据，发送给AXI4-Stream to Video Out IP(简称VID OUT),VID OUT IP 把Stream流数据转为RGB时序给LVDS输出IP,这样就能驱动LCD显示器了。

这里还用到了Video Timing Controller IP(简称VTC),该IP产生RGB视频时序，和VID OUT IP配合实现AXI-Stream视频数据流转为RGB视频数据。

米联客7寸液晶屏可以支持LVDS(必须修改BANK电压支持LVDS通信，如果有不清楚请咨询米联客技术支持)接口或者RGB接口，比如LVDS接口的系统框图中也是把RGB时序转为LVDS驱动液晶屏。

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如果是使用RGB接口可以直接用RGB时序驱动液晶屏.

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3硬件电路分析

硬件接口和子卡模块请阅读“附录1”

配套工程的FPGA PIN脚定义路径为soc_prj/uisrc/04_pin/ fpga_pin.xdc。

4搭建SOC系统工程

详细的搭建过程这里不再重复，对于初学读者如果还不清楚如何创建SOC工程的，请学习“3-1-01米联客2024版ZynqSocSDK入门篇”中第一个工程 “01Vitis Soc开发入门”这个实验。

4.1Zynq IP PS部分设置

本文中的PS设置内容是新增加的配置部分，关于DDR、MIO、CPU时钟等设置请参考“3-1-01米联客2024版ZynqSocSDK入门篇”中第一个工程 “01Vitis Soc开发入门”这个实验。

1:PS复位设置
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2:设置 PS GT Master 接口和 HP Slave 接口
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3:设置PL到PS的中断

Interurptsà勾选 Fabric Interrupt，勾选IRQ_F2P[15:0]。

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4:设置 PL 的时钟

勾选FCLK_CLK0，设置为100，即PS的PLL提供本系统的时钟100MHZ。

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5:ZYNQ IP设置完成后

下图中IRQ_F2P[0:0]会根据xconcat IP自动扩展

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4.2添加IP
以实现 HDMI 输出为演示 demo 说明，需要添加的 IP 如下。以下 IP 是已经完成配置后的形态：

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1:VDMA IP

AXI Video Direct Memory Access该IP简称VDMA IP 可以用于AXI-Stream流视频输入和输出,以下对使用到的配置参数做一些简单介绍，更多关于VDMA IP的介绍阅读“附录:2”介绍

本方案中只用到Read通道，因此只需要使能read 通道。

Address Width 设置AXI4总线可以访问的地址范围，对于32bit系统设置32即可

FrameBuffers 设置3，最大可以支持3帧缓存

Memory Map Data Width 用于设置AXI4接口的数据位宽，位宽越大通信速度越高，但是总线占用率也越高

Read Burst Size 设置读通道的AXI4 Burst长度

Stream Data Width 设置AXI4-Stream接口的数位宽，这里是32bit对齐

Line Buffer Depth设置FIFO大小，这里设置512

对于写通道的定义一样,这里没用到，也就不介绍了。

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这里写通道没有使用依然不设置，Fsync Options设置

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2:VTC IP

Video Timming Controller该IP简称VTC IP用于产生HS VS等视频时序给VID OUT IP用

VTC IP可以支持AXI-LITE接口通过PS动态修改分辨率，但是我们这里只设置固定的分辨率

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HDMI 液晶屏这里的分辨率设置 720P

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米联客的7寸液晶屏

分辨率是1024x600设置如下：

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3:VIDOUT IP

AXI4-Stream to Video Out该IP简称VID OUT IP 用于把AXI-Stream 视频流转为RGB视频时序输出,该IP设置如下

Pixels Per Clock 设置1个像素多少个时钟

Video Format 设置为RGB

AX4S Video Input Component Width设置视频格式的数据位宽，对于RGB 888 这里是8

Native Video Output Component Width

主要参数设置RGB接口，FIFO深度1024，T

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4:uihdmitx IP
该 IP 为米联客自定义的用 FPGA 自带 serdes 完成 HDMI 输出的 IP
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5:AXI Interconnect IP

用于互联AXI4总线接口的IP，本方案用的2个interconnect ip 设置一样

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6:Clocking Wizard IP
以下内容介绍 HDMI 显示器 720P 以及米联客 7 寸液晶屏的分辨率对应时钟设置
对于 HDMI 液晶屏，需要设置 2 个时钟，并且是 5 倍关系，设置 720P 分辨率时钟用 74.25M
​

对于7寸液晶屏，分LVDS接口用法和RGB接口用法，1024*640分辨率RGB接口时钟设置如下：

​

对于7寸液晶屏，分LVDS接口用法和RGB接口用法，1024*640分辨率LVDS接口时钟设置如下：

​
4.3PL图形编程
1:7寸液晶RGB接口

FPGA IO BANK 电压为 3.3V 使用 FEP-BASE-CARD-3.3V 接口卡

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2:7寸液晶LVDS接口

FPGA IO BANK  电压为 2.5V 或者 1.8V，需要匹配使用 2.5V 的 FEP-BASE-CARD-2.5V 接口卡或者 1.8V 的 FEP- BASE-CARD-1.8V 接口卡

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3:HDMI 输出编程
​
4地址空间分配
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5编译并导出平台文件

1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。

2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。

3:生成Bit文件。

4:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream

5:导出完成后，对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件：system_wrapper.xsa的文件。根据硬件平台文件system_wrapper.xsa来创建需要Platform平台。

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5搭建Vitis-sdk工程

创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个demo。

5.1创建SDK Platform工程
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5.2创建vdma APP测试工程

Vdma_out_test APP工程为单缓存方式

​
6程序分析

本方案路径下也提供了7寸液晶屏的方案源码。

6.1vdma_out_test程序

1. /********************MILIANKE**************************
   
2. *Company : MiLianKe Electronic Technology Co., Ltd.
   
3. *WebSite:https://www.milianke.com
   
4. *TechWeb:https://www.uisrc.com
   
5. *tmall-shop:https://milianke.tmall.com
   
6. *jd-shop:https://milianke.jd.com
   
7. *taobao-shop1: https://milianke.taobao.com
   
8. *Create Date: 2021/10/15
   
9. *File Name: vdma_out_test.c
   
10. *Description:
    
11. *Declaration:
    
12. *The reference demo provided by Milianke is only used for learning.
    
13. *We cannot ensure that the demo itself is free of bugs, so users
    
14. *should be responsible for the technical problems and consequences
    
15. *caused by the use of their own products.
    
16. *Copyright: Copyright (c) MiLianKe
    
17. *All rights reserved.
    
18. *Revision: 1.0
    
19. ****************************************************/
    
20. #include "xil_exception.h"
    
21. #include "xil_printf.h"
    
22. #include "xil_cache.h"
    
23. #include "vdma_pl.h"
    
24. #include "sleep.h"
    
25. extern XAxiVdma VDMA; //定义VDMA
    
26. extern XAxiVdma_DmaSetup WriteCfg; //定义VDMA写通道结构体
    
27. extern XAxiVdma_DmaSetup ReadCfg; //定义VDMA
    
28. u32 GFrame[BUFFERSIZE] __attribute__ ((__aligned__(256))); //定义图像缓存，自动分配地址
    
29. int main()
    
30. {
    
31.         u8 mode_s =0;
    
32.         u32 vcnt,hcnt;
    
33.         u32 *ARGB = (u32*) GFrame;
    
34.         sleep(1);
    
35.         ReadCfg.FrameStoreStartAddr[0] = (UINTPTR)GFrame;//获取缓存地址，这里只设置1帧缓存
    
36.         MM2S_ReadSetup(XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID, &VDMA, ReadCfg);//设置读通道参数
    
37.         xil_printf("VDMA Generic Video start! r\n");
    
38. //产生测试图形
    
39.     while(1)
    
40.     {
    
41.             for(vcnt =0 ; vcnt < 720 ; vcnt++)
    
42.             {//video color test
    
43.                     for(hcnt = 0; hcnt < 1280; hcnt++)
    
44.                     {
    
45.                             switch(mode_s)
    
46.                             {
    
47.                             case 0: ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x000000ff;break; //纯蓝
    
48.                             case 1: ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x0000ff00;break; //纯绿
    
49.                             case 2: ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x00ff0000;break; //纯红
    
50.                             case 3: ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x00ff0000;break; //纯红
    
51.                             case 4: //彩条
    
52.                                              if(hcnt<200 ) ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x000000ff;
    
53.                                 else if(hcnt<400 ) ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x0000ff00;
    
54.                                 else if(hcnt<600 ) ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x00ff0000;
    
55.                                 else if(hcnt<800 ) ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x00ff00ff;
    
56.                                 else if(hcnt<1000) ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x0000ffff;
    
57.                                 else if(hcnt<1200) ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x00ffff00;
    
58.                                 else if(hcnt<1400) ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x00ffffff;
    
59.                             break;
    
60.                             case 5: //黑白方格
    
61.                                              if((hcnt&0x10)^(vcnt&0x10))
    
62.                                                      ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0x00000000;
    
63.                                              else
    
64.                                                      ARGB[hcnt+vcnt*1280] = 0xffffffff;
    
65.                             break;
    
66.                             default:mode_s = 0;break;
    
67.                             }
    
68.                     }
    
69.             }
    
70.             //更新cache 数据到DDR
    
71.             Xil_DCacheFlushRange((u32)(GFrame), 1280*720*4);
    
72.             if(mode_s <5 )        mode_s ++;
    
73.             else                         mode_s =0;
    
74.             sleep(1);
    
75.     }
    
76.     return XST_SUCCESS;
    
77. }

复制代码

这个程序中定义了1个图像缓冲区，缓存区的大小是1280*720*4,由于我们在VDMA IP中设置了1个缓存，所以这里我们可以把上面定义的1个缓存的地址赋值给ReadCfg.FrameStoreStartAddr参数:

ReadCfg.FrameStoreStartAddr[0] = (UINTPTR)GFrame;//获取缓存地址，这里只设置1帧缓存

以下我们重点看下vdma_pl.c程序。
6.2vdma_pl程序分析

这个程序中2个函数MM2S_ReadSetup和S2MM_WriteSetup分别代表了VDMA读操作配置和VDMA写操作配置，这两个程序配置过程一样，我们这里也只使用到MM2S_ReadSetup函数用于初始化VDMA的读通道。

1. int MM2S_ReadSetup(u16 DeviceID, XAxiVdma * InstancePtr , XAxiVdma_DmaSetup ReadCfg)
   
2. {
   
3.         int Status;
   
4.         XAxiVdma_Config *Config;
   
5.         ReadCfg.VertSizeInput = MM2S_V; /*设置视频图形的垂直像素大小*/
   
6.         ReadCfg.HoriSizeInput = MM2S_H*4; /*设置视频图形的水平像素大小*/
   
7.         ReadCfg.Stride = MM2S_H*4; /*设置视频图形的水平Stride大小*/
   
8.         ReadCfg.FrameDelay = 0;  /*设置帧延迟*/
   
9.         ReadCfg.EnableCircularBuf = 0; /* 是否使能circular 缓存模式 */
   
10.         ReadCfg.EnableSync = 1;  /* 使能Gen-Lock模式 */
    
11.         ReadCfg.PointNum = 1;    /* 与Master同步*/
    
12.         ReadCfg.EnableFrameCounter = 0; /* 帧计数器使能 */
    
13.         Config = XAxiVdma_LookupConfig(DeviceID);
    
14.         if (NULL == Config) {
    
15.                 xil_printf("XAxiVdma_LookupConfig failure\r\n");
    
16.                 return XST_FAILURE;
    
17.         }
    
18. /* 从SDK参数定义中获取配置参数 */
    
19.         Status = XAxiVdma_CfgInitialize(InstancePtr, Config, Config->BaseAddress);
    
20.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
21.                 xil_printf("XAxiVdma_CfgInitialize failure\r\n");
    
22.                 return XST_FAILURE;
    
23.         }
    
24. /*设置VDMA寄存器*/
    
25.         Status = XAxiVdma_DmaConfig(InstancePtr, XAXIVDMA_READ, &ReadCfg);
    
26.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
27.                 xil_printf("Read channel config failed %d\r\n", Status);
    
28.                 return XST_FAILURE;
    
29.         }
    
30.         /* Set the buffer addresses for transfer in the DMA engine
    
31.          * The buffer addresses are physical addresses
    
32.          */
    
33.         Status = XAxiVdma_DmaSetBufferAddr(InstancePtr, XAXIVDMA_READ,ReadCfg.FrameStoreStartAddr);
    
34.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
35.                 xil_printf("Read channel set buffer address failed %d\r\n", Status);
    
36.                 return XST_FAILURE;
    
37.         }
    
38.         //start vdma
    
39.         Status = XAxiVdma_DmaStart(InstancePtr, XAXIVDMA_READ);
    
40.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
41.                 xil_printf(
    
42.                     "Start read transfer failed %d\r\n", Status);
    
43.                 return XST_FAILURE;
    
44.         }
    
45.         return XST_SUCCESS;
    
46. }

复制代码

1:参数配置

除了main函数中对地址空间的参数做了配置，以下几个参数分别是行像素大小、垂直像素大小、Stride参数大小。以及用于MM2S VDMA 控制寄存器中相关参数的初始化，包括延迟中断使能设置为0、Circular_Park模式设置0代表VDMA的帧地址无法自动切换，这种设置可以在1个缓存或者使用parked模式下使用。GenlockEn设置为1，由于这里只有VDMA读通道实际这个也起不到作用。

由于这里只有读通道，也不涉及2个VDMA通道之间的同步，所以帧延迟设置为0

​
2:Config = XAxiVdma_LookupConfig(DeviceID)函数

这个函数通过VDMA IP中配置获取VDMA的配置参数。

​
​
3:XAxiVdma_CfgInitialize(InstancePtr, Config, Config->BaseAddress)函数

以用Config参数来配置XDMA的指针参数。别看这么一堆参数，实际上就是赋值参数到VDMA指针，后面主要用VDMA指针来管理这些参数信息。

​

​

​
4:XAxiVdma_DmaConfig(InstancePtr, XAXIVDMA_READ, &ReadCfg)函数

先追踪下这个函数，如下图：

​

Channel = XAxiVdma_GetChannel(InstancePtr, Direction)函数其实干上面事情，就是判断下之前的XDMA参数中是否有设置读通道,利用XILINX的库函数就是有这种显得非常累赘做法。低效代码非常多。真要吐槽下。

​

XAxiVdma_ChannelConfig(Channel, (XAxiVdma_ChannelSetup *)DmaConfigPtr)函数，这个函数中才有一些货真价实的东西。我们看下关键的三个寄存器，分别是MMS控制寄存器，MMS_Hsize寄存器，MMS_Stride寄存器

​
​
5:XAxiVdma_DmaSetBufferAddr(InstancePtr, XAXIVDMA_READ,ReadCfg.FrameStoreStartAddr)函数
​

XAxiVdma_ChannelSetBufferAddr(Channel, BufferAddrSet,Channel->NumFrames)函数中设置帧缓存地址，这里最大支持3帧，我们前面的main函数也定义三帧图像的起始地址。

​
6:XAxiVdma_DmaStart(InstancePtr, XAXIVDMA_READ)函数

这个函数启动VDMA传输，

​

XAxiVdma_ChannelStart(Channel)函数首选判断通道是否已经启动，通过写控制寄存器启动VDMA.

​

之后通过更新MMS_vsize寄存器，实现VDMA的MMS启动。这里注意MMS_vsize寄存器需要最后一个写。

​
7:XAxiVdma_StartParking(&VDMA, mode_s,XAXIVDMA_READ)函数

这个函数中通过PARK寄存器设置那一帧输出到MMS

​
7 HDMI方案演示

本实验需要用到 JTAG 下载器、USB 转串口外设，另外需要把核心板上的 2P 模式开关设置到 JTAG 模式，即 ON ON (注意新版本的 MLK-H3-CZ08-7100FC(米联客 7X 系列)，支持 JTAG 模式，对于老版本的核心板，JTAG 调试 的时候一定要拔掉 TF 卡，并且设置模式开关为 OFF OFF)

7.1硬件准备

本方案中，没有使用到 TF 卡

​
7.2实验结果
​
8液晶屏LVDS方案演示

MLK-H3-CZ08-7100FC 开发板默认 FEP 扩展接口使用 1.8V 接口，配 1.8V 的扩展模块。

8.1硬件准备
​

下图中，SD 卡不是必须的
​
8.2实验结果
​