NIOS2随笔——BMP解码与VGA显示

1. 系统概述

本设计采用NIOS2 32位处理器，通过SPI接口将SD/TF卡中的BMP图片数据读取到内存中，SD/TF卡的文件系统为FAT32，NIOS2软件实现BMP解码后，启动framereader和Clocked Video Output模块，最终在VGA显示器上显示BMP图像，系统框图如下：

2. BMP格式

BMP(Bitmap)是Windows操作系统中的标准图像文件格式，采用位映射存储格式，没有采用任何压缩技术。图像深度可为1、4、8和24bit，图像的扫描方式是按照从左到右、从下到上的顺序。

BMP图像文件由四部分组成：

• 位图头文件数据结构

• 位图信息数据结构

• 调色板(可选)

• 位图数据

//位图文件头   
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER
{
    WORD bfType;     //位图文件的类型，必须为BM-0x424d(1-2字节）
    DWORD bfSize;    //位图文件的大小，以字节为单位（3-6字节，低位在前）
    WORD bfReserved1;//位图文件保留字，必须为0(7-8字节）
    WORD bfReserved2;//位图文件保留字，必须为0(9-10字节）
    DWORD bfOffBits; //位图数据的起始位置，以相对于位图（11-14字节，低位在前）
                     //文件头的偏移量表示，以字节为单位
}BITMAPFILEHEADER;
//位图信息头  
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
	DWORD biSize;//本结构所占用字节数（15-18字节）
	LONG biWidth;//位图的宽度，以像素为单位（19-22字节）
	LONG biHeight;//位图的高度，以像素为单位（23-26字节）
	WORD biPlanes;//目标设备的级别，必须为1(27-28字节）
	WORD biBitCount;//每个像素所需的位数，必须是1（双色），（29-30字节）
	//4(16色），8(256色）16(高彩色)或24（真彩色）之一
	DWORD biCompression;//位图压缩类型，必须是0（不压缩），（31-34字节）
	//1(BI_RLE8压缩类型）或2(BI_RLE4压缩类型）之一
	DWORD biSizeImage;//位图的大小(其中包含了为了补齐行数是4的倍数而添加的空字节)，以字节为单位（35-38字节）
	LONG biXPelsPerMeter;//位图水平分辨率，每米像素数（39-42字节）
	LONG biYPelsPerMeter;//位图垂直分辨率，每米像素数（43-46字节)
	DWORD biClrUsed;//位图实际使用的颜色表中的颜色数（47-50字节）
	DWORD biClrImportant;//位图显示过程中重要的颜色数（51-54字节）
}BITMAPINFOHEADER;

3. 搭建Qsys

在博文NIOS2随笔——FAT32文件系统的基础上，在Qsys平台上添加framereader和Clocked Video Output组件，设置分辨率为640*480，VGA相关内容可以参考博文FPGA设计——VGA (Altera)。

搭好的Qsys平台如下图：

4. NIOS2软件设计

往SD卡中保存一幅分辨率为640*480的24位BMP格式图片，图片名为：friend.bmp,电脑中打卡如下图：

在博文NIOS2随笔——FAT32文件系统的软件基础上，编写软件代码。

由于图像是24位图，没有调色板信息，所以软件只要按照BMP格式偏移54个字节后，读取的便是第一个图像字节数据。VGA显示部分，要对framereader组件初始化，然后存放在数组中的图像数据便会不停地被读取到Clocked Video Output模块，最后数据会被送到VGA编码芯片显示。软件代码设计如下：

//filename: main.c
//author:   shugen.yin
//date:     2016.12.29
//function: BMP decode and VGA show
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "unistd.h"
#include "sd_spi.h"
#include "ff.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"

#define FRAME_ADDR  (framebuf0 + 0x00000000)
#define FRAME_WIDTH 	640
#define FRAME_HEIGHT 	480
#define FRAME_SIZE  (FRAME_WIDTH*FRAME_HEIGHT)
unsigned int framebuf0[FRAME_SIZE];

void FrameRd_init(){
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 3, 0);             // Frame Select
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 4, framebuf0);     // Frame 0 Base Address
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 5, FRAME_SIZE/8);  // Frame 0 Words => 640*480
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 6, FRAME_SIZE);    // Frame 0 Single Cycle Color Patterns
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 7, 0);             // Frame 0 Reserved Bit
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 8, FRAME_WIDTH);   // Frame 0 Width
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 9, FRAME_HEIGHT);  // Frame 0 Height
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 10, 3);            // Frame 0 Interlaced => 3 = 0011 bedeutet progressive output
    IOWR(ALT_VIP_VFR_0_BASE, 0, 1);             // start Frame Reader

}

void frame_init(){
	BYTE pic_buf[FRAME_SIZE*3+54];
	UINT i;
	UINT j=0;

	f_mount(&fs,"",0);
	res=f_open(&fdst,"0:/friend.bmp", FA_READ);
    if(res==FR_OK)
    {
       res = f_read(&fdst,pic_buf,FRAME_SIZE*3+54,&br);
       f_close(&fdst);
    }

    printf("file read success!\n");

    for(i=54;i 
  

 
  
5. 编译运行
 
  
编译成功后，以Hardware方式运行，终端打印：file read success! p_w_picpath processed done!
 
  
 
  

 
  
6. 最终结果
 
  
图片正常显示，和电脑上打开的friend.bmp一致。