《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第二十四章
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第二十四章SD卡读BMP图片LCD显示实验
在“SD卡读写TXT文本实验”中，我们利用FATFS在SD卡中实现了TXT文本的创建、写入与读取。在本次实验中，我们将学习如何从SD卡中读取BMP图片，并将其显示在LCD上。
本章包括以下几个部分：
24.1简介
24.2实验任务
24.3硬件设计
24.4软件设计
24.5下载验证
24.1简介
我们常用的图片格式有很多，一般最常用的有四种：JPEG（或JPG）、BMP、PNG和GIF。其中JPEG（或JPG）、BMP和PNG是静态图片，而GIF则是动态图片。BMP全称是Bitmap（位图）的缩写，其特点是几乎不进行压缩，由此导致了它与生俱来的缺点，即占用磁盘空间较大；而其它三种图片格式均进行了不同程度的压缩，以节省磁盘空间。在本次实验中，我们选择使用不压缩的BMP图片格式，解析该格式的图片最为简单。
BMP（全称Bitmap）是Window操作系统中的标准图像文件格式，文件后缀名为“.bmp”，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大，但是没有失真。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit、16bit、24bit及32bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。
典型的BMP图像文件由四部分组成：
1、BMP文件头，它包含BMP图像文件的类型、大小等信息；
2、BMP信息头，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；
3、调色板，这个部分是可选的，如果使用索引来表示图像，调色板就是索引与其对应颜色的映射表；
4、位图数据，即图像数据，在位深度为24位时直接使用RGB格式，而小于24位时使用调色板中颜色的索引值。
各个部分的大小如下图所示：
图 24.1.1 BMP文件各部分及其大小
我们一般见到的图像以24位图像为主，即R、G、B三种颜色各用8个bit来表示，这样的图像我们称之为真彩色。在这种情况下是不需要调色板的，位图信息头后面紧跟的就是位图数据了。也就是说，位图文件从文件头开始偏移54个字节就是图像数据了。在这里我们就以一幅24位BMP图片为例，如图 24.1.2所示，详细介绍其文件结构。
图 24.1.2 示例图片：24位BMP图片
首先我们来看一下该图片在Window中的属性信息，如下图所示：
图 24.1.3 示例图片属性
图 24.1.3中包括BMP图片的文件属性以及其图像属性，文件大小为1.09MB，图像分辨率为800*480，每个像素点的颜色使用24位表示。
接下来，我们使用Notepad++以十六进制格式打开该BMP文件，如下图所示：
图 24.1.4 示例图片16进制数据
图 24.1.4中红色矩形区域为BMP文件头，共14字节；蓝色区域为BMP信息头，共40字节；剩余部分为图像数据。左下角红色椭圆区域表明整个BMP文件共1152054个字节，除去文件头和信息头所占的54个字节，图像数据为1152000字节。由于示例图片每个像素点使用3个字节表示颜色，因此我们可以计算出图像数据的大小为800*480*3 = 1152000字节，与Notepad++中计算得到的结果一致。
首先来了解一下BMP文件头的数据结构，如下表所示：
表 24.1.1 BMP文件头数据结构
我们将表 24.1.1中橙色区域与下图矩形区域中的数据一一对应：
图 24.1.5 BMP文件头
对比后可得到如下结果：
1、bf_Size：位图文件的大小为0x119436，即1152054字节（1.09MB），与示例图片属性一致。需要注意的是，在BMP文件中，如果一个数据需要用几个字节来表示的话，那么该数据的低字节存放在低地址，高字节存放在高地址；
2、bfOffBits：文件头到图像数据之间的偏移量为0x36，即54字节。这个偏移量非常有用，我们可以利用它快速定位BMP文件中的图像数据的位置。
接下来是BMP信息头的数据结构，如下表所示：
表 24.1.2 BMP信息头数据结构
同样，将表中橙色区域与下图矩形区域中的数据一一对应：
图 24.1.6 BMP信息头
对比后可得到如下结果：
1、biWidth：图像的宽度为0x320，即800像素；
2、biHeight：图像的高度为0x1e0，即480像素；
3、biBitCount：像素的位深度为0x18，等于24位，即RGB888数据格式；
4、biSizeImage：图像的大小为0x119400，即1152000字节。
BMP信息头之后，如果没有调色板，紧跟着就是BMP的位图数据了，位图数据存储了BMP有效的图像数据，其数据个数由图片的分辨率和颜色深度决定。需要说明的，BMP图像数据格式是BGR，以BMP 24位真彩色为例，颜色分量“B”位于低地址位，颜色分量“G”位于中间地址位，颜色分量“R”位于高地址位。
24.2实验任务
本章的实验任务是使用MPSOC开发板读取SD卡中存放的BMP格式图片，并将其显示在LCD上。
24.3硬件设计
根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：
图 24.3.1 系统框图
图 24.3.1与“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”中的系统框图基本相同，其中各个模块的功能介绍请大家参考相应的章节。唯一不同的地方是，在“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”中我们显示在LCD上的是CPU在DDR4内存中绘制的彩条图案。而在本次实验中，我们需要从SD卡中读取BMP图片，并将其写到DDR4相应的内存空间，用于LCD显示。
本次实验的硬件环境可以在“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”的基础上搭建。由于需要读SD卡的功能，因此在配置Zynq UltraScale+ MPSOC模块时，需要使能SD卡控制器外设，具体方法请参考“SD卡读写TXT文本实验”中的硬件设计部分。
24.4软件设计
为了能够在软件中读取SD卡中的文件，我们需要设置BSP工程，添加并设置FATFS库。具体的方法请参考“SD卡读写TXT文本实验”软件设计部分。
接下来修改main.c文件中的代码，修改完成后代码的主体部分如下所示：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include "xil_types.h"
5 #include "xil_cache.h"
6 #include "xparameters.h"
7 #include "xgpio.h"
8 #include "xaxivdma.h"
9 #include "xaxivdma_i.h"
10#include "display_ctrl/display_ctrl.h"
11#include "vdma_api/vdma_api.h"
12#include "clk_wiz/clk_wiz.h"
13#include "ff.h"
14
15//宏定义
16#define CLK_WIZ_ID XPAR_CLK_WIZ_0_DEVICE_ID //时钟IP核器件ID
17#define VDMA_ID XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID //VDMA器件ID
18#define DISP_VTC_ID XPAR_VTC_0_DEVICE_ID //VTC器件ID
19#define AXI_GPIO_0_ID XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID//PL端AXI GPIO 0(lcd_id)器件ID
20#define AXI_GPIO_0_CHANEL1 //使用AXI GPIO(lcd_id)通道1
21
22//函数声明
23void load_sd_bmp(u8 *frame);
24
25//全局变量
26XAxiVdma vdma;
27DisplayCtrldispCtrl;
28XGpio axi_gpio_inst; //PL端 AXI GPIO 驱动实例
29VideoMode vd_mode;
30//frame buffer的起始地址
31unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PSU_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);
32unsigned int lcd_id=0; //LCD ID
33
34int main(void)
35{
36 XGpio_Initialize(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_ID); //GPIO初始化
37 XGpio_SetDataDirection(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_CHANEL,0x07); //设置AXI GPIO为输入
38 lcd_id = LTDC_PanelID_Read(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_CHANEL);//获取LCD的ID
39 XGpio_SetDataDirection(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_CHANEL,0x00); //设置AXI GPIO为输出
40 xil_printf("LCD ID: %x\r\n",lcd_id);
41
42 //根据获取的LCD的ID号来进行video参数的选择
43 switch(lcd_id){
44 case 0x4342 : vd_mode = VMODE_480x272; break;//4.3寸屏,480*272分辨率
45 case 0x4384 : vd_mode = VMODE_800x480; break;//4.3寸屏,800*480分辨率
46 case 0x7084 : vd_mode = VMODE_800x480; break;//7寸屏,800*480分辨率
47 case 0x7016 : vd_mode = VMODE_1024x600; break; //7寸屏,1024*600分辨率
48 case 0x1018 : vd_mode = VMODE_1280x800; break; //10.1寸屏,1280*800分辨率
49 default : vd_mode = VMODE_800x480; break;
50 }
51
52 //配置VDMA
53 run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,
54 frame_buffer_addr,0, 0,ONLY_READ);
55
56 //设置时钟IP核输出的时钟频率
57 clk_wiz_cfg(CLK_WIZ_ID,vd_mode.freq);
58 //初始化Display controller
59 DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID);
60 //设置VideoMode
61 DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);
62 DisplayStart(&dispCtrl);
63
64 //读取SD卡图片并显示
65 load_sd_bmp((u8*)frame_buffer_addr);
66
67 return 0;
68}
69
70//从SD卡中读取BMP图片
71void load_sd_bmp(u8 *frame)
72{
73 staticFATFS fatfs;
74 FIL fil;
75 u8 bmp_head;
76 UINT *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size;
77 UINT br;
78 int i;
79
80 //挂载文件系统
81 f_mount(&fatfs,"",1);
82
83 //打开文件
84 f_open(&fil,"fengjing.bmp",FA_READ);
85
86 //移动文件读写指针到文件开头
87 f_lseek(&fil,0);
88
89 //读取BMP文件头
90 f_read(&fil,bmp_head,54,&br);
91 xil_printf("fengjing.bmp head: \n\r");
92 for(i=0;i<54;i++)
93 xil_printf(" %x",bmp_head);
94
95 //打印BMP图片分辨率和大小
96 bmp_width= (UINT *)(bmp_head + 0x12);
97 bmp_height = (UINT *)(bmp_head + 0x16);
98 bmp_size = (UINT *)(bmp_head + 0x22);
99 xil_printf("\n width = %d, height = %d, size = %d bytes \n\r",
100 *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size);
101
102 //读出图片，写入DDR
103 for(i=*bmp_height-1;i>=0;i--){
104 f_read(&fil,frame+i*(*bmp_width)*3,(*bmp_width)*3,&br);
105 }
106
107 //关闭文件
108 f_close(&fil);
109
110 Xil_DCacheFlush(); //刷新Cache，数据更新至DDR4中
111 xil_printf("show bmp\n\r");
112 }
在上面的程序中，主要是通过调用FATFS库函数来读取SD卡中的BMP图片文件。本章的简介部分详细介绍了BMP图片的数据格式，我们首先要读取BMP文件前面54个字节的数据，如程序第90行所示，其中包含了BMP图片的分辨率等信息。然后在程序的95至100行，我们根据BMP信息头中各数据的偏移地址，找到并打印出图像的分辨率和大小等信息。
在读取BMP文件之前，我们先通过调用f_lseek(&fil,0)函数将文件的读写指针移动到文件开头。然后在读取54个字节的数据之后，读写指针便移动到了BMP文件中图像数据的起始位置。接下来就可以通过f_read()函数继续读取下面的图像数据。
我们需要注意的是程序的第102至105行。由于BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序，因此如果我们直接将一整幅图片存入DDR显存，那么最终显示出来的将是一个上下颠倒的图片。在这里我们通过一个for循环来读取一整幅BMP图片，从上到下每次读取一行，然后把先读出来的数据放到了图片显存后面的位置。也就是说，读出来的第一行数据实际上是BMP图片的最后一行图像，因此要把它放在显存的最后一行。通过这个for循环，我们就可以将上下颠倒的图像给反过来。
最后通过调用Xil_DCacheFlush()函数将缓存在DataCache中的数据刷新到DDR4中，供PL中的模块读取并在LCD上显示。
到这里本次实验的软件设计就介绍完了，如果大家对FATFS库函数的使用方法不熟悉的话，请参考“SD卡读写TXT文本实验”中的软件设计部分。
24.5下载验证
首先我们将下载器与开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用USB连接线将USB UART接口（PS_PORT）与电脑连接，用于串口通信。接下来使用FPC排线一端与RGB LCD液晶屏上的接口连接，另一端连接开发板上的RGB LCD接口。
然后把本章简介部分所给出的示例图片重命名为“fengjing.bmp”，并拷贝到SD卡的根目录下。最后将Micro SD卡插入开发板背面的卡槽中。
需要注意的是，拷贝到Micro SD卡中的BMP图片分辨率应与开发板所连接的LCD屏幕分辨率保持一致。我们在工程目录下新建了一个名为“风景图片”的文件夹，里面有四种不同分辨率的图片，如下图所示：
图 24.5.1 不同分辨率的BMP图片
比如本次实验使用的LCD屏幕分辨率为800*480，那么就将上图中名为“fengjing_800x480.bmp”的图片拷贝到Micro SD卡根目录下。在拷贝完成后，千万不要忘记将Micro SD中图片的名称修改为“fengjing.bmp”。
另外本次实验要求使用的Micro SD卡为FAT32格式，如果不是，那么在使用前需要将其格式化为FAT32格式。
准备工作完成之后，接下来连接开发板的电源。打开Vitis Terminal终端，设置并连接串口。然后下载本次实验的程序，下载完成后，在下方的Terminal中可以看到应用程序打印的信息，如下图所示：
图 24.5.2 串口打印信息
图 24.5.2中打印出了BMP图片的文件头和信息头等信息，与图 24.1.4中的数据保持一致。同时从数据中计算出BMP图片的宽度为800，高度为480。另外根据读出的LCD屏幕ID看出，所使用的LCD屏幕分辨率为800*480，与Micro SD卡中的BMP图片分辨率一致。如果不一致，那么屏幕上就无法正常显示图片。
LCD屏幕上显示的图片如下图所示，说明本次实验在MPSOC开发板上面下载验证成功。
图 24.5.3 下载验证
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