ZYNQ HDMI输出实验——FPGA Vitis篇
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文章目录
- 1. 前言
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- 1.1 HDMI介绍
- 1.2 TMDS介绍
- 1.3 HDMI传输周期
- 2. Vivado工程的编写
- 3. Vitis工程的编写
- A. 工程源码下载
1. 前言
1.1 HDMI介绍
HDMI是（High Definition Multimedia Interface）的缩写，意思是高清晰度多媒体接口，是一种数字化视频/音频接口技术，适合影像传输的专用型数字化接口，可同时传送音频和影像信号，最高数据传输速度为48Gbps（2.1版）。
本实验使用FPGA通过HDMI接口输出彩条、色带、方块等图像。实验使用的硬件平台为ZedBoard，ZedBoard开发板使用了ADV7511 HDMI编码芯片，硬件框图如下。
1.2 TMDS介绍
HDMI采用和DVI相同的传输原理——TMDS（Transition Minimized Differential signal），最小化传输差分信号。
TMDS传输系统分为分为两个部分：发送端和接收端。 TMDS发送端收到HDMI 接口传来的表示RGB信号的24位并行数据（TMDS对每个像素的RGB三原色分别按8bit编码，即R信号有8位，G信号有8位，B信号有8位），然后对这些数据进行编码和并/串转换，再将表示3个RGB信号的数据分别分配到独立的传输通道发送出去。接收端接收来自发送端的串行信号，对其进行解码和串/并转换，然后发送到显示器的控制端。与此同时也接收时钟信号，以实现同步。
HDMI TMDS传输的数据类型有三种（加上Hsync与Vsync就算4种）：
(1) Preamble（控制信息），主要用于控制接下来传输的数据是Data Island或者Video Data
(2) Data Island（数据包），各种类型的包信息，包括音频数据包，图像信息包等
(3) Video Data （视频信息），视频像素数据，HDMI可以传输RGB与YUV两种格式的像素数据
(4) 还有Hsync与Vsync
如果是8bit的数据进入TMDS编码器，得到抗干扰性强的10bit TMDS信号，然后再进行串行化输出；在接收端收到串行的HDMI信号后，进行信号复原，得到10bit的TMDS信号，最后用TMDS解码器解码得到原来的8bit数据。
HDMI的数据传输有TMDS0，TMDS1，TMDS2三个通道，每个通道的传输流程都是一样的：
(1)如果传输的是Video Data，并且格式为RGB，那么会占用三个通道的所有24bit输入，Channel0[7:0]用于传输B，Channel1[7:0]用于传输G，Channel2[7:0]用于传输R。
(2)如果传输的是Data Island，则占用三个通道共10bit输入，Channel0[3:2]用于传输Data Island Header（包头），Channel1[0:3]与Channel2[0:3]用于传输Data Island Content（包内数据）。
(3)如果传输的是Preamble，则占用1，2两个通道共4bit输入，Channel1[1:0]与Channel2[1:0]分别为CTL0,CTL1,CTL2,CTL3，用于判断接下来输入的是Video Data或者Data Island。
1.3 HDMI传输周期
HDMI的TMDS数据传输可以分为三个传输周期：
(1) Control Period期间会传输Hsync，Vsync，并且在该时期的最后阶段会传输Preamble
(2) Data Island Period期间会传输Data Island（数据包），也会有Hsync与Vsync
(3) Video Data Period期间会传输Video Data（视频像素数据）
某帧的总体周期如下：
三个传输周期示意图如下：
(1) 左边是Control Period，传输有Hsync，Vsync与Preamble
(2) 中间是Data Island Period，传输有Hsync，Vsync，以及两个Packet Header与Packet（每32个clock 一个packet）；另外Data Island的两端会用Guard Band保护并隔开Data Island的数据，因为这个阶段传输的数据大多是非常重要的，比如其中就有图像分辨率，决定后面的Video Data数据的显示方式
(3) 右边是Video Data Island，传输视频像素数据，在该时期的开头也有Guard Band
2. Vivado工程的编写
（1）本实验使用的Vivado工程如下：
其中“design_1_wrapper.v”为顶层例化代码、“hdmi_data_gen.v”负责产生用于HDMI输出的图像（图像包括纯色块、渐变条、彩色带等）、“design_1.bd”模块为block design模块，负责将RGB信号转换为TMDS信号以及提供ADV7511 HDMI芯片的底层驱动。
（2）“design_1.bd”模块的设计如下：
“clk_wiz_0”为时钟产生模块，输出时钟给HDMI模块使用。
“hdmi_display_0”为RGB信号转换为TMDS信号模块，是一个自定义IP核。
“processing_system7_0”为ARM核。
（3）“hdmi_data_gen.v”文件中定义了1280*720P的视频时序参数，
（4）Vivado工程建立方式可以参考文章《ZYNQ 串口打印输出——FPGA Vitis篇》。
3. Vitis工程的编写
（1）点击 Vivado 菜单“Tools-> Launch Vitis IDE”，启动 Vitis。
（2）新建 Vitis平台工程。Vitis工程的建立可以参考以前的文章《ZYNQ串口打印输出——FPGA Vitis篇》。
（3）新建 Vitis应用工程。该工程主要用于通过I2C总线配置ADV7511寄存器来实现该HDMI芯片的驱动。
（4）配置ADV7511寄存器需要参考官方手册“ADV7511_Programming_Guide”。可以着重先看手册中“SECTION3 – QUICK START GUIDE”。根据该“快速开始”步骤来配置ADV7511的寄存器。
（5）最后建立的Vitis工程如下，“EMIO_init.x”为EMIO设备驱动、“I2C_ctrl.x”为I2C总线驱动、“helloworld.c”为“main”函数所在文件。
（6）Vitis工程的实现流程很简单，主要是初始化EMIO接口、通过I2C总线读取ADV7511芯片ID号、配置ADV7511的寄存器、程序结束。
（7）编译工程，将工程下载到硬件板卡上（编译和下载方式见《ZYNQ 串口打印输出——FPGA Vitis篇》）。
实验结果为：通过按图中的按钮，可以切换HDMI输出的图像。
以下为HDMI显示结果：
A. 工程源码下载
如果大家对我们的文章感兴趣，可以关注我们的微信公众号：“图灵研究院”：
该工程对应的 源码 以及 “ADV7511_Programming_Guide.pdf” 文档可以通过关注该微信公众号，在公众号输入 ZYNQ_HDMI 来获取工程的下载链接，工程采用的是Vivado2021.1版本。
参考文献：
[1] http://www.alinx.com.cn/.
[2]《 ZYNQ 串口打印输出——FPGA Vitis 篇》 . 图灵研究院
[3]《HDMI 介绍——ADV7511 设计》 . 打怪升级 ing. CSDN
[4]《ADV7511_Programming_Guide》 . ANALOG DEVICES