Втор HDMI монитор на Raspberry Pi3 преку DPI интерфејс и FPGA плоча

Ова видео покажува: плочка Raspberry Pi3, поврзана со неа преку GPIO конекторот е FPGA плоча Mars Rover2rpi (Cyclone IV), на која е поврзан HDMI монитор. Вториот монитор е поврзан преку стандардниот HDMI конектор на Raspberry Pi3. Сè работи заедно како систем со двоен монитор.

Следно ќе ви кажам како се спроведува ова.

Популарната плочка Raspberry Pi3 има GPIO конектор преку кој можете да поврзете различни картички за проширување: сензори, LED диоди, драјвери за степер мотори и многу повеќе. Точната функција на секој пин на конекторот зависи од конфигурацијата на портата. Конфигурацијата GPIO ALT2 ви овозможува да го префрлите конекторот во режим на интерфејс DPI, Прикажи паралелен интерфејс. Постојат картички за проширување за поврзување на VGA монитори преку DPI. Сепак, прво, VGA мониторите веќе не се толку вообичаени како HDMI, и второ, дигиталниот интерфејс е сè подобар од аналогниот. Згора на тоа, DAC на таквите плочи за проширување на VGA обично се прави во форма на R-2-R синџири и често не повеќе од 6 бита по боја.

Во режимот ALT2, пиновите на конекторот GPIO го имаат следново значење:

Овде ги обоив RGB пиновите на конекторот црвено, зелено и сино соодветно. Други важни сигнали се сигналите V-SYNC и H-SYNC, како и CLK. Фреквенцијата на часовникот CLK е фреквенцијата на која вредностите на пиксели се емитуваат на конекторот; тоа зависи од избраниот режим на видео.

За да поврзете дигитален HDMI монитор, треба да ги снимите DPI сигналите на интерфејсот и да ги претворите во HDMI сигнали. Ова може да се направи, на пример, со користење на некој вид FPGA плоча. Како што се испоставува, плочката Mars Rover2rpi е погодна за овие цели. За волја на вистината, главната опција за поврзување на оваа плоча преку специјален адаптер изгледа вака:

Оваа плоча се користи за зголемување на бројот на GPIO порти и за поврзување на повеќе периферни уреди со raspberry. Во исто време, 4 GPIO сигнали со оваа врска се користат за JTAG сигнали, така што програмата од Raspberry може да го вчита фирмверот FPGA во FPGA. Поради ова, оваа стандардна врска не ми одговара; 4 DPI сигнали испаѓаат. За среќа, дополнителните чешли на таблата имаат пинут компатибилен со Raspberry. Така, можам да ја ротирам таблата за 90 степени и сепак да ја поврзам со мојата малина:

Секако, ќе мора да користите надворешен JTAG програмер, но тоа не е проблем.

Се уште има мал проблем. Не секој FPGA пин може да се користи како влезен часовник. Има само неколку посветени иглички кои можат да се користат за овие цели. Така, овде се покажа дека сигналот GPIO_0 CLK не го достигнува влезот FPGA, кој може да се користи како влез на часовникот FPGA. Така, сепак морав да ставам една жица на шалот. Ги поврзувам GPIO_0 и сигналот KEY[1] на таблата:

Сега ќе ви кажам малку за проектот FPGA. Главната тешкотија во генерирањето HDMI сигнали се многу високите фреквенции. Ако го погледнете приклучокот за HDMI конекторот, можете да видите дека RGB сигналите сега се сериски диференцијални сигнали:

Употребата на диференцијален сигнал ви овозможува да се борите со пречки на заедничкиот режим на далноводот. Во овој случај, оригиналниот осум-битен код на секој сигнал во боја се претвора во 10-битна TMDS (минимизирана диференцијална сигнализација со транзиција). Ова е специјален метод за кодирање за отстранување на DC компонентата од сигналот и минимизирање на префрлувањето на сигналот во диференцијалната линија. Бидејќи 10 бита сега треба да се пренесат преку сериската линија за еден бајт боја, излегува дека брзината на часовникот на серијализацијата мора да биде 10 пати поголема од брзината на часовникот на пикселите. Ако го земеме на пример видео режимот 1280x720 60Hz, тогаш фреквенцијата на пиксели на овој режим е 74,25 MHz. Серијизаторот треба да биде 742,5 MHz.

Редовните FPGA, за жал, не се способни за ова. Сепак, за наша среќа, FPGA има вградени DDIO пинови. Ова се заклучоци кои се веќе, како да се, серијализатори 2-на-1. Тоа е, тие можат да излезат два бита последователно на растечките и опаѓачките рабови на фреквенцијата на часовникот. Ова значи дека во проект FPGA не можете да користите 740 MHz, туку 370 MHz, но треба да користите DDIO излезни елементи во FPGA. Сега 370 MHz е веќе целосно достижна фреквенција. За жал, режимот 1280x720 е граница. Не може да се постигне поголема резолуција во нашиот Cyclone IV FPGA инсталиран на плочката Mars Rover2rpi.

Значи, во дизајнот, влезната фреквенција на пиксели CLK оди во PLL, каде што се множи со 5. На оваа фреквенција, бајтите R, G, B се претвораат во парови на битови. Ова е она што го прави TMDS енкодерот. Изворниот код во Verilog HDL изгледа вака:

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

Потоа излезните парови се напојуваат на излезот DDIO, кој последователно произведува еднобитен сигнал на рабовите што се издигнуваат и паѓаат.

Самиот DDIO може да се опише со следниот Verilog код:

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

Но, најверојатно нема да функционира на тој начин. Треба да ја користите мегафункцијата на Alter ALTDDIO_OUT за да ги овозможите излезните елементи DDIO. Мојот проект ја користи компонентата на библиотеката ALTDDIO_OUT.

Сето ова може да изгледа малку незгодно, но функционира.

Можете да го видите целиот изворен код напишан во Verilog HDL овде на github.

Компајлираниот фирмвер за FPGA се вклучува во чипот EPCS инсталиран на плочката Mars Rover2rpi. Така, кога напојувањето ќе се примени на FPGA плочата, FPGA ќе се иницијализира од флеш меморијата и ќе стартува.

Сега треба да зборуваме малку за конфигурацијата на самата Малина.

Правам експерименти на Raspberry PI OS (32 битен) базиран на Debian Buster, верзија: август 2020 година,
Датум на издавање: 2020-08-20, верзија на кернелот: 5.4.

Треба да направите две работи:

• уредете ја датотеката config.txt;
• креирајте конфигурација на X сервер за работа со два монитори.

Кога ја уредувате датотеката /boot/config.txt, ви треба:

1. оневозможи употреба на i2c, i2s, spi;
2. овозможете го режимот DPI користејќи преклопување dtoverlay=dpi24;
3. конфигурирајте режим на видео 1280×720 60Hz, 24 бита по пиксел на DPI;
4. наведете го потребниот број на framebuffers 2 (max_framebuffers=2, само тогаш ќе се појави вториот уред /dev/fb1)

Целосниот текст на датотеката config.txt изгледа вака.

# 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

По ова, треба да креирате конфигурациска датотека за серверот X да користи два монитори на два рамковни бафери /dev/fb0 и /dev/fb1:

Мојата конфигурациска датотека /usr/share/x11/xorg.conf.d/60-dualscreen.conf е ваква

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

Па, ако веќе не е инсталиран, тогаш треба да инсталирате Xinerama. Потоа просторот на работната површина ќе биде целосно проширен на два монитори, како што е прикажано во демо видеото погоре.

Веројатно тоа е сè. Сега, сопствениците на Raspberry Pi3 ќе можат да користат два монитори.

Може да се најдат опис и дијаграм на колото на плочката Mars Rover2rpi Погледнете тука.

Извор: www.habr.com