მეორე HDMI მონიტორი Raspberry Pi3-ზე DPI ინტერფეისისა და FPGA დაფის მეშვეობით

ამ ვიდეოში ნაჩვენებია: Raspberry Pi3 დაფა, რომელიც დაკავშირებულია მას GPIO კონექტორის საშუალებით, არის FPGA დაფა Mars Rover2rpi (Cyclone IV), რომელსაც უკავშირდება HDMI მონიტორი. მეორე მონიტორი დაკავშირებულია Raspberry Pi3-ის სტანდარტული HDMI კონექტორის მეშვეობით. ყველაფერი ერთად მუშაობს, როგორც ორმაგი მონიტორის სისტემა.

შემდეგ მე გეტყვით, როგორ ხორციელდება ეს.

პოპულარულ Raspberry Pi3 დაფას აქვს GPIO კონექტორი, რომლის მეშვეობითაც შეგიძლიათ დააკავშიროთ სხვადასხვა გაფართოების ბარათები: სენსორები, LED-ები, სტეპერ ძრავის დრაივერები და მრავალი სხვა. კონექტორზე თითოეული პინის ზუსტი ფუნქცია დამოკიდებულია პორტის კონფიგურაციაზე. GPIO ALT2 კონფიგურაცია საშუალებას გაძლევთ გადართოთ კონექტორი DPI ინტერფეისის რეჟიმში, ეკრანის პარალელური ინტერფეისი. არსებობს გაფართოების ბარათები VGA მონიტორების DPI-ით დასაკავშირებლად. თუმცა, ჯერ ერთი, VGA მონიტორები აღარ არის ისეთივე გავრცელებული, როგორც HDMI და მეორეც, ციფრული ინტერფეისი სულ უფრო უკეთესია, ვიდრე ანალოგური. უფრო მეტიც, DAC ასეთ VGA გაფართოების დაფებზე ჩვეულებრივ მზადდება R-2-R ჯაჭვების სახით და ხშირად არაუმეტეს 6 ბიტი თითო ფერში.

ALT2 რეჟიმში, GPIO კონექტორის პინებს აქვს შემდეგი მნიშვნელობა:

აქ მე გავაფერადე კონექტორის RGB ქინძისთავები წითელი, მწვანე და ლურჯი, შესაბამისად. სხვა მნიშვნელოვანი სიგნალებია V-SYNC და H-SYNC სიგნალები, ასევე CLK. CLK საათის სიხშირე არის სიხშირე, რომლითაც პიქსელის მნიშვნელობები გამოდის კონექტორზე; ეს დამოკიდებულია არჩეულ ვიდეო რეჟიმზე.

ციფრული HDMI მონიტორის დასაკავშირებლად, თქვენ უნდა გადაიღოთ ინტერფეისის DPI სიგნალები და გადაიყვანოთ ისინი HDMI სიგნალებად. ეს შეიძლება გაკეთდეს, მაგალითად, რაიმე სახის FPGA დაფის გამოყენებით. როგორც ირკვევა, Mars Rover2rpi დაფა შესაფერისია ამ მიზნებისათვის. სინამდვილეში, ამ დაფის დაკავშირების ძირითადი ვარიანტი სპეციალური ადაპტერის საშუალებით ასე გამოიყურება:

ეს დაფა გამოიყენება GPIO პორტების რაოდენობის გასაზრდელად და მეტი პერიფერიული მოწყობილობების ჟოლოს დასაკავშირებლად. ამავდროულად, ამ კავშირით 4 GPIO სიგნალი გამოიყენება JTAG სიგნალებისთვის, რათა Raspberry-ის პროგრამამ შეძლოს FPGA firmware ჩატვირთვა FPGA-ში. ამის გამო, ეს სტანდარტული კავშირი არ მაწყობს; 4 DPI სიგნალი იშლება. საბედნიეროდ, დაფაზე დამატებით სავარცხლებს აქვს Raspberry-თან თავსებადი პინი. ასე რომ, შემიძლია დავატრიალო დაფა 90 გრადუსით და მაინც დავუკავშირო ის ჩემს ჟოლოს:

რა თქმა უნდა, მოგიწევთ გარე JTAG პროგრამისტის გამოყენება, მაგრამ ეს არ არის პრობლემა.

ჯერ კიდევ არის პატარა პრობლემა. ყველა FPGA პინი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას საათის შეყვანად. არსებობს მხოლოდ რამდენიმე გამოყოფილი პინი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ამ მიზნებისათვის. ასე რომ, აქ აღმოჩნდა, რომ GPIO_0 CLK სიგნალი არ აღწევს FPGA შეყვანას, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც FPGA საათის შეყვანა. ამიტომ შარფზე ერთი მავთული მაინც მომიწია. მე ვაკავშირებ GPIO_0-ს და დაფის KEY[1] სიგნალს:

ახლა მე გეტყვით ცოტას FPGA პროექტის შესახებ. HDMI სიგნალების გენერირების მთავარი სირთულე არის ძალიან მაღალი სიხშირეები. თუ დააკვირდებით HDMI კონექტორის პინინგს, ხედავთ, რომ RGB სიგნალები ახლა სერიული დიფერენციალური სიგნალებია:

დიფერენციალური სიგნალის გამოყენება საშუალებას გაძლევთ ებრძოლოთ გადამცემ ხაზზე საერთო რეჟიმის ჩარევას. ამ შემთხვევაში, თითოეული ფერადი სიგნალის ორიგინალური რვა ბიტიანი კოდი გარდაიქმნება 10-ბიტიან TMDS-ად (ტრანზიციის მინიმიზებული დიფერენციალური სიგნალიზაცია). ეს არის სპეციალური კოდირების მეთოდი DC კომპონენტის სიგნალიდან ამოსაღებად და დიფერენციალურ ხაზზე სიგნალის გადართვის მინიმუმამდე შესამცირებლად. ვინაიდან 10 ბიტი ახლა სერიულ ხაზზე უნდა გადაიცეს ერთი ბაიტი ფერისთვის, გამოდის, რომ სერიალიზატორის საათის სიჩქარე 10-ჯერ მეტი უნდა იყოს პიქსელის საათის სიჩქარეზე. თუ მაგალითად ავიღებთ ვიდეო რეჟიმს 1280x720 60Hz, მაშინ ამ რეჟიმის პიქსელის სიხშირეა 74,25 MHz. სერიალიზატორი უნდა იყოს 742,5 MHz.

რეგულარულ FPGA-ებს, სამწუხაროდ, ეს არ შეუძლიათ. თუმცა, ჩვენთვის საბედნიეროდ, FPGA-ს აქვს ჩაშენებული DDIO ქინძისთავები. ეს არის დასკვნები, რომლებიც უკვე, როგორც ეს იყო, 2-დან 1-ის სერიალებია. ანუ, მათ შეუძლიათ ორი ბიტი თანმიმდევრულად გამოიტანონ საათის სიხშირის ამომავალ და დავარდნილ კიდეებზე. ეს ნიშნავს, რომ FPGA პროექტში შეგიძლიათ გამოიყენოთ არა 740 MHz, არამედ 370 MHz, მაგრამ თქვენ უნდა გამოიყენოთ DDIO გამომავალი ელემენტები FPGA-ში. ახლა 370 MHz უკვე სრულიად მიღწევადი სიხშირეა. სამწუხაროდ, 1280x720 რეჟიმი არის ლიმიტი. უფრო მაღალი გარჩევადობის მიღწევა შეუძლებელია ჩვენი Cyclone IV FPGA დაყენებული Mars Rover2rpi დაფაზე.

ასე რომ, დიზაინში, შეყვანის პიქსელის სიხშირე CLK მიდის PLL-ზე, სადაც ის მრავლდება 5-ზე. ამ სიხშირეზე R, G, B ბაიტები გარდაიქმნება ბიტ წყვილებად. ამას აკეთებს TMDS შიფრატორი. წყაროს კოდი Verilog HDL-ში ასე გამოიყურება:

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

შემდეგ გამომავალი წყვილები მიეწოდება DDIO გამომავალს, რომელიც თანმიმდევრულად წარმოქმნის ერთ ბიტიან სიგნალს ამომავალ და დავარდნილ კიდეებზე.

თავად DDIO შეიძლება აღწერილი იყოს შემდეგი Verilog კოდით:

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

მაგრამ დიდი ალბათობით ეს ასე არ იმუშავებს. თქვენ უნდა გამოიყენოთ Alter-ის მეგაფუნქცია ALTDDIO_OUT, რომ რეალურად ჩართოთ DDIO გამომავალი ელემენტები. ჩემი პროექტი იყენებს ALTDDIO_OUT ბიბლიოთეკის კომპონენტს.

ეს ყველაფერი შეიძლება ცოტა რთული ჩანდეს, მაგრამ მუშაობს.

თქვენ შეგიძლიათ ნახოთ Verilog HDL-ში დაწერილი ყველა წყაროს კოდი აქ github-ზე.

FPGA-სთვის შედგენილი პროგრამული უზრუნველყოფა ჩართულია EPCS ჩიპში, რომელიც დაინსტალირებულია Mars Rover2rpi დაფაზე. ამრიგად, FPGA დაფაზე ელექტროენერგიის გამოყენებისას, FPGA ინიციალიზდება ფლეშ მეხსიერებიდან და დაიწყება.

ახლა ჩვენ ცოტა უნდა ვისაუბროთ თავად Raspberry-ის კონფიგურაციაზე.

მე ვაკეთებ ექსპერიმენტებს Raspberry PI OS-ზე (32 ბიტიანი) Debian Buster-ის საფუძველზე, ვერსია: აგვისტო 2020,
გამოშვების თარიღი: 2020-08-20, ბირთვის ვერსია: 5.4.

თქვენ უნდა გააკეთოთ ორი რამ:

• config.txt ფაილის რედაქტირება;
• შექმენით X სერვერის კონფიგურაცია ორ მონიტორთან მუშაობისთვის.

/boot/config.txt ფაილის რედაქტირებისას გჭირდებათ:

1. გამორთეთ i2c, i2s, spi-ების გამოყენება;
2. DPI რეჟიმის ჩართვა გადაფარვის გამოყენებით dtoverlay=dpi24;
3. ვიდეო რეჟიმის კონფიგურაცია 1280×720 60Hz, 24 ბიტი თითო პიქსელზე DPI-ზე;
4. მიუთითეთ ფრეიმბუფერის საჭირო რაოდენობა 2 (max_framebuffers=2, მხოლოდ ამის შემდეგ გამოჩნდება მეორე მოწყობილობა /dev/fb1)

config.txt ფაილის სრული ტექსტი ასე გამოიყურება.

# 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

ამის შემდეგ, თქვენ უნდა შექმნათ კონფიგურაციის ფაილი X სერვერისთვის, რომ გამოიყენოს ორი მონიტორი ორ ფრემბუფერზე /dev/fb0 და /dev/fb1:

ჩემი კონფიგურაციის ფაილი /usr/share/x11/xorg.conf.d/60-dualscreen.conf ასეთია

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

კარგად, თუ ის უკვე არ არის დაინსტალირებული, მაშინ თქვენ უნდა დააინსტალიროთ Xinerama. შემდეგ დესკტოპის სივრცე სრულად გაფართოვდება ორ მონიტორზე, როგორც ნაჩვენებია ზემოთ მოცემულ დემო ვიდეოში.

ალბათ სულ ესაა. ახლა Raspberry Pi3-ის მფლობელებს ორი მონიტორის გამოყენება შეეძლებათ.

Mars Rover2rpi დაფის აღწერა და მიკროსქემის დიაგრამა შეგიძლიათ იხილოთ ნახე აქ.

წყარო: www.habr.com