《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第二十五章
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第二十五章SD卡读BMP图片HDMI显示实验
我们在“SD卡读BMP图片LCD显示实验”中，成功地将SD卡中的BMP图片读出，并将其显示在了LCD屏上。本章我们将学习如何SD卡中的BMP图片显示在HDMI显示器上。
本章包括以下几个部分：
25.1简介
25.2实验任务
25.3硬件设计
25.4软件设计
25.5下载验证
25.1简介
在“SD卡读BMP图片LCD显示实验”的简介部分，我们详细介绍了BMP图片的数据格式；另外在《MPSOC FPGA开发指南》中的“HDMI彩条显示实验”一章，我们介绍了HDMI接口。如果大家对这两部分的内容不熟悉的话，可以参考相应的章节，此处就不再赘述了。
25.2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，分辨率为1920*1080，并将其显示在HDMI显示器上。
25.3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 25.3.1 系统框图
图 25.3.1与“SD卡读BMP图片LCD显示实验”中的系统框图基本相同，只是将驱动LCD显示的rgb2lcd模块替换成了本次实验中的DVI Transmitter，用于驱动HDMI接口；另外还删除了用于读取LCD ID信息的AXI GPIO模块。因此本次实验的硬件设计部分在“SD卡读BMP图片LCD显示实验”的基础上稍作修改即可。
首先要删除《SD卡读BMP图片LCD显示实验》工程中的rgb to lcd模块和AXI GPIO两个模块，以及LCD相关的接口。如图 25.3.2所示，我们要删除图中橙色高亮的两个模块和4个接口：
图 25.3.2 删除LCD相关模块
由于本次实验通过HDMI显示器显示图片，分辨率固定为1080P（1920*1080），因此时钟IP核可以固定输出三路时钟提供给DVI_Transmitter模块，且取消勾选动态重配置的功能，时钟IP核的配置修改如下图所示：
图 25.3.3 取消动态重配置选项
图 25.3.4 时钟输出界面
时钟IP核共输出三路时钟，频率分别为148.5Mhz、371.25Mhz和742.5Mhz，用于连接至DVI_Transmitter模块。需要注意的是，对于“4EV”器件来说，其速度等级为“-1”，时钟IP核能够输出的最大时钟频率为667Mhz。当配置的时钟高于此频率时，会有一个警告，提示时序可能不满足，不过适当超频通常不影响其功能，因此可直接忽略此警告。
接下来添加DVI Transmitter IP核。该IP核位于工程目录下的ip_repo文件夹中，名为“DVI_TX”。我们需要将其添加到工程的IP库中，添加IP核的方法请大家参考“自定义IP核-呼吸灯实验”。添加完成后，我们要在Block Design中连接DVI Transmitter模块的接口信号，并引出外部端口（只需要引出TMDS端口，而tmds_oen是预留的端口信号，浮空即可），具体的连接方式如图 25.3.5所示：
图 25.3.5 添加并连接DVI_Transmitter IP核
需要说明的是，本次实验的硬件框图是基于《SD卡读BMP图片LCD显示实验》搭建的，VDMA的AXI Stream格式数据流和Memory Map格式数据流的时钟频率设置的较低，为100Mhz，因此VDMA和DDR4的数据交互速率会受到限制，即支持的HDMI显示分辨率无法达到很高，实测最大能达到的分辨率为1280x800。
对于LCD屏的显示实验来说，达到1280x800的分辨率已经够用了，但是考虑到目前大多数的HDMI显示器支持1080P（1920x1080）的分辨率，我们需要对底层搭建的硬件环境做修改，才能支持1080P分辨率。考虑到本手册HDMI显示相关的例程不需要1080P分辨率，且大多数HDMI显示例程是基于LCD例程修改而来，如果每次都为了兼容1080P分辨率而修改底层硬件环境比较麻烦，因此本手册仅本章实验的底层硬件环境支持1080P分辨率，其它HDMI实验大家如果有1080P分辨率的显示需求，可以按照本章实验进行修改。
底层硬件修改的方法是将VDMA的AXI Stream格式数据流和Memory Map格式数据流的时钟频率改为150Mhz，而VDMA的配置端口不需要太高的频率，可以仍然保持100Mhz。
首先双击打开“Zynq UltraScale+ MPSOC”框图，点击“Clock Configuration”，在“PL Fabric Clocks”一栏下勾选PL1，时钟频率设置为150Mhz。设置完成后，点击“OK”按钮，如下图所示：
图 25.3.6 添加“PL1”时钟
修改完成后，可以发现“Zynq UltraScale+ MPSOC”框图多了一个pl_clk1端口。接下来删除pl_clk0连线，首先选中pl_clk0的连线使其高亮，然后按下键盘的“Delete”进行删除，如图 25.3.7和图 25.3.8所示：
图 25.3.7 选中pl_clk0连线
图 25.3.8 删除pl_clk0连线
然后删除框图中的AXI Interconnect IP核（ps8_0_axi_periph）、AXI SmartConnect IP核（axi_smc）和Processor System Reset IP核（rst_ps8_0_99M），框图删除后，如下图所示。
图 25.3.9 删除IP核
接下来连接pl_clk1的时钟，如下图所示。
图 25.3.10 连接pl_clk1时钟
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 和 AXI Smartconnect。AXI Interconnect（ps8_0_axi_periph）用于桥接MPSOC处理器M_AXI_HPM0_LPD接口和外部低速外设的AXI_LITE接口；AXI Smartconnect（axi_smc）用于连接MPSOC处理器的S_AXI_HP0_FPD接口和VDMA的M_AXI_MM2S总线。另外系统也自动生成了两个 reset模块（rst_ps8_0_99M和rst_ps8_0_149M），用于复位总线上的外设。
整体系统架构图如下：
图 25.3.11 整体系统架构连接图
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，为HDMI接口分配引脚。打开工程中名为“pin.xdc”的约束文件，并将原先LCD相关的约束语句删除，替换成以下内容：
set_property -dict {PACKAGE_PIN G3 IOSTANDARD LVDS} }]
set_property -dict {PACKAGE_PIN F2 IOSTANDARD LVDS} }]
set_property -dict {PACKAGE_PIN G1 IOSTANDARD LVDS} }]
set_property -dict {PACKAGE_PIN E1 IOSTANDARD LVDS}
保存约束文件，然后选择“Generate Bitstream”重新生成BIT文件。
25.4软件设计
本次实验的软件工程与“SD卡读BMP图片LCD显示实验”略有不同，如下图所示：
图 25.4.1 软件工程
图 25.4.1红色方框中的文件夹名为“display_ctrl_hdmi”，它在前面实验中“display_ctrl”的基础上删除了GPIO相关的函数及变量。在本次实验中删除了AXI GPIO模块，因此要删除这些函数和变量，否则会报错。
本次实验的代码如下所示：
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 "xaxivdma.h"
8#include "xaxivdma_i.h"
9#include "display_ctrl_hdmi/display_ctrl_hdmi.h"
10 #include "vdma_api/vdma_api.h"
11 #include "ff.h"
12
13 //宏定义
14 #define VDMA_ID XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID //VDMA器件ID
15 #define DISP_VTC_ID XPAR_VTC_0_DEVICE_ID //VTC器件ID
16
17 //函数声明
18 void load_sd_bmp(u8 *frame);
19
20 //全局变量
21 XAxiVdma vdma;
22 DisplayCtrldispCtrl;
23 VideoMode vd_mode;
24 //frame buffer的起始地址
25 unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PSU_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);
26
27 int main(void)
28 {
29xil_printf("HDMI Display 1920*1080 \r\n");
30
31//设置 video 参数，分辨率： 1920*1080
32vd_mode = VMODE_1920x1080;
33
34//配置VDMA
35run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,
36 frame_buffer_addr,0, 0,ONLY_READ);
37
38 //初始化Display controller
39DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID);
40 //设置VideoMode
41DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);
42DisplayStart(&dispCtrl);
43
44//读取SD卡图片并显示
45load_sd_bmp((u8*)frame_buffer_addr);
46 return 0;
47 }
48
49 //从SD卡中读取BMP图片
50 void load_sd_bmp(u8 *frame)
51 {
52staticFATFS fatfs;
53FIL fil;
54u8 bmp_head;
55UINT *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size;
56UINT br;
57int i;
58
59//挂载文件系统
60f_mount(&fatfs,"",1);
61
62//打开文件
63f_open(&fil,"fengjing.bmp",FA_READ);
64
65//移动文件读写指针到文件开头
66f_lseek(&fil,0);
67
68//读取BMP文件头
69f_read(&fil,bmp_head,54,&br);
70xil_printf("fengjing.bmp head: \n\r");
71for(i=0;i<54;i++)
72 xil_printf(" %x",bmp_head);
73
74//打印BMP图片分辨率和大小
75bmp_width= (UINT *)(bmp_head + 0x12);
76bmp_height = (UINT *)(bmp_head + 0x16);
77bmp_size = (UINT *)(bmp_head + 0x22);
78xil_printf("\n width = %d, height = %d, size = %d bytes \n\r",
79 *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size);
80
81//读出图片，写入DDR
82for(i=*bmp_height-1;i>=0;i--){
83 f_read(&fil,frame+i*(*bmp_width)*3,(*bmp_width)*3,&br);
84}
85
86//关闭文件
87f_close(&fil);
88
89Xil_DCacheFlush(); //刷新Cache，数据更新至DDR中
90xil_printf("show bmp\n\r");
91 }
可以看出，本次实验的程序与“SD卡读BMP图片LCD显示实验”非常相似，只是删除了读取LCD ID相关的内容。有关这部分代码的详细介绍请大家参考“SD卡读BMP图片LCD显示实验”，此处不再赘述。需要注意的是，本次实验在SD卡中放置的图片分辨率为1920*1080，因此在程序的第32行，视频参数设置成VMODE_1920x1080。
25.5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。
我们在工程目录下新建了一个名为“风景图片”的文件夹，把其中名为“fengjing.bmp”的图片拷贝到SD卡的根目录下，然后将SD卡插入开发板背面的卡槽中。另外还需要使用HDMI连接线将HDMI显示器连接到开发板上的HDMI接口，最后连接开发板的电源。
在Vitis软件下方的Vitis Terminal窗口中点击右上角的加号来设置并连接串口。然后下载本次实验硬件设计过程中所生成的BIT文件，来对PL进行配置。最后下载软件程序，下载完成后，在下方的Vitis Terminal中可以看到应用程序打印的信息，如下图所示：
图 25.5.1 串口打印信息
图 25.5.1中打印出了BMP文件的文件头和信息头等信息，同时从数据中计算出BMP图片的宽度为1920，高度为1080，与我们存入SD卡中的BMP图片一致。
同时HDMI显示器上显示存入SD卡中的示例图片，如图 25.5.2所示，说明本次实验在MPSOC开发板上面下载验证成功。
图 25.5.2 下载验证
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