🥇DPI インターフェイスと FPGA ボードを介して Raspberry Pi3 に XNUMX 台目の HDMI モニターを接続

このビデオでは、GPIO コネクタを介して Raspberry Pi3 ボードに接続された FPGA ボード Mars Rover2rpi (Cyclone IV) に HDMI モニターが接続されていることが示されています。 3 番目のモニターは、Raspberry PiXNUMX の標準 HDMI コネクタ経由で接続されます。すべてがデュアルモニターシステムのように連携して動作します。

次に、これがどのように実装されるかを説明します。

人気の Raspberry Pi3 ボードには GPIO コネクタがあり、センサー、LED、ステッピングモータードライバーなどのさまざまな拡張カードを接続できます。コネクタの各ピンの正確な機能は、ポート構成によって異なります。 GPIO ALT2 構成により、コネクタを DPI インターフェイスモード、ディスプレイパラレルインターフェイスに切り替えることができます。 DPI 経由で VGA モニターを接続するための拡張カードがあります。しかし、第一に、VGA モニターはもはや HDMI ほど一般的ではなくなっており、第二に、デジタルインターフェイスはアナログインターフェイスよりもますます優れています。さらに、このような VGA 拡張ボード上の DAC は通常、R-2-R チェーンの形式で作成され、多くの場合 6 色あたり XNUMX ビット以下です。

ALT2 モードでは、GPIO コネクタピンは次の意味を持ちます。

ここでは、コネクタの RGB ピンをそれぞれ赤、緑、青に色付けしました。その他の重要な信号は、CLK と同様に、V-SYNC 信号と H-SYNC 信号です。 CLK クロック周波数は、ピクセル値がコネクタに出力される周波数であり、選択したビデオモードによって異なります。

デジタル HDMI モニターを接続するには、インターフェイスの DPI 信号をキャプチャし、HDMI 信号に変換する必要があります。これは、たとえば、ある種の FPGA ボードを使用して実行できます。結局のところ、Mars Rover2rpi ボードはこれらの目的に適していることがわかります。実際、特別なアダプターを介してこのボードを接続するための主なオプションは次のようになります。

このボードは、GPIO ポートの数を増やし、より多くの周辺デバイスをラズベリーに接続するために使用されます。同時に、この接続の 4 つの GPIO 信号が JTAG 信号に使用されるため、Raspberry からのプログラムが FPGA ファームウェアを FPGA にロードできるようになります。そのため、この標準接続は私には合わず、4 DPI 信号がドロップアウトします。幸いなことに、ボード上の追加のコームには Raspberry 互換のピン配置があります。したがって、ボードを 90 度回転しても、ラズベリーに接続できます。

もちろん、外部 JTAG プログラマを使用する必要がありますが、これは問題ありません。

まだ小さな問題が残っています。すべての FPGA ピンをクロック入力として使用できるわけではありません。これらの目的に使用できる専用ピンは少数しかありません。ここで、GPIO_0 CLK 信号が FPGA クロック入力として使用できる FPGA 入力に到達していないことがわかりました。したがって、スカーフにワイヤーを0本取り付ける必要がありました。 GPIO_1 とボードの KEY[XNUMX] 信号を接続します。

ここで、FPGA プロジェクトについて少し説明します。 HDMI 信号を生成する際の主な問題は、周波数が非常に高いことです。 HDMI コネクタのピン配置を見ると、RGB 信号がシリアル差動信号になっていることがわかります。

差動信号を使用すると、伝送ライン上のコモンモード干渉に対処できます。この場合、各色信号の元の 10 ビットコードは 10 ビットの TMDS (Transition-minimized Differential Signaling) に変換されます。これは、信号から DC 成分を除去し、差動ラインでの信号の切り替えを最小限に抑えるための特別なコーディング方法です。 10 バイトのカラーに対して 1280 ビットをシリアルライン経由で送信する必要があるため、シリアライザのクロック速度はピクセルクロック速度の 720 倍でなければならないことがわかります。たとえば、ビデオモード 60x74,25 742,5Hz の場合、このモードのピクセル周波数は XNUMX MHz です。シリアライザは XNUMX MHz である必要があります。

残念ながら、通常の FPGA にはこれができません。ただし、幸いなことに、FPGA には DDIO ピンが組み込まれています。これらは、いわば、すでに 2 対 1 シリアライザーである結論です。つまり、クロック周波数の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジで 740 ビットを連続して出力できます。これは、FPGA プロジェクトでは 370 MHz ではなく 370 MHz を使用できますが、FPGA で DDIO 出力要素を使用する必要があることを意味します。現在、1280 MHz はすでに完全に達成可能な周波数です。残念ながら、720x2 モードが限界です。 Mars RoverXNUMXrpi ボードにインストールされた Cyclone IV FPGA では、より高い解像度を達成することはできません。

したがって、設計では、入力ピクセル周波数 CLK が PLL に送られ、そこで 5 倍にされます。この周波数で、R、G、B バイトがビットペアに変換されます。これが TMDS エンコーダの機能です。 Verilog HDL のソースコードは次のようになります。

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

次に、出力ペアは DDIO 出力に供給され、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジで XNUMX ビットの信号が順次生成されます。

DDIO 自体は、次の Verilog コードで記述できます。

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

しかし、おそらくそのようにはうまくいきません。実際に DDIO 出力要素を有効にするには、Alter のメガファンクション ALTDDIO_OUT を使用する必要があります。私のプロジェクトでは ALTDDIO_OUT ライブラリコンポーネントを使用しています。

これは少し難しく見えるかもしれませんが、うまくいきます。

Verilog HDLで書かれたすべてのソースコードを表示できますここgithubにあります.

FPGA 用にコンパイルされたファームウェアは、Mars Rover2rpi ボードにインストールされている EPCS チップにフラッシュされます。したがって、FPGA ボードに電源が投入されると、FPGA はフラッシュメモリから初期化されて起動します。

次に、Raspberry 自体の構成について少し説明する必要があります。

Debian Buster、バージョン: 32 年 2020 月に基づく Raspberry PI OS (XNUMX ビット) で実験を行っています。
リリース日:2020-08-20、カーネルバージョン:5.4。

これには2つのことがあります：

config.txt ファイルを編集します。
XNUMX つのモニターで動作する X サーバー構成を作成します。

/boot/config.txt ファイルを編集する場合は、次のものが必要です。

i2c、i2s、spi の使用を無効にします。
オーバーレイを使用して DPI モードを有効にする dtoverlay=dpi24;
ビデオモード 1280×720 60Hz、DPI でピクセルあたり 24 ビットを構成します。
必要なフレームバッファ数を指定します 2 (max_framebuffers=2、その場合のみ 1 番目のデバイス /dev/fbXNUMX が表示されます)

config.txt ファイルの全文は次のようになります。

# 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

この後、X サーバーが 0 つのフレームバッファ /dev/fb1 および /dev/fbXNUMX で XNUMX つのモニターを使用するように構成ファイルを作成する必要があります。

私の構成ファイル/usr/share/x11/xorg.conf.d/60-dualscreen.confは次のようなものです

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

まだインストールされていない場合は、Xinerama をインストールする必要があります。その後、上のデモビデオに示されているように、デスクトップスペースが XNUMX 台のモニタに完全に拡張されます。

おそらくそれだけです。これで、Raspberry Pi3 の所有者は XNUMX つのモニターを使用できるようになります。

Mars Rover2rpi ボードの説明と回路図が見つかります。ここを見て.

出所： habr.com

DPI インターフェイスと FPGA ボードを介して Raspberry Pi3 に接続する XNUMX 番目の HDMI モニター