基于FPGA的串口传图SRAM缓存VGA显示
简介
在DE2开发板上使用串口接收PC发送的640*480分辨率灰度图，存入SRAM，通过VGA进行显示。
开发板：DE2
型号：EP2C35F672C6
开发工具：Quartus II 13.0 + Modelsim 10.5 SE
全局时钟: 50M
VGA时钟：25M
SRAM大小：256k*16bit，总共512kb
目前还不会用SDRAM，先从简单的SRAM入手。
由于640*480分辨率的24位彩色图片需要900kb，SRAM装不下，所以使用8位灰度图(300kb)。
该SRAM为256k*16bit，为了存下300kb的灰度图，我将其包装为512k*8bit
RTL视图
一共五个模块：PLL、串口接收、写入地址计数、SRAM驱动、VGA驱动
PLL模块为VGA驱动模块提供25M时钟。
串口接收模块接收来自PC发送的图片数据。
写入地址计数模块根据接收到的数据，产生写入地址，并在接收完整张图片后，输出receive_done信号，允许VGA从SRAM读取数据。
SRAM驱动模块对SRAM芯片进行读写。
VGA驱动模块产生VGA时序显示图片。
串口接收模块
波特率：115200
数据位：8
校验：无
停止位：1
module uart_rx(
// clk, rst_n
input clk,
input rst_n,
// uart rx
input rx,
// valid data output
output reg valid,
output reg [7:0] data
);
parameter CLK_FRE = 50_000_000;
parameter BAUD_RATE = 115200; // 默认115200波特率
parameter cnt_baud_max = CLK_FRE / BAUD_RATE - 1; // 115200波特率下是434时钟周期一波特
// 打两拍防止亚稳态，rx_3用于检测rx下降沿
reg rx_1;
reg rx_2;
reg rx_3;
// 工作使能
reg work_ena;
// 波特计数器 比特计数器
reg [8:0] cnt_baud;
reg [4:0] cnt_bit;
// 计数器使能、清零
wire cnt_baud_ena;
wire cnt_baud_end;
wire cnt_bit_ena;
wire cnt_bit_end;
// data移位寄存器
reg [7:0] data_shift;
// valid打一拍再输出，和data同步输出
reg valid_reg;
// 打两拍防止亚稳态
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
rx_1 <= 0;
rx_2 <= 0;
rx_3 <= 0;
end else begin
rx_1 <= rx;
rx_2 <= rx_1;
rx_3 <= rx_2;
end
end
// rx下降沿检测，出现下降沿开始工作，接收完数据结束工作
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
work_ena <= 0;
end else begin
if(~rx_2 & rx_3)
work_ena <= 1;
else if(cnt_bit_ena && cnt_bit_end)
work_ena <= 0;
end
end
// 波特计数器
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cnt_baud <= 0;
else if(cnt_baud_ena) begin
if(cnt_baud_end)
cnt_baud <= 0;
else
cnt_baud <= cnt_baud + 1;
end else
cnt_baud <= 0;
end
assign cnt_baud_ena = work_ena;
assign cnt_baud_end = (cnt_baud == cnt_baud_max);
// 比特计数器
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cnt_bit <= 0;
else if(cnt_bit_ena) begin
if(cnt_bit_end)
cnt_bit <= 0;
else
cnt_bit <= cnt_bit + 1;
end
end
assign cnt_bit_ena = (cnt_baud == cnt_baud_max / 2);
assign cnt_bit_end = (cnt_bit == 8);
// data移位寄存器
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
data_shift <= 0;
else if(cnt_bit_ena)
data_shift <= {rx_2, data_shift[7:1]};
end
// 内部valid_reg有效信号
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
valid_reg <= 0;
end
else if(cnt_bit_ena && cnt_bit_end)
valid_reg <= 1;
else
valid_reg <= 0;
end
// valid_reg 打一拍再输出，和data同步
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
valid <= 0;
else
valid <= valid_reg;
end
// 输出data
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
data <= 0;
else if(valid_reg)
data <= data_shift;
end
endmodule
写入地址计数模块
根据串口接收模块接收到的数据，输出该数据需要写入SRAM的地址，接收完整张图片后，拉高receive_done信号，允许VGA模块读取SRAM中的数据。
module uart_rx_addr(
input clk,
input rst_n,
// uart_rx side
input valid,
// sram_ctrl side
output reg receive_done,
output reg [18:0] addr
);
wire cnt_end = (addr == 640 * 480);
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
addr <= 0;
else if(valid) begin
if(cnt_end)
addr <= 0;
else
addr <= addr + 1;
end
end
// 串口传完整张图后，拉高receive_done，允许vga从sram中读取数据
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
receive_done <= 0;
else if(cnt_end)
receive_done <= 1;
end
endmodule
SRAM驱动模块
该SRAM为256k*16bit，为了存下300kb的灰度图，我将其包装为512k*8bit，写优先。
包装方法：地址低于256k的数据写入SRAM的数据位低8位，地址高于高256kb数据写入SRAM的数据位高8位
module sram_ctrl(
input clk,
input rst_n,
// wr
input wr_req,
input [18:0] wr_addr,
input [7:0] wr_data,
// rd
input rd_req,
input [18:0] rd_addr,
output reg [7:0] rd_data,
// sram side
output [17:0] SRAM_ADDR,
inout [15:0] SRAM_DQ,
output SRAM_WE_N,
output SRAM_OE_N,
output SRAM_UB_N,
output SRAM_LB_N,
output SRAM_CE_N
);
assign SRAM_CE_N = 0;
assign SRAM_OE_N = 0;
assign SRAM_DQ = wr_req ? (SRAM_LB_N ? {wr_data, 8'hzz} : {8'hzz, wr_data}) : 16'hzzzz;
assign SRAM_WE_N = ~wr_req;
assign SRAM_ADDR = wr_req ? wr_addr[17:0] : rd_addr[17:0];
// 将地址最高位作为256k分界线
// 地址低于256k的数据写入SRAM的低8位，地址高于高256kb数据写入SRAM的高8位
assign SRAM_LB_N = wr_req ? wr_addr[18] : rd_addr[18];
assign SRAM_UB_N = ~SRAM_LB_N;
// rd_data
always @(posedge clk, negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
rd_data <= 0;
else if(rd_req) begin
if(SRAM_LB_N)
rd_data <= SRAM_DQ[15:8];
else
rd_data <= SRAM_DQ[7:0];
end
end
endmodule
VGA驱动模块
使用友晶官方的VGA驱动模块，稍作修改，将输入输出的RGB信号从10位宽改为8位宽。
module VGA_Ctrl ( // Host Side
iRed,
iGreen,
iBlue,
oCurrent_X,
oCurrent_Y,
oAddress,
oRequest,
// VGA Side
oVGA_R,
oVGA_G,
oVGA_B,
oVGA_HS,
oVGA_VS,
oVGA_SYNC,
oVGA_BLANK,
oVGA_CLOCK,
// Control Signal
iCLK,
iRST_N );
// Host Side
input [7:0] iRed;
input [7:0] iGreen;
input [7:0] iBlue;
output [21:0] oAddress;
output [10:0] oCurrent_X;
output [10:0] oCurrent_Y;
output oRequest;
// VGA Side
output [7:0] oVGA_R;
output [7:0] oVGA_G;
output [7:0] oVGA_B;
output reg oVGA_HS;
output reg oVGA_VS;
output oVGA_SYNC;
output oVGA_BLANK;
output oVGA_CLOCK;
// Control Signal
input iCLK;
input iRST_N;
// Internal Registers
reg [10:0] H_Cont;
reg [10:0] V_Cont;
// Horizontal Parameter
parameter H_FRONT = 16;
parameter H_SYNC = 96;
parameter H_BACK = 48;
parameter H_ACT = 640;
parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK;
parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT;
// Vertical Parameter
parameter V_FRONT = 11;
parameter V_SYNC = 2;
parameter V_BACK = 31;
parameter V_ACT = 480;
parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK;
parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT;
assign oVGA_SYNC = 1'b1; // This pin is unused.
assign oVGA_BLANK = ~((H_Cont=H_BLANK && H_Cont=V_BLANK && V_Cont=H_BLANK) ? H_Cont-H_BLANK : 11'h0 ;
assign oCurrent_Y = (V_Cont>=V_BLANK) ? V_Cont-V_BLANK : 11'h0 ;
// Horizontal Generator: Refer to the pixel clock
always@(posedge iCLK or negedge iRST_N)
begin
if(!iRST_N)
begin
H_Cont <= 0;
oVGA_HS <= 1;
end
else
begin
if(H_Cont 顶层模块
顶层模块例化所有模块进行连线，和上面的RTL图一致
module uart_sram_vga(
input clk,
input rst_n,
// uart side
input rx,
// sram side
output [17:0] SRAM_ADDR,
inout [15:0] SRAM_DQ,
output SRAM_WE_N,
output SRAM_OE_N,
output SRAM_UB_N,
output SRAM_LB_N,
output SRAM_CE_N,
// vga side
output VGA_HS,
output VGA_VS,
output [9:0] VGA_R,
output [9:0] VGA_G,
output [9:0] VGA_B,
output VGA_CLK,
output VGA_BLANK,
output VGA_SYNC
);
// 用不上
assign {VGA_R[1:0], VGA_G[1:0], VGA_B[1:0]} = 0;
// pll输出25M时钟给vga_ctrl
wire clk_25;
// uart接收到的数据和有效位
wire valid;
wire [7:0] data;
// wr_addr:数据的写入地址，uart接收完数据后拉高receive_done
wire [18:0] wr_addr;
wire receive_done;
// vga_ctrl输出的坐标、地址、请求、rgb
wire [9:0] x;
wire [9:0] y;
wire [21:0] address;
wire oRequest;
wire [7:0] R,G,B;
// 从sram中读取的数据
wire [7:0] rd_data;
vga_pll inst_vga_pll (
.inclk0 (clk),
.c0 (clk_25)
);
uart_rx inst_uart_rx (
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.rx (rx),
.valid (valid),
.data (data)
);
uart_rx_addr inst_uart_rx_addr (
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.valid (valid),
.receive_done (receive_done),
.addr (wr_addr)
);
sram_ctrl inst_sram_ctrl (
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.wr_req (valid),
.wr_addr (wr_addr),
.wr_data (data),
.rd_req (receive_done & oRequest),
.rd_addr (address),
.rd_data (rd_data),
.SRAM_ADDR (SRAM_ADDR),
.SRAM_DQ (SRAM_DQ),
.SRAM_WE_N (SRAM_WE_N),
.SRAM_OE_N (SRAM_OE_N),
.SRAM_UB_N (SRAM_UB_N),
.SRAM_LB_N (SRAM_LB_N),
.SRAM_CE_N (SRAM_CE_N)
);
VGA_Ctrl inst_VGA_Ctrl (
.iRed (rd_data),
.iGreen (rd_data),
.iBlue (rd_data),
.oCurrent_X (x),
.oCurrent_Y (y),
.oAddress (address),
.oRequest (oRequest),
.oVGA_R (VGA_R[9:2]),
.oVGA_G (VGA_G[9:2]),
.oVGA_B (VGA_B[9:2]),
.oVGA_HS (VGA_HS),
.oVGA_VS (VGA_VS),
.oVGA_SYNC (VGA_SYNC),
.oVGA_BLANK (VGA_BLANK),
.oVGA_CLOCK (VGA_CLK),
.iCLK (clk_25),
.iRST_N (rst_n)
);
endmodule
结果分析
图片选择友晶资料盘里的图片，分辨率640*480，将其转灰度图用于实验。
仿真就不放了，直接放上板验证：
用正点原子的XCOM串口软件发送bmp图片，实验结果如下：
图像上下反转了，而且左右也有错位，说明直接使用串口软件发送bmp文件是不对的。
网上查了很多FPGA串口传图的代码，他们都喜欢自己写一个串口程序来传图，但我太菜了，不会写，他们的程序我也不好用，因为我要传灰度图。
解决方法：将图片转存为hex文件，然后用串口软件发送hex文件。
方式1：matlab
gray = imread('gray_640_480.bmp');
f = fopen('gray_640_480.hex', 'w+');
for y = 1:480
for x = 1:640
fprintf(f, '%x', gray(y, x));
end
end
fclose(f);
方式2：python+opencv
import cv2 as cv
gray = cv.imread('gray_640_480.bmp', cv.IMREAD_GRAYSCALE)
f = open("gray_640_480.hex", "w+")
for y in range(0, 480):
for x in range(0, 640):
# 记得去掉0x开头
hex_data = hex(gray[y][x])[2:4]
f.write(hex_data)
f.close()
执行上述代码后，只是将bmp文件转化为了hex文本，其内容还是ASCII字符，2位十六进制数对应1字节，此时的hex文件大小(600kb)是bmp文件大小(300kb)的2倍。
接下来需要执行最后一步：以十六进制编码保存文件，我用的是sublime编辑器，打开hex文件，选择文件->以…编码保存->十六进制
执行完最后一步，hex文件大小变成300kb了，转hex完毕。
之后再用串口软件发送该hex文件即可，实验结果如下，与原图一致：
