A videón a Raspberry Pi3 alaplap látható, amelyhez a GPIO csatlakozón keresztül egy Mars Rover2rpi (Cyclone IV) FPGA lap csatlakozik, amelyhez egy HDMI monitor van csatlakoztatva. A második monitor a Raspberry Pi3 beépített HDMI csatlakozóján keresztül csatlakozik. Az egész egy kétmonitoros rendszerként működik.
Most elmondom, hogyan valósítottam ezt meg.
A népszerű Raspberry Pi3 alaplapon van egy GPIO csatlakozó, amelyhez különféle kiterjesztő lapokat lehet csatlakoztatni: érzékelők, LED-ek, léptetőmotor-vezérlők és még sok más. Minden egyes kimenet funkciója a portok konfigurációjától függ. Az GPIO ALT2 konfiguráció lehetővé teszi, hogy a csatlakozó a DPI interfész üzemmódba lépjen, azaz a Display Parallel Interface-be. Léteznek kiterjesztő lapok VGA monitorok csatlakoztatására a DPI-n keresztül. Azonban egyrészt a VGA monitorok már nem annyira elterjedtek, mint az HDMI, másrészt a digitális interfész mindig is jobb volt az analóg interfésznél. Ráadásul a hasonló VGA kiterjesztő lapokon található DAC általában R-2-R láncokból készül, és gyakran nem több mint 6 bit színenként.
ALT2 módban a GPIO csatlakozó lábainak következő értékei vannak:
Itt színeztem az RGB kimeneteket a csatlakozóhoz tartozóan piros, zöld és kék színűre. Más fontos jelek a V-SYNC és H-SYNC szinkronizáló jelek, valamint a CLK. A CLK órajel frekvencia az a frekvencia, amellyel a pixelek értékei megjelennek a csatlakozón, és a kiválasztott videó módjától függ.
Digitális HDMI monitor csatlakoztatásához a DPI interfész jeleit kell elkapni és HDMI jelekké alakítani. Ezt például bármilyen FPGA lappal meg lehet valósítani. Kiderült, hogy a Mars Rover2rpi lap megfelelő erre a célra. Az igazat megvallva, ennek a lapnak a speciális adapterrel való csatlakoztatásának fő verziója így néz ki:
Ez a lap a GPIO portok számának növelésére és több perifériás eszköz csatlakoztatására szolgál a Raspberry-hez. Ugyanakkor 4 GPIO jel a JTAG jeleként van használva, így a Raspberry-ből származó program tudja betölteni az FPGA firmware-t a PLIS-be. Emiatt ez a beépített csatlakozás számomra nem megfelelő, mert 4 DPI jel kiesik. Szerencsére a lapon található további csatlakozók Raspberry-kompatibilisek. Tehát 90 fokkal elforgathatom a lapot, és még mindig csatlakoztathatom a Raspberrymhez:
Természetesen külső JTAG programozót kell használnom, de ez nem probléma.
Van egy kis probléma. Nem minden FPGA kimenet használható órajeleként. Van néhány dedikált láb, amit erre a célra használhatunk. Így alakult, hogy a GPIO_0 CLK jel nem kerül be az FPGA bemenetére, amelyet órajelként lehetne használni. Ezért végül egy vezetéket kellett a deszkára csatlakoztatnom. A GPIO_0-t összekötöm a KEY[1] jelével a tervezőlapján:
Most mesélek egy kicsit a FPGA projektjéről. A HDMI jelek létrehozásának alapvető nehézsége a nagyon magas frekvenciák. Ha megnézzük a HDMI csatlakozó lábkiosztását, láthatjuk, hogy az RGB jelek most már soros differenciális jelek:
A differenciális jelek használata segít a közös impulzusok kiszűrésében a transmissziós vonalakon. Ekkor az eredeti nyolcbites végeredmény minden színjelhez 10-bites TMDS (Transition-minimized differential signaling) jellé alakul. Ez egy különleges kódolási mód, amely eltávolítja a konstans komponenst a jelből, és minimalizálja a jelswitch-ek számát a differenciális vonalon. Mivel egy szín bájtjának átadásához most már 10 bitet kell küldeni a soros vonalon, a soros átalakító órajele 10-szer nagyobb kell legyen, mint a pixel órajele. Például, ha megvizsgáljuk a 1280x720 60Hz videó módot, a pixel frekvenciája 74,25 MHz. A soros átalakítónak 742,5 MHz-nek kell lennie.
A normál FPGA-k sajnos nem képesek erre. De szerencsénkre az FPGA-kban beépített DDIO kimenetek találhatók. Ezek olyan kimenetek, amelyek már mint a 2-ből-1-be soros átalakítók működnek. Tehát a FPGA projektben nem 740 MHz-et, hanem 370 MHz-et használhatunk, de aktiválni kell a DDIO kimeneteket az FPGA-ban. Ez a 370 MHz már egy elérhető frekvencia. Sajnos a 1280×720 a határ. Ennél nagyobb felbontást nem érhetünk el a Marsjáró2 rpi-deszkán telepített Cyclone IV FPGA-n.
Tehát a projektben aCLK pixel órajel belép a PLL-be, ahol 5-szörösére emelik. Ezen a frekvencián az R, G, B bájtokat bitpárokká alakítják. Ezt a TMDS kódoló végzi. A Verilog HDL forráskód így néz ki:
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
Ezután a kimeneti párok a DDIO kimenetre kerülnek, amely folyamatosan egy bitet ad ki az emelkedő és a süllyedő él mentén.
A DDIO-t a következő Verilog kóddal lehetne leírni:
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;
endmoduleDe ha így dolgozunk, valószínűleg nem fog működni. Használni kell az alternatív ALTDDIO_OUT megafunkciót az DDIO kimeneti elemek tényleges aktiválásához. A projektomban pontosan az ALTDDIO_OUT könyvtári komponenst használom.
Talán ez az egész egy kicsit bonyolultnak tűnik, de működik.
A Verilog HDL nyelven írt teljes forráskódot itt lehet megnézni .
A FPGA-ra írt lefordított firmware az EPCS chipbe kerül, amely a Mars Rover2rpi lapkán található. Így amikor áramot adunk a FPGA lapkának, a FPGA a flash memóriából inicializálódik és elindul.
Most egy kicsit meséljünk a Raspberry konfigurációjáról.
Kísérleteket végzek a Raspberry PI OS (32 bites), a Debian Buster alapjain, 2020 augusztusi verzióval,
Megjelenés dátuma: 2020-08-20, Kernel verzió: 5.4.
Két dolgot kell csinálni:
- szerkeszteni a config.txt fájlt;
- létrehozni a X szerver konfigurációját, hogy két monitort használjunk.
A /boot/config.txt fájl szerkesztése során:
- ki kell kapcsolni az i2c, i2s, spi használatát;
- bekapcsolni DPI módot a dtoverlay=dpi24 overlay segítségével;
- beállítani a 1280×720 60Hz, 24 bit pixel video módot a DPI-n;
- meg kell adni a szükséges frame buffer-ek számát 2 (max_framebuffers=2, csak így jelenik meg a második eszköz /dev/fb1)
A config.txt fájl teljes szövege így néz ki.
# 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
Ezután létre kell hozni egy konfigurációs fájlt a X szerver számára, hogy a két monitort a két frame buffer-en /dev/fb0 és /dev/fb1 használhassuk:
A konfigurációs fájlom /usr/share/x11/xorg.conf.d/60-dualscreen.conf a következő:
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
Nos, ha még nincs telepítve, akkor telepíteni kell a Xineramát. Így a munkaterület teljes mértékben kiterjed a két monitorra, ahogy az a fenti demó videón látható.
Nos, talán ennyi. Most már a Raspberry Pi3 tulajdonosai is használhatják a két monitort.
A Marsjáró2rpi lap leírását és ábráját .
Forrás: habr.com
