FPGA教程学习
第十四章 HDMI 输出实验
文章目录
- FPGA教程学习
- 前言
- 实验原理
- 实验过程
- 程序设计
- 时钟模块（video_pll）
- 彩条产生模块（color_bar)
- 配置数据查找表模块（lut_adv7511）
- I2C Master 寄存器配置模块（i2c_config）
- TODO
- 总结
- 参考
前言
- FPGA通过HDMI编码芯片输出彩条。
实验原理
开发板有一个HDMI编码芯片，ADV7511，将 24 位 RGB 编码输出 TMDS 差分信号。
本实验使用其将RGB24视频数据显示出来。
硬件原理图如下：
结合前面，从原理图（或者看手册，这里只是大致分析一下）上可以分析出：
- 编码输入是24位的数据，本实验是RGB
- 编码输出时TMDS 差分信号
- 编码芯片的配置接口是I2C
- HDMI接口上有I2C
实验过程
程序设计
时钟模块（video_pll）
负责产生一个100Mhz的时钟和一个1080P的148.5Mhz的像素时钟。
生成时钟 IP 的方法是点击 Project Manager目录下的 IP Catalog,再选择 FPGA Features and Design->Clocking->Clocking Wizard 图标。然后进行设置即可。
彩条产生模块（color_bar)
是产生 8 种颜色的 VGA 格式的彩条，彩条分别为白、黄、青、绿、紫、红、蓝和黑。产生分辨率为 1920x1080 刷新率为 60Hz 的彩条,也就是所谓的 1080P 的高清视频图像。
视频时序图：
模块要根据这个视频时序去看，用了几个寄存器来计数行场信号。
模块接口参数比较少，输入只有时钟和复位，其他都是输出。这里输出的时序是给编码芯片的。
module color_bar(input clk, //像素时钟输入，1280x720@60P的像素时钟为74.25input rst, //复位,高有效output hs, //行同步、高有效output vs, //场同步、高有效output de, //数据有效output[7:0] rgb_r, //像素数据、红色分量output[7:0] rgb_g, //像素数据、绿色分量output[7:0] rgb_b //像素数据、蓝色分量
);
//*************************************************************************\
//==========================================================================
// Description:
// 彩条发生模块
//==========================================================================
// Revision History:
// Date By Revision Change Description
//--------------------------------------------------------------------------
//2013/5/7 1.2 remove some warning
//2013/4/18 1.1 vs timing
//2013/4/16 1.0 Original
//*************************************************************************/
module color_bar(input clk, //像素时钟输入，1280x720@60P的像素时钟为74.25input rst, //复位,高有效output hs, //行同步、高有效output vs, //场同步、高有效output de, //数据有效output[7:0] rgb_r, //像素数据、红色分量output[7:0] rgb_g, //像素数据、绿色分量output[7:0] rgb_b //像素数据、蓝色分量
);
/*********视频时序参数定义******************************************/
//parameter H_ACTIVE = 16'd1280; //行有效长度（像素时钟周期个数）
//parameter H_FP = 16'd110; //行同步前肩长度
//parameter H_SYNC = 16'd40; //行同步长度
//parameter H_BP = 16'd220; //行同步后肩长度
//parameter V_ACTIVE = 16'd720; //场有效长度（行的个数）
//parameter V_FP = 16'd5; //场同步前肩长度
//parameter V_SYNC = 16'd5; //场同步长度
//parameter V_BP = 16'd20; //场同步后肩长度parameter H_ACTIVE = 16'd1920;
parameter H_FP = 16'd88;
parameter H_SYNC = 16'd44;
parameter H_BP = 16'd148;
parameter V_ACTIVE = 16'd1080;
parameter V_FP = 16'd4;
parameter V_SYNC = 16'd5;
parameter V_BP = 16'd36;
parameter H_TOTAL = H_ACTIVE + H_FP + H_SYNC + H_BP;//行总长度
parameter V_TOTAL = V_ACTIVE + V_FP + V_SYNC + V_BP;//场总长度
/*********彩条RGB color bar颜色参数定义*****************************/
parameter WHITE_R = 8'hff;
parameter WHITE_G = 8'hff;
parameter WHITE_B = 8'hff;
parameter YELLOW_R = 8'hff;
parameter YELLOW_G = 8'hff;
parameter YELLOW_B = 8'h00;
parameter CYAN_R = 8'h00;
parameter CYAN_G = 8'hff;
parameter CYAN_B = 8'hff;
parameter GREEN_R = 8'h00;
parameter GREEN_G = 8'hff;
parameter GREEN_B = 8'h00;
parameter MAGENTA_R = 8'hff;
parameter MAGENTA_G = 8'h00;
parameter MAGENTA_B = 8'hff;
parameter RED_R = 8'hff;
parameter RED_G = 8'h00;
parameter RED_B = 8'h00;
parameter BLUE_R = 8'h00;
parameter BLUE_G = 8'h00;
parameter BLUE_B = 8'hff;
parameter BLACK_R = 8'h00;
parameter BLACK_G = 8'h00;
parameter BLACK_B = 8'h00;
reg hs_reg;//定义一个寄存器,用于行同步
reg vs_reg;//定义一个寄存器,用户场同步
reg hs_reg_d0;//hs_reg一个时钟的延迟//所有以_d0、d1、d2等为后缀的均为某个寄存器的延迟
reg vs_reg_d0;//vs_reg一个时钟的延迟
reg[11:0] h_cnt;//用于行的计数器
reg[11:0] v_cnt;//用于场（帧）的计数器
reg[11:0] active_x;//有效图像的的坐标x
reg[11:0] active_y;//有效图像的坐标y
reg[7:0] rgb_r_reg;//像素数据r分量
reg[7:0] rgb_g_reg;//像素数据g分量
reg[7:0] rgb_b_reg;//像素数据b分量
reg h_active;//行图像有效
reg v_active;//场图像有效
wire video_active;//一帧内图像的有效区域h_active & v_active
reg video_active_d0;
assign hs = hs_reg_d0;
assign vs = vs_reg_d0;
assign video_active = h_active & v_active;
assign de = video_active_d0;
assign rgb_r = rgb_r_reg;
assign rgb_g = rgb_g_reg;
assign rgb_b = rgb_b_reg;always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)beginhs_reg_d0 <= 1'b0;vs_reg_d0 <= 1'b0;video_active_d0 <= 1'b0;endelsebegin // 这个地方左侧的寄存器是hs，vs，de的输出，hs_reg和vs_reg有关系hs_reg_d0 <= hs_reg;vs_reg_d0 <= vs_reg;video_active_d0 <= video_active;end
end// 行计数，每次记一行的时钟个数，也就是一行的第几个时钟
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)h_cnt <= 12'd0;else if(h_cnt == H_TOTAL - 1)//行计数器到最大值清零h_cnt <= 12'd0;elseh_cnt <= h_cnt + 12'd1;
end// x坐标，像素坐标，当前肩+同步+后肩结束时，输出有效像素，x用来计数有效的图像数据，或者说是x的坐标
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)active_x <= 12'd0;else if(h_cnt >= H_FP + H_SYNC + H_BP - 1)//计算图像的x坐标active_x <= h_cnt - (H_FP[11:0] + H_SYNC[11:0] + H_BP[11:0] - 12'd1);elseactive_x <= active_x;
end// 场计数，或者说是行数计数，用来计数多少行，每当一行的前肩开始时就进行计数，到达最大进行清零
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)v_cnt <= 12'd0;else if(h_cnt == H_FP - 1)//在行数计算器为H_FP - 1的时候场计数器+1或清零if(v_cnt == V_TOTAL - 1)//场计数器到最大值了，清零v_cnt <= 12'd0;elsev_cnt <= v_cnt + 12'd1;//没到最大值，+1elsev_cnt <= v_cnt;
end// 行同步信号的输出，从前肩开始有效，到达设定的值时结束
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)hs_reg <= 1'b0;else if(h_cnt == H_FP - 1)//行同步开始了...hs_reg <= 1'b1;else if(h_cnt == H_FP + H_SYNC - 1)//行同步这时候要结束了hs_reg <= 1'b0;elsehs_reg <= hs_reg;
end// 行数据有效信号，在一行前肩+同步+后肩内为低，图像数据有效时为高
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)h_active <= 1'b0;else if(h_cnt == H_FP + H_SYNC + H_BP - 1)h_active <= 1'b1;else if(h_cnt == H_TOTAL - 1)h_active <= 1'b0;elseh_active <= h_active;
end// 场同步信号，和行同步信号类似，从前肩开始有效，到达设定的值时结束
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)vs_reg <= 1'd0;else if((v_cnt == V_FP - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))vs_reg <= 1'b1;else if((v_cnt == V_FP + V_SYNC - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))vs_reg <= 1'b0; elsevs_reg <= vs_reg;
end// 场数据有效信号，在前肩+同步+后肩内为低，图像数据有效时为高，h_active和v_active共同用来指示数据是否有效，作为数据使能信号DE
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)v_active <= 1'd0;else if((v_cnt == V_FP + V_SYNC + V_BP - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))v_active <= 1'b1;else if((v_cnt == V_TOTAL - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))v_active <= 1'b0; elsev_active <= v_active;
end// 根据行坐标输出特定的像素值
always@(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)beginrgb_r_reg <= 8'h00;rgb_g_reg <= 8'h00;rgb_b_reg <= 8'h00;endelse if(video_active)if(active_x == 12'd0)beginrgb_r_reg <= WHITE_R;rgb_g_reg <= WHITE_G;rgb_b_reg <= WHITE_B;endelse if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 1)beginrgb_r_reg <= YELLOW_R;rgb_g_reg <= YELLOW_G;rgb_b_reg <= YELLOW_B;end else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 2)beginrgb_r_reg <= CYAN_R;rgb_g_reg <= CYAN_G;rgb_b_reg <= CYAN_B;endelse if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 3)beginrgb_r_reg <= GREEN_R;rgb_g_reg <= GREEN_G;rgb_b_reg <= GREEN_B;endelse if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 4)beginrgb_r_reg <= MAGENTA_R;rgb_g_reg <= MAGENTA_G;rgb_b_reg <= MAGENTA_B;endelse if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 5)beginrgb_r_reg <= RED_R;rgb_g_reg <= RED_G;rgb_b_reg <= RED_B;endelse if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 6)beginrgb_r_reg <= BLUE_R;rgb_g_reg <= BLUE_G;rgb_b_reg <= BLUE_B;end else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 7)beginrgb_r_reg <= BLACK_R;rgb_g_reg <= BLACK_G;rgb_b_reg <= BLACK_B;endelsebeginrgb_r_reg <= rgb_r_reg;rgb_g_reg <= rgb_g_reg;rgb_b_reg <= rgb_b_reg;end elsebeginrgb_r_reg <= 8'h00;rgb_g_reg <= 8'h00;rgb_b_reg <= 8'h00;end
endendmodule
配置数据查找表模块（lut_adv7511）
这个模块就是根据输入的下标输出设定好的值。
module lut_adv7511(input[9:0] lut_index, // Look-up table index addressoutput reg[31:0] lut_data // I2C device address register address register data
);always@(*)
begincase(lut_index)//To be compatible with the 16bit register address, add 8'h008'd0 : lut_data <= {8'h72,24'h004100}; //16'h4110; 8'd1 : lut_data <= {8'h72,24'h00d6c0}; 8'd2 : lut_data <= {8'h72,24'h005512}; 8'd3 : lut_data <= {8'h72,24'h001500}; //input id = 0x0 = 0000 = 24 bit RGB 4:4:4 or YCbCr 4:4:4 (separate syncs)8'd4 : lut_data <= {8'h72,24'h00d03c};8'd5 : lut_data <= {8'h72,24'h00af04}; 8'd6 : lut_data <= {8'h72,24'h004c04}; 8'd7 : lut_data <= {8'h72,24'h004000}; 8'd8 : lut_data <= {8'h72,24'h009803};8'd9 : lut_data <= {8'h72,24'h009ae0}; 8'd10 : lut_data <= {8'h72,24'h009c30}; 8'd11 : lut_data <= {8'h72,24'h009d61}; 8'd12 : lut_data <= {8'h72,24'h00a2a4}; 8'd13 : lut_data <= {8'h72,24'h00a3a4}; 8'd14 : lut_data <= {8'h72,24'h00e0d0}; 8'd15 : lut_data <= {8'h72,24'h00f900};default:lut_data <= {8'hff,16'hffff,8'hff};endcase
endendmodule
I2C Master 寄存器配置模块（i2c_config）
这个模块使用了查找表模块，输出对应的下标，将查找的数据作为输入。然后这里还有一大堆使用I2C读写的代码，以后再看。
module i2c_config(input rst,input clk,input[15:0] clk_div_cnt,input i2c_addr_2byte,output reg[9:0] lut_index,input[7:0] lut_dev_addr,input[15:0] lut_reg_addr,input[7:0] lut_reg_data,output reg error,output done,inout i2c_scl,inout i2c_sda
);
TODO
- 分析I2C读写代码
- 了解视频时序
- 查看编码芯片数据手册
总结
本实验通过使用I2C配置编码芯片，构建模拟图像输出视频时序模块，完成了使用HDMI输出模拟图像（彩条）的功能。通过本次实验，了解了HDMI输出、视频时序、I2C读写的一些知识点。HDMI输出的是差分信号，芯片输出是可能需要编码芯片进行编码，不能够直接输出。视频时序中有前肩、后肩、同步等术语，行场信号是一个重要的知识点，要熟悉行场信号的构造。I2C是一个常用的配置接口，实验中的编码芯片由I2C进行配置，HDMI接口上也有一个。
参考
- 8k,4k,2k视频时序参数分享
- HDMI中的视频时序分析
- 基于FPGA的视频时序生成
