zynq视频显示系统设计

1）性能指标

Ø  分辨率：支持1920x1080p 60HZ视频流格式，24位RGB色显示；

Ø  功能：支持至少3个缓存帧、支持水平垂直方向自动滚屏，支持VGA和HDMI；

Ø  接口：支持AXI HP接口DDR3访问、支持AXI Lite接口进行CPU配置。

Ø  资源：（LUT、slice）< 20% ，BlockRAM < 10% ,DSP < 5% ，clock resource < 50%

3.2处理流程与状态说明

图2 VGA视频显示系统结构图

       VGA视频显示系统主要包括始终管理单元MMCM、视频数据传输单元VDMA、视频数据缓存Axi-Stream Data FIFO、视频输出Video out以及视频时序产生单元Video timing generate，如图2所示，VDMA1、VDMA2主要用于图片存储格式转换，方便程序进行水平、垂直方向滚屏，VDMA3将DDR缓存中的帧数据搬运出来进行显示，Video timing generate用于生成相应的水平同步信号Hsync和垂直同步信号Vsync，MMCM产生系统数据处理的运行时钟148.5MHz，同时也是VGA视频输出的点时钟PixlClock。

       在静态显示模式下，VDMA3持续不断的从DDR3中读出帧数据，通过FIFO缓存，然后送到video out模块进行VGA输出；在水平或垂直滚屏模式下，需要对帧格式进行转换，水平存储格式如图3,4所示，两个虚拟帧缓存中存储P1和P2，VDMA1、VDMA2分别读出P1和P2，然后将P1、P2图象行交替存储在输出帧缓存中，由VDMA3读取并输出；垂直滚屏存储格式如图5,6所示，两个虚拟帧缓存中存储P1和P2，VDMA1、VDMA2分别读出P1和P2，然后将P1、P2图象行依次存储在输出帧缓存中，由VDMA3读取并输出。

图3 水平帧滚动示意图

 

图4 水平帧存储格式

 

图5 垂直滚动示意图

 

图6 垂直滚动帧存储格式

 

3.3主要接口时序

1)       VGA显示接口时序

图7 VGA显示接口时序

图8 VGA显示相关参数示意

 

       如图8所示，VGA显示控制主要是由Hsync和Vsync两个信号完成，主要参数有sync start、sync time、blank start、blank time等，这些相关参数都由VESA进行了标准化定义。如图9所示，1920x1080 @60Hz视频格式相关参数的标准化定义。

图9 1920x1080 @60Hz时序定义

 

 

 

 

2)       VDMA读取接口时序

图10 VDMA读取接口时序

VDMA配置：Vertical Size = 5 lines , Horizontal Size = 16bytes, and Stride = 32bytes.

3)       VDMA写入接口时序

图11 VDMA写入接口时序

VDMA配置：Vertical Size = 5 lines , Horizontal Size = 16bytes, and Stride = 32bytes.

 

4主要模块说明

4.1 VDMA数据传输模块

4.1.1功能介绍

Ø  支持axi-lite接口动态配置；

Ø  支持通用的数据传输位宽：32、64、128、256、512、1024数据位宽；

Ø  最大支持32个fream buffers；

Ø  支持帧同步操作;

Ø  支持PL中断；

4.1.2配置说明

1)       Basic Options

图12 VDMA基本配置

       FrameBuffers：配置缓存帧数量；

       LineBuffer Depth：一般配置为一行的像素点数即可；

       其他参数为Axi-Stream接口传输参数，可根据需求配置。

2)       Advanced Options

图13 VDMA高级配置

Fsync options：     S2mm_fsync——外部同步信号，在外部同步信号上升沿传输；

                            S2mm_tuser——在tuser上升沿开始一帧传输；

                            None——数据有效就开始传输；

Genlock Mode：    主要用于多视频系统同步，本文不涉及；写通道配置为master模式，读通道为slave模式，详见《pg020_axi_vdma.pdf》

 

4.2 Video Out视频输出模块

4.2.1功能介绍

Ø  视频时序输出，自动将AXI-stream数据转换成video数据流输出；

Ø  自动进行video时序同步；

Ø  可配置数据传输位宽及缓存；

Ø  支持主从两种工作模式；

4.2.2配置说明

图14 video out配置说明

关于video out的详细配置可以参考文档《pg044_v_axis_vid_out.pdf》

 

 

4.3 Video Timing Generate时序产生模块

4.3.1功能介绍

Ø  最大支持8192x8192分辨率；

Ø  自动进行video时序同步；

Ø  可配置输出video时序及极性；

Ø  可以配置16通道同步信号输出；

Ø  可配置中断信号；

4.3.2配置说明

图15 Video timing controller基本配置

图16 1920x1080 @60Hz时序配置

5 驱动编写及使用

5.1 代码规范与原则

1)       考虑到代码的通用性和健壮性，底层驱动采用面向对象的结构体编程方式，外设配置均采用结构体操作方式；

2)       充分使用宏定义、预编译指令，方便参数更改和程序调试；

3)       对全局参数使用了静态方式进行初始化定义；

4)       中断注册采用回调函数的方式，可灵活配置中断函数。

5.2 初始化配置

5.2.1 硬件初始化

硬件初始化包括VDMA配置、VDMA数据传输同步信号IO初始化、指示信号灯初始化。

VDMA初始化：

1.        定义相关结构体XAxiVdma_Config、XAxiVdma_FrameCounter、XAxiVdma_DmaSetup；

2.        依次调用结构体初始化相关函数：XAxiVdma_LookupConfig、XAxiVdma_CfgInitialize、XAxiVdma_Reset、XAxiVdma_SetFrmStore、SetupIntrSystem、EnableIntrSystem、ReadSetup；

3.        完成初始化；

IO初始化与VDMA初始化类似，详见具体程序《MyVdmaDrivers.c》

5.2.2 显存初始化

显存初始化主要是初始化显存地址、帧存储的开始位置以及帧大小，详见程序文件《ShowPicture.c》 。

5.2.3 画板初始化

画板初始化主要是设置画板地址，对画板内容进行清屏，详见程序文件《BaseDrawingTools.c》

5.3 图片显示与滚屏

所有图片显示与滚屏都在中断中完成，VDMA连续显示4帧产生一次中断，这时允许程序修改帧内容或者VDMA操作地址，VDMA必须重写Veritical Size寄存器，配置参数才会更新。

5.3.1 静态图片显示

完成硬件初始化，配置好VDMA3操作地址，静态图片显示不需要辅助VDMA（VDMA1、VDMA2），设置VDMA3 ：

VertSizeInput = SUBFRAME_VERTICAL_SIZE;

HoriSizeInput = SUBFRAME_HORIZONTAL_SIZE；

Stride = FRAME_STRIDE_SIZE;

配置好参数，即可开始静态图片显示。

5.3.2 水平滚屏

       配置辅助VDMA（VDMA1、VDMA2）：

VertSizeInput = SUBFRAME_VERTICAL_SIZE;

HoriSizeInput = SUBFRAME_HORIZONTAL_SIZE；

Stride = FRAME_STRIDE_SIZE * 2;

       VDMA1、VDMA2操作地址间隔一行像素，在目标地址中行交替存储。

       VDMA3输出VDMA配置：

VertSizeInput = SUBFRAME_VERTICAL_SIZE;

HoriSizeInput = SUBFRAME_HORIZONTAL_SIZE；

Stride = FRAME_STRIDE_SIZE * 2;

       在终端中依次修改VDMA操作地址即可实现水平滚动效果。

5.3.3 垂直滚屏

配置辅助VDMA（VDMA1、VDMA2）：

VertSizeInput = SUBFRAME_VERTICAL_SIZE;

HoriSizeInput = SUBFRAME_HORIZONTAL_SIZE；

Stride = FRAME_STRIDE_SIZE ;

       VDMA1、VDMA2操作地址间隔一帧像素。

       VDMA3输出VDMA配置：

VertSizeInput = SUBFRAME_VERTICAL_SIZE;

HoriSizeInput = SUBFRAME_HORIZONTAL_SIZE；

Stride = FRAME_STRIDE_SIZE ;

       在终端中依次修改VDMA操作地址即可实现垂直滚动效果。

 

5.4 高级画图函数

目前画图函数只提供清屏、画点、划线、矩形、圆等基本几何形状绘制。