【正点原子FPGA连载】第二十章SD卡读BMP图片HDMI显示实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之嵌入式开发指南

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第二十章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：
2020.1简介
20.2实验任务
20.3硬件设计
20.4软件设计
20.5下载验证


20.1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《领航者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。
20.2实验任务
本章的实验任务是使用领航者ZYNQ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。
20.3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 20.3.1 系统框图

图 5.3.1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和AXI GPIO两个模块，以及LCD相关的接口。如图 20.3.2所示，我们要删除图中橙色高亮的两个模块和3个接口：

图 20.3.2 删除LCD相关模块

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，具体的连接方式如图 20.3.3所示：

图 20.3.3 添加并连接DVI_Transmitter IP核

至此本次实验的硬件框图已经搭建好了。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DDR3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“ZYNQ7 Processing System”框图，点击“Clock Configuration”，在“PL Fabric Clocks”一栏下勾选FCLK_CLK1，时钟频率设置为150Mhz。设置完成后，点击“OK”按钮，如下图所示：

图 20.3.4 添加“FCLK_CLK1”时钟

修改完成后，可以发现“ZYNQ7 Processing System”框图多了一个FCLK_CLK1端口。接下来删除FCLK_CLK0连线，首先选中FCLK_CLK0的连线使其高亮，然后按下键盘的“Delete”进行删除，如图 20.3.5和图 20.3.6所示：

图 20.3.5 选中FCLK_CLK0连线

图 20.3.6 删除FCLK_CLK0连线

然后删除框图中的AXI Interconnect IP核（ps7_0_axi_periph）、AXI SmartConnect IP核（axi_smc）和Processor System Reset IP核（rst_ps7_0_100M），框图删除后，如下图所示。

图 20.3.7 删除IP核

接下来连接FCLK_CLK1的时钟，如下图所示。

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（ps7_0_axi_periph）用于桥接ZYNQ处理器M_AXI_GP0总线和外部低速外设的AXI_LITE总线；AXI Smartconnect（axi_smc）用于连接ZYNQ处理器的HP0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_ps7_0_100M和rst_ps7_0_150M），用于复位总线上的外设。
整体系统架构图如下：

图 20.3.8 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“system_wrapper.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 G17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports tmds_oen_0]
set_property PACKAGE_PIN L16 [get_ports {TMDS_0_tmds_data_p[2]}]
set_property PACKAGE_PIN M14 [get_ports {TMDS_0_tmds_data_p[1]}]
set_property PACKAGE_PIN K19 [get_ports {TMDS_0_tmds_data_p[0]}]
set_property PACKAGE_PIN L14 [get_ports TMDS_0_tmds_clk_p]
保存约束文件，然后选择“Generate Bitstream”重新生成BIT文件。
20.4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 20.4.1 软件工程

图 20.4.1左侧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. 1  #include <stdio.h>
   
2. 2  #include <stdlib.h>
   
3. 3  #include <string.h>
   
4. 4  #include "xil_types.h"
   
5. 5  #include "xil_cache.h"
   
6. 6  #include "xparameters.h"
   
7. 7  #include "xaxivdma.h"
   
8. 8  #include "xaxivdma_i.h"
   
9. 9  #include "display_ctrl_hdmi/display_ctrl.h"
   
10. 10 #include "vdma_api/vdma_api.h"
    
11. 11 #include "ff.h"
    
12. 12
    
13. 13 //宏定义
    
14. 14 #define BYTES_PIXEL        3                          //像素字节数，RGB888占3个字节
    
15. 15 #define DYNCLK_BASEADDR    XPAR_AXI_DYNCLK_0_BASEADDR //动态时钟基地址
    
16. 16 #define VDMA_ID            XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID   //VDMA器件ID
    
17. 17 #define DISP_VTC_ID        XPAR_VTC_0_DEVICE_ID       //VTC器件ID
    
18. 18
    
19. 19 //函数声明
    
20. 20 void load_sd_bmp(u8 *frame);
    
21. 21
    
22. 22 //全局变量
    
23. 23 XAxiVdma     vdma;
    
24. 24 DisplayCtrl  dispCtrl;
    
25. 25 VideoMode    vd_mode;
    
26. 26 //frame buffer的起始地址
    
27. 27 unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);
    
28. 28 unsigned int lcd_id=0;        //LCD ID
    
29. 29
    
30. 30 int main(void)
    
31. 31 {
    
32. 32  xil_printf("HDMI Display 1920*1080 \r\n");
    
33. 33
    
34. 34  //设置video参数，分辨率：1920*1080
    
35. 35  vd_mode = VMODE_1920x1080;
    
36. 36
    
37. 37  //配置VDMA
    
38. 38  run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,
    
39. 39                          frame_buffer_addr,0, 0,ONLY_READ);
    
40. 40
    
41. 41  //初始化Display controller
    
42. 42  DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID, DYNCLK_BASEADDR);
    
43. 43  //设置VideoMode
    
44. 44  DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);
    
45. 45  DisplayStart(&dispCtrl);
    
46. 46
    
47. 47  //读取SD卡图片并显示
    
48. 48  load_sd_bmp((u8*)frame_buffer_addr);
    
49. 49
    
50. 50  return 0;
    
51. 51 }
    
52. 52
    
53. 53 //从SD卡中读取BMP图片
    
54. 54 void load_sd_bmp(u8 *frame)
    
55. 55 {
    
56. 56  static  FATFS fatfs;
    
57. 57  FIL     fil;
    
58. 58  u8      bmp_head[54];
    
59. 59  UINT    *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size;
    
60. 60  UINT    br;
    
61. 61  int     i;
    
62. 62
    
63. 63  //挂载文件系统
    
64. 64  f_mount(&fatfs,"",1);
    
65. 65
    
66. 66  //打开文件
    
67. 67  f_open(&fil,"fengjing.bmp",FA_READ);
    
68. 68
    
69. 69  //移动文件读写指针到文件开头
    
70. 70  f_lseek(&fil,0);
    
71. 71
    
72. 72  //读取BMP文件头
    
73. 73  f_read(&fil,bmp_head,54,&br);
    
74. 74  xil_printf("fengjing.bmp head: \n\r");
    
75. 75  for(i=0;i<54;i++)
    
76. 76      xil_printf(" %x",bmp_head);
    
77. 77
    
78. 78  //打印BMP图片分辨率和大小
    
79. 79  bmp_width  = (UINT *)(bmp_head + 0x12);
    
80. 80  bmp_height = (UINT *)(bmp_head + 0x16);
    
81. 81  bmp_size   = (UINT *)(bmp_head + 0x22);
    
82. 82  xil_printf("\n width = %d, height = %d, size = %d bytes \n\r",
    
83. 83          *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size);
    
84. 84
    
85. 85  //读出图片，写入DDR
    
86. 86  for(i=*bmp_height-1;i>=0;i--){
    
87. 87      f_read(&fil,frame+i*(*bmp_width)*3,(*bmp_width)*3,&br);
    
88. 88  }
    
89. 89
    
90. 90  //关闭文件
    
91. 91  f_close(&fil);
    
92. 92
    
93. 93  Xil_DCacheFlush();     //刷新Cache，数据更新至DDR3中
    
94. 94  xil_printf("show bmp\n\r");
    
95. 95 }

复制代码

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35行，视频参数设置成VMODE_1920x1080。
20.5下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，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卡插入领航者底板背面的卡槽中。另外还需要使用HDMI连接线将HDMI显示器连接到领航者底板上的HDMI接口。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。
在SDK软件下方的SDK 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SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息，如下图所示：

图 20.5.1 串口打印信息

图 20.5.1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 20.5.2所示，说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。

图 20.5.2 下载验证