Teine HDMI monitor Raspberry Pi3 jaoks läbi DPI liidese ja FPGA plaadi

Selles videos näidatakse: Raspberry Pi3 emaplaati, millele on läbi GPIO-pesa ühendatud FPGAplaat Marsrover2rpi (Cyclone IV), millele on ühendatud HDMI monitor. Teine monitor on ühendatud Raspberry Pi3 standardse HDMI-pesa kaudu. Kõik koos töötab nagu kahes monitorisüsteemis.

Jätan edasi rääkima, kuidas see on teostatud.

Populaarsel Raspberry Pi3 emaplaadil on GPIO-pesa, mille kaudu saab ühendada erinevaid laienduspaneele: andureid, LED-e, samm-mootorite juhtmeid ja palju muud. Iga väljundi täpne funktsioon sõltub pordikonfiguratsioonist. GPIO ALT2 konfiguratsioon võimaldab pesa lülitada DPI liidese režiimi, Display Parallel Interface. On olemas laienduspaneele, mis võimaldavad VGA monitoride ühendamist DPI kaudu. Siiski, esiteks ei ole VGA monitorid enam nii laialt levinud kui HDMI ja teiseks on digitaalne liides järjest parem kui analoogne. Eriti kuna selliste VGA laienduspaneelide DAC on tavaliselt teostatud R-2-R ahelates ja tihti ei ületa 6 bitti värvi kohta.

ALT2 režiimis on GPIO-pesa pinside väärtus järgmine:

Olen siin värvinud RGB väljundid vastavalt punasele, rohelisele ja sinisele värvile. Teised olulised signaalid on V-SYNC ja H-SYNC kaitsesignaali signaalid, samuti CLK. CLK sagedus on sagedus, millega piksli väärtused edastatakse pesasse, see sõltub valitud videorežiimist.

Digitaalsete HDMI monitoride ühendamiseks tuleb DPI liidese signaalid kinni püüda ja need HDMI-signaalideks muundada. Seda saab teha näiteks mõne FPGA ploogiga. Tõde on see, et Marsrover2rpi plaat sobib nende eesmärkide jaoks. Tõepoolest, selle plaadi ühendamise põhivõimalus spetsiaalse adapteri kaudu näeb välja selline:

See plaat on mõeldud GPIO portide arvu suurendamiseks ja suurema arvu perifeersete seadmete ühendamiseks Raspberry Pi-le. Samal ajal kasutatakse 4 GPIO signaali selle ühendamise korral JTAG signaalidena, nii et Raspberry programm saab laadida FPGA tarkvara CPLD-sse. Seetõttu ei sobi see tavaline ühendus mulle, kuna kaob 4 DPI signaali. Õnneks on plaadi lisasildidel Raspberry pinoutiga ühilduvus. Nii et saan plaati pöörata 90 kraadi ja ikka ühendada seda minu Raspberryga:

Muidugi tuleb kasutada välist JTAG programmeerijat, kuid see ei ole probleem.

Siiski on väike probleem. Mitte iga FPGA väljund ei saa kasutada kellosignaali sisendina. On vaid mõned pühendatud jalad, mida saab nende eesmärkide jaoks kasutada. Nii et siin juhtus, et GPIO_0 signaal CLK ei jõudnud FPGA sisendisse, mida oleks saanud kasutada kellosignaali sisendina. Nii et pidin ikkagi ühe juheplaadi peale viskama. Ühendan GPIO_0 ja signaali KEY[1] plaadil:

Nüüd räägin natuke FPGA projektist. Peamine raskus HDMI signaalide genereerimisel on väga kõrged sagedused. Kui vaadata HDMI pistiku pinout'i, siis on näha, et RGB signaalid on nüüd järjestikused diferentielsignaalid:

Diferentielsignaali kasutamine aitab võidelda koherentsete häiretega edastusliinil. Sel juhul muudetakse iga värvisignaali algne kaheksabitis muster 10-bitiseks TMDS (Transition-minimized differential signaling). See on spetsiaalne kodeerimismeetod, mille eesmärgiks on eemaldada signaalist püsiv komponent ja vähendada signaalide vahetusi diferentielliinil. Kuna ühe värvibaiti edastamiseks on nüüd järjestikusel edastusliinil vaja edastada 10 bitti, siis peab serialiseerija taktsagedus olema 10 korda kõrgem kui pikselite taktsagedus. Kui võtta näiteks video režiim 1280x720 60Hz, siis on selle režiimi pikselite taktsagedus 74,25MHz. Serialiseerijal peab olema 742,5MHz.

Tavalised FPGA-d on kahjuks selliseks võimetuks. Siiski on meie õnneks FPGA-del sisemised DDIO väljundid. Need väljundid on justkui 2-to-1 serialiseerijad. See tähendab, et nad saavad järjepidevalt edastada kahte bitti kellosignaali tõusul ja langusel. Seega võib FPGA projektis kasutada mitte 740MHz, vaid 370MHz, kuid peab kasutama DDIO väljundeid FPGA-s. 370MHz on juba hästi saavutatav sagedus. Kahjuks on 1280×720 suurus piir. Suuremat eraldusvõimet meie FPGA Cyclone IV-l, mis on paigaldatud Marsrover2rpi plaadile, ei saavutata.

Nii et projektis satuvad pikselite sisendtaktsagedus CLK PLL-i, kus see korrutatakse 5-ga. Sellel sagedusel muudetakse R, G, B baitid bitipaarideks. Selle teeb TMDS kodeerija. Algne kood Verilog HDL-i jaoks näeb välja selline:

module hdmi(
	input wire pixclk,		// 74MHz
	input wire clk_TMDS2,	// 370MHz
	input wire hsync,
	input wire vsync,
	input wire active,
	input wire [7:0]red,
	input wire [7:0]green,
	input wire [7:0]blue,
	output wire TMDS_bh,
	output wire TMDS_bl,
	output wire TMDS_gh,
	output wire TMDS_gl,
	output wire TMDS_rh,
	output wire TMDS_rl
);

wire [9:0] TMDS_red, TMDS_green, TMDS_blue;
TMDS_encoder encode_R(.clk(pixclk), .VD(red  ), .CD({vsync,hsync}), .VDE(active), .TMDS(TMDS_red));
TMDS_encoder encode_G(.clk(pixclk), .VD(green), .CD({vsync,hsync}), .VDE(active), .TMDS(TMDS_green));
TMDS_encoder encode_B(.clk(pixclk), .VD(blue ), .CD({vsync,hsync}), .VDE(active), .TMDS(TMDS_blue));

reg [2:0] TMDS_mod5=0;  // modulus 5 counter
reg [4:0] TMDS_shift_bh=0, TMDS_shift_bl=0;
reg [4:0] TMDS_shift_gh=0, TMDS_shift_gl=0;
reg [4:0] TMDS_shift_rh=0, TMDS_shift_rl=0;

wire [4:0] TMDS_blue_l  = {TMDS_blue[9],TMDS_blue[7],TMDS_blue[5],TMDS_blue[3],TMDS_blue[1]};
wire [4:0] TMDS_blue_h  = {TMDS_blue[8],TMDS_blue[6],TMDS_blue[4],TMDS_blue[2],TMDS_blue[0]};
wire [4:0] TMDS_green_l = {TMDS_green[9],TMDS_green[7],TMDS_green[5],TMDS_green[3],TMDS_green[1]};
wire [4:0] TMDS_green_h = {TMDS_green[8],TMDS_green[6],TMDS_green[4],TMDS_green[2],TMDS_green[0]};
wire [4:0] TMDS_red_l   = {TMDS_red[9],TMDS_red[7],TMDS_red[5],TMDS_red[3],TMDS_red[1]};
wire [4:0] TMDS_red_h   = {TMDS_red[8],TMDS_red[6],TMDS_red[4],TMDS_red[2],TMDS_red[0]};

always @(posedge clk_TMDS2)
begin
	TMDS_shift_bh <= TMDS_mod5[2] ? TMDS_blue_h  : TMDS_shift_bh  [4:1];
	TMDS_shift_bl <= TMDS_mod5[2] ? TMDS_blue_l  : TMDS_shift_bl  [4:1];
	TMDS_shift_gh <= TMDS_mod5[2] ? TMDS_green_h : TMDS_shift_gh  [4:1];
	TMDS_shift_gl <= TMDS_mod5[2] ? TMDS_green_l : TMDS_shift_gl  [4:1];
	TMDS_shift_rh <= TMDS_mod5[2] ? TMDS_red_h   : TMDS_shift_rh  [4:1];
	TMDS_shift_rl <= TMDS_mod5[2] ? TMDS_red_l   : TMDS_shift_rl  [4:1];
	TMDS_mod5 4'd4) || (Nb1s==4'd4 && VD[0]==1'b0);
wire [8:0] q_m = {~XNOR, q_m[6:0] ^ VD[7:1] ^ {7{XNOR}}, VD[0]};

reg [3:0] balance_acc = 0;
wire [3:0] balance = q_m[0] + q_m[1] + q_m[2] + q_m[3] + q_m[4] + q_m[5] + q_m[6] + q_m[7] - 4'd4;
wire balance_sign_eq = (balance[3] == balance_acc[3]);
wire invert_q_m = (balance==0 || balance_acc==0) ? ~q_m[8] : balance_sign_eq;
wire [3:0] balance_acc_inc = balance - ({q_m[8] ^ ~balance_sign_eq} & ~(balance==0 || balance_acc==0));
wire [3:0] balance_acc_new = invert_q_m ? balance_acc-balance_acc_inc : balance_acc+balance_acc_inc;
wire [9:0] TMDS_data = {invert_q_m, q_m[8], q_m[7:0] ^ {8{invert_q_m}}};
wire [9:0] TMDS_code = CD[1] ? (CD[0] ? 10'b1010101011 : 10'b0101010100) : (CD[0] ? 10'b0010101011 : 10'b1101010100);

always @(posedge clk) TMDS <= VDE ? TMDS_data : TMDS_code;
always @(posedge clk) balance_acc <= VDE ? balance_acc_new : 4'h0;

endmodule

Seejärel edastatakse väljundpaaride signaal DDIO väljundile, mis edastab järjestikuse ühesuunalise signaali nii tõusul kui ka langusel.

DDIO-d oleks võimalik kirjeldada järgmise Verilog'i koodiga:

module ddio(
	input wire d0,
	input wire d1,
	input wire clk,
	output wire out
	);

reg r_d0;
reg r_d1;
always @(posedge clk)
begin
	r_d0 <= d0;
	r_d1 <= d1;
end
assign out = clk ? r_d0 : r_d1;
endmodule

Kuid tõenäoliselt ei toimi nii. Tuleb kasutada Alternova megafunktsiooni ALTDDIO_OUT, et tegelikult aktiveerida väljund DDIO elemendid. Minu projektis kasutatakse just seda raamatukogud komponenti ALTDDIO_OUT.

Võib-olla näeb see kõik natuke keeruline välja, kuid see töötab.

Kogu Verilog HDL keeles kirjutatud allikakoodi saab vaadata siit, githubist.

Kompileeritud FPGA püsivara laetakse EPCS kiip, mis on paigaldatud Marsrover 2 rpi plaadile. Nii et kui toide antakse FPGA plaadile, siis FPGAs algatatakse flash-mälust.

Nüüd tuleb rääkida natuke Raspberry seadistamisest.

Katsetan Raspberry PI OS-i (32 bitti), mis põhineb Debian Busteril, versioon: August 2020,
Väljalaskekuupäev: 2020-08-20, Kerneli versioon: 5.4.

Peab tegema kaks asja:

• toimetama config.txt faili;
• looma X-serveri konfiguratsiooni, et töötada kahe monitoriga.

Faili /boot/config.txt toimetamisel tuleb:

1. välja lülitada i2c, i2s, spi kasutamine;
2. aktiveerida DPI režiim dtoverlay=dpi24 overlay abil;
3. seada video režiim 1280×720 60Hz, 24 bitti punkti kohta DPI-l;
4. määrata vajalik frame bufferite arv 2 (max_framebuffers=2, ainult siis ilmub teine seade /dev/fb1)

config.txt faili täisteksti näeb välja selline.

# For more options and information see
# http://rpf.io/configtxt
# Some settings may impact device functionality. See link above for details

# uncomment if you get no picture on HDMI for a default "safe" mode
#hdmi_safe=1

# uncomment this if your display has a black border of unused pixels visible
# and your display can output without overscan
disable_overscan=1

# uncomment the following to adjust overscan. Use positive numbers if console
# goes off screen, and negative if there is too much border
#overscan_left=16
#overscan_right=16
#overscan_top=16
#overscan_bottom=16

# uncomment to force a console size. By default it will be display's size minus
# overscan.
#framebuffer_width=1280
#framebuffer_height=720

# uncomment if hdmi display is not detected and composite is being output
hdmi_force_hotplug=1

# uncomment to force a specific HDMI mode (this will force VGA)
#hdmi_group=1
#hdmi_mode=1

# uncomment to force a HDMI mode rather than DVI. This can make audio work in
# DMT (computer monitor) modes
#hdmi_drive=2

# uncomment to increase signal to HDMI, if you have interference, blanking, or
# no display
#config_hdmi_boost=4

# uncomment for composite PAL
#sdtv_mode=2

#uncomment to overclock the arm. 700 MHz is the default.
#arm_freq=800

# Uncomment some or all of these to enable the optional hardware interfaces
#dtparam=i2c_arm=on
#dtparam=i2s=on
#dtparam=spi=on

dtparam=i2c_arm=off
dtparam=spi=off
dtparam=i2s=off

dtoverlay=dpi24
overscan_left=0
overscan_right=0
overscan_top=0
overscan_bottom=0
framebuffer_width=1280
framebuffer_height=720
display_default_lcd=0
enable_dpi_lcd=1
dpi_group=2
dpi_mode=87
#dpi_group=1
#dpi_mode=4
dpi_output_format=0x6f027
dpi_timings=1280 1 110 40 220 720 1 5 5 20 0 0 0 60 0 74000000 3

# Uncomment this to enable infrared communication.
#dtoverlay=gpio-ir,gpio_pin=17
#dtoverlay=gpio-ir-tx,gpio_pin=18

# Additional overlays and parameters are documented /boot/overlays/README

# Enable audio (loads snd_bcm2835)
dtparam=audio=on

[pi4]
# Enable DRM VC4 V3D driver on top of the dispmanx display stack
#dtoverlay=vc4-fkms-v3d
max_framebuffers=2

[all]
#dtoverlay=vc4-fkms-v3d
max_framebuffers=2

Pärast seda tuleb luua X-serveri konfiguratsioonifail, et kasutada kahte monitori kahe frame bufferi /dev/fb0 ja /dev/fb1 jaoks:

Minu konfiguratsioonifail /usr/share/x11/xorg.conf.d/60-dualscreen.conf on selline

Section "Device"
        Identifier      "LCD"
        Driver          "fbturbo"
        Option          "fbdev" "\/dev\/fb0"
        Option          "ShadowFB" "off"
        Option          "SwapbuffersWait" "true"
EndSection

Section "Device"
        Identifier      "HDMI"
        Driver          "fbturbo"
        Option          "fbdev" "\/dev\/fb1"
        Option          "ShadowFB" "off"
        Option          "SwapbuffersWait" "true"
EndSection

Section "Monitor"
        Identifier      "LCD-monitor"
        Option          "Primary" "true"
EndSection

Section "Monitor"
        Identifier      "HDMI-monitor"
        Option          "RightOf" "LCD-monitor"
EndSection

Section "Screen"
        Identifier      "screen0"
        Device          "LCD"
        Monitor         "LCD-monitor"
EndSection

Section "Screen"
        Identifier      "screen1"
        Device          "HDMI" 
	Monitor         "HDMI-monitor"
EndSection

Section "ServerLayout"
        Identifier      "default"
        Option          "Xinerama" "on"
        Option          "Clone" "off"
        Screen 0        "screen0"
        Screen 1        "screen1" RightOf "screen0"
EndSection

Ja kui Xinerama pole veel installitud, siis tuleb see paigaldada. Siis laieneb töölaua ruum täielikult kahe monitori peale, nagu eespool näidatud demovideol.

Siin on nüüd kõik. Nüüd saavad ka Raspberry Pi3 omanikud kasutada kahte monitori.

Marsrover2rpi plaadi kirjeldust ja skeemi saab vaadata siit.

Allikas: habr.com