🥇DPI इंटरफ़ेस और FPGA बोर्ड के माध्यम से रास्पबेरी Pi3 के लिए दूसरा HDMI मॉनिटर

यह वीडियो दिखाता है: एक रास्पबेरी Pi3 बोर्ड, जो GPIO कनेक्टर के माध्यम से जुड़ा हुआ है, एक FPGA बोर्ड मार्स रोवर2rpi (साइक्लोन IV) है, जिससे एक HDMI मॉनिटर जुड़ा हुआ है। दूसरा मॉनिटर रास्पबेरी Pi3 के मानक एचडीएमआई कनेक्टर के माध्यम से जुड़ा हुआ है। सब कुछ एक दोहरी मॉनिटर प्रणाली की तरह एक साथ काम करता है।

आगे मैं आपको बताऊंगा कि इसे कैसे लागू किया जाता है।

लोकप्रिय रास्पबेरी Pi3 बोर्ड में एक GPIO कनेक्टर है जिसके माध्यम से आप विभिन्न विस्तार कार्ड कनेक्ट कर सकते हैं: सेंसर, एलईडी, स्टेपर मोटर ड्राइवर और बहुत कुछ। कनेक्टर पर प्रत्येक पिन का सटीक कार्य पोर्ट कॉन्फ़िगरेशन पर निर्भर करता है। GPIO ALT2 कॉन्फ़िगरेशन आपको कनेक्टर को DPI इंटरफ़ेस मोड, डिस्प्ले पैरेलल इंटरफ़ेस पर स्विच करने की अनुमति देता है। डीपीआई के माध्यम से वीजीए मॉनिटर को जोड़ने के लिए विस्तार कार्ड हैं। हालाँकि, सबसे पहले, वीजीए मॉनिटर अब एचडीएमआई जितने सामान्य नहीं हैं, और दूसरी बात, डिजिटल इंटरफ़ेस एनालॉग की तुलना में तेजी से बेहतर हो रहा है। इसके अलावा, ऐसे वीजीए विस्तार बोर्डों पर डीएसी आमतौर पर आर-2-आर चेन के रूप में बनाया जाता है और अक्सर प्रति रंग 6 बिट से अधिक नहीं होता है।

ALT2 मोड में, GPIO कनेक्टर पिन का निम्नलिखित अर्थ होता है:

यहां मैंने कनेक्टर के आरजीबी पिन को क्रमशः लाल, हरा और नीला रंग दिया है। अन्य महत्वपूर्ण सिग्नल V-SYNC और H-SYNC सिग्नल, साथ ही CLK हैं। सीएलके घड़ी आवृत्ति वह आवृत्ति है जिस पर पिक्सेल मान कनेक्टर को आउटपुट होते हैं; यह चयनित वीडियो मोड पर निर्भर करता है।

डिजिटल एचडीएमआई मॉनिटर को कनेक्ट करने के लिए, आपको इंटरफ़ेस के डीपीआई सिग्नल को कैप्चर करना होगा और उन्हें एचडीएमआई सिग्नल में बदलना होगा। यह किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, किसी प्रकार के FPGA बोर्ड का उपयोग करके। जैसा कि यह पता चला है, मार्स रोवर2आरपीआई बोर्ड इन उद्देश्यों के लिए उपयुक्त है। सच में, इस बोर्ड को एक विशेष एडाप्टर के माध्यम से जोड़ने का मुख्य विकल्प इस तरह दिखता है:

इस बोर्ड का उपयोग GPIO पोर्ट की संख्या बढ़ाने और अधिक परिधीय उपकरणों को रास्पबेरी से जोड़ने के लिए किया जाता है। साथ ही, इस कनेक्शन के साथ 4 GPIO सिग्नल का उपयोग JTAG सिग्नल के लिए किया जाता है, ताकि रास्पबेरी से प्रोग्राम FPGA फर्मवेयर को FPGA में लोड कर सके। इस वजह से, यह मानक कनेक्शन मेरे अनुकूल नहीं है; 4 डीपीआई सिग्नल बाहर हो जाते हैं। सौभाग्य से, बोर्ड पर अतिरिक्त कंघियों में रास्पबेरी-संगत पिनआउट है। इसलिए मैं बोर्ड को 90 डिग्री तक घुमा सकता हूं और फिर भी इसे अपने रास्पबेरी से जोड़ सकता हूं:

बेशक, आपको बाहरी JTAG प्रोग्रामर का उपयोग करना होगा, लेकिन यह कोई समस्या नहीं है।

अभी भी एक छोटी सी समस्या है. प्रत्येक FPGA पिन का उपयोग क्लॉक इनपुट के रूप में नहीं किया जा सकता है। केवल कुछ समर्पित पिन हैं जिनका उपयोग इन उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है। तो यहां पता चला कि GPIO_0 CLK सिग्नल FPGA इनपुट तक नहीं पहुंचता है, जिसे FPGA क्लॉक इनपुट के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। इसलिए मुझे अभी भी दुपट्टे पर एक तार लगाना पड़ा। मैं GPIO_0 और बोर्ड के KEY[1] सिग्नल को जोड़ता हूं:

अब मैं आपको FPGA प्रोजेक्ट के बारे में थोड़ा बताऊंगा। एचडीएमआई सिग्नल उत्पन्न करने में मुख्य कठिनाई बहुत अधिक आवृत्तियों की है। यदि आप एचडीएमआई कनेक्टर पिनआउट को देखते हैं, तो आप देख सकते हैं कि आरजीबी सिग्नल अब सीरियल डिफरेंशियल सिग्नल हैं:

डिफरेंशियल सिग्नल का उपयोग आपको ट्रांसमिशन लाइन पर सामान्य मोड के हस्तक्षेप से निपटने की अनुमति देता है। इस मामले में, प्रत्येक रंग सिग्नल का मूल आठ-बिट कोड 10-बिट टीएमडीएस (ट्रांज़िशन-मिनिमाइज्ड डिफरेंशियल सिग्नलिंग) में परिवर्तित हो जाता है। यह सिग्नल से डीसी घटक को हटाने और एक अंतर लाइन में सिग्नल स्विचिंग को कम करने के लिए एक विशेष कोडिंग विधि है। चूंकि रंग की एक बाइट को अब सीरियल लाइन पर स्थानांतरित करने के लिए 10 बिट्स की आवश्यकता होती है, इसलिए यह पता चलता है कि सीरियलाइज़र घड़ी आवृत्ति पिक्सेल घड़ी आवृत्ति से 10 गुना अधिक होनी चाहिए। यदि हम उदाहरण के लिए वीडियो मोड 1280x720 60Hz लेते हैं, तो इस मोड की पिक्सेल आवृत्ति 74,25 मेगाहर्ट्ज है। सीरिएलाइज़र 742,5 मेगाहर्ट्ज होना चाहिए।

दुर्भाग्यवश, नियमित एफपीजीए इसके लिए सक्षम नहीं हैं। हालाँकि, सौभाग्य से हमारे लिए, FPGA में अंतर्निहित DDIO पिन हैं। ये ऐसे निष्कर्ष हैं जो पहले से ही 2-टू-1 क्रमबद्ध हैं। अर्थात्, वे घड़ी की आवृत्ति के बढ़ते और गिरते किनारों पर क्रमिक रूप से दो बिट्स आउटपुट कर सकते हैं। इसका मतलब है कि एफपीजीए प्रोजेक्ट में आप 740 मेगाहर्ट्ज नहीं, बल्कि 370 मेगाहर्ट्ज का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन आपको एफपीजीए में डीडीआईओ आउटपुट तत्वों का उपयोग करने की आवश्यकता है। अब 370 मेगाहर्ट्ज पहले से ही पूरी तरह से प्राप्त करने योग्य आवृत्ति है। दुर्भाग्य से, 1280x720 मोड ही सीमा है। मार्स रोवर2आरपीआई बोर्ड पर स्थापित हमारे साइक्लोन IV एफपीजीए में उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त नहीं किया जा सकता है।

तो, डिज़ाइन में, इनपुट पिक्सेल आवृत्ति सीएलके पीएलएल में जाती है, जहां इसे 5 से गुणा किया जाता है। इस आवृत्ति पर, आर, जी, बी बाइट्स को बिट जोड़े में परिवर्तित किया जाता है। टीएमडीएस एनकोडर यही करता है। वेरिलॉग एचडीएल में स्रोत कोड इस तरह दिखता है:

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 <= (TMDS_mod5[2]) ? 3'd0 : TMDS_mod5+3'd1;
end

assign TMDS_bh = TMDS_shift_bh[0];
assign TMDS_bl = TMDS_shift_bl[0];
assign TMDS_gh = TMDS_shift_gh[0];
assign TMDS_gl = TMDS_shift_gl[0];
assign TMDS_rh = TMDS_shift_rh[0];
assign TMDS_rl = TMDS_shift_rl[0];

endmodule

module TMDS_encoder(
	input clk,
	input [7:0] VD,	// video data (red, green or blue)
	input [1:0] CD,	// control data
	input VDE,  	// video data enable, to choose between CD (when VDE=0) and VD (when VDE=1)
	output reg [9:0] TMDS = 0
);

wire [3:0] Nb1s = VD[0] + VD[1] + VD[2] + VD[3] + VD[4] + VD[5] + VD[6] + VD[7];
wire XNOR = (Nb1s>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

फिर आउटपुट जोड़े को डीडीआईओ आउटपुट में फीड किया जाता है, जो क्रमिक रूप से बढ़ते और गिरते किनारों पर एक-बिट सिग्नल उत्पन्न करता है।

डीडीआईओ को स्वयं निम्नलिखित वेरिलॉग कोड के साथ वर्णित किया जा सकता है:

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

लेकिन संभवतः यह उस तरह से काम नहीं करेगा। वास्तव में DDIO आउटपुट तत्वों को सक्षम करने के लिए आपको Alter के मेगाफंक्शन ALTDDIO_OUT का उपयोग करने की आवश्यकता है। मेरा प्रोजेक्ट ALTDDIO_OUT लाइब्रेरी घटक का उपयोग करता है।

यह सब थोड़ा मुश्किल लग सकता है, लेकिन यह काम करता है।

आप वेरिलॉग एचडीएल में लिखे गए सभी स्रोत कोड देख सकते हैं यहाँ github पर.

एफपीजीए के लिए संकलित फर्मवेयर को मार्स रोवर2आरपीआई बोर्ड पर स्थापित ईपीसीएस चिप में फ्लैश किया गया है। इस प्रकार, जब एफपीजीए बोर्ड पर बिजली लागू की जाती है, तो एफपीजीए को फ्लैश मेमोरी से आरंभ किया जाएगा और शुरू किया जाएगा।

अब हमें रास्पबेरी के विन्यास के बारे में थोड़ी बात करने की जरूरत है।

मैं डेबियन बस्टर पर आधारित रास्पबेरी पीआई ओएस (32 बिट) पर प्रयोग कर रहा हूं, संस्करण: अगस्त 2020,
रिलीज़ दिनांक:2020-08-20, कर्नेल संस्करण:5.4.

दो काम करने की जरूरत है:

config.txt फ़ाइल संपादित करें;
दो मॉनिटरों के साथ काम करने के लिए एक X सर्वर कॉन्फ़िगरेशन बनाएं।

/boot/config.txt फ़ाइल को संपादित करते समय आपको यह चाहिए:

i2c, i2s, spi का उपयोग अक्षम करें;
ओवरले dtoverlay=dpi24 का उपयोग करके DPI मोड सक्षम करें;
वीडियो मोड 1280×720 60Hz, DPI पर 24 बिट प्रति पिक्सेल कॉन्फ़िगर करें;
फ़्रेमबफ़र्स 2 की आवश्यक संख्या निर्दिष्ट करें (max_framebuffers=2, तभी दूसरा डिवाइस /dev/fb1 दिखाई देगा)

config.txt फ़ाइल का पूरा पाठ इस तरह दिखता है।

# 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

इसके बाद, आपको दो फ़्रेमबफ़र्स /dev/fb0 और /dev/fb1 पर दो मॉनिटर का उपयोग करने के लिए X सर्वर के लिए एक कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइल बनाने की आवश्यकता है:

मेरी कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइल /usr/share/x11/xorg.conf.d/60-dualscreen.conf इस प्रकार है

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

खैर, अगर यह पहले से इंस्टॉल नहीं है, तो आपको Xinerama इंस्टॉल करना होगा। फिर डेस्कटॉप स्थान पूरी तरह से दो मॉनिटरों तक विस्तारित हो जाएगा, जैसा कि ऊपर डेमो वीडियो में दिखाया गया है।

शायद बस इतना ही. अब, रास्पबेरी Pi3 के मालिक दो मॉनिटर का उपयोग कर सकेंगे।

मार्स रोवर2आरपीआई बोर्ड का विवरण और सर्किट आरेख पाया जा सकता है यहाँ देखो.

स्रोत: www.habr.com