🥇 DPI इन्टरफेस र FPGA बोर्ड मार्फत Raspberry Pi3 मा दोस्रो HDMI मोनिटर

यो भिडियोले देखाउँछ: रास्पबेरी Pi3 बोर्ड, जसमा, GPIO कनेक्टर मार्फत, FPGA मार्स रोभर2rpi (साइक्लोन IV) बोर्ड जडान गरिएको छ, जसमा HDMI मनिटर जडान गरिएको छ। दोस्रो मनिटर मानक रास्पबेरी Pi3 HDMI कनेक्टर मार्फत जडान गरिएको छ। सबै सँगै यो एक दोहोरो मनिटर प्रणाली जस्तै काम गर्दछ।

अर्को म तपाईलाई बताउनेछु कि यो कसरी लागू हुन्छ।

लोकप्रिय Raspberry Pi3 बोर्डमा GPIO कनेक्टर छ जसको माध्यमबाट तपाईं विभिन्न विस्तार बोर्डहरू जडान गर्न सक्नुहुन्छ: सेन्सरहरू, LEDs, स्टेपर मोटर चालकहरू र अधिक। कनेक्टरमा प्रत्येक पिनको विशिष्ट प्रकार्य पोर्ट कन्फिगरेसनमा निर्भर गर्दछ। GPIO ALT2 कन्फिगरेसनले तपाईंलाई कनेक्टरलाई DPI इन्टरफेस मोड, डिस्प्ले समानान्तर इन्टरफेसमा स्विच गर्न अनुमति दिन्छ। DPI मार्फत VGA मनिटरहरू जडान गर्नको लागि विस्तार बोर्डहरू छन्। यद्यपि, पहिलो, VGA मोनिटरहरू अब HDMI जत्तिकै सामान्य छैनन्, र दोस्रो, डिजिटल इन्टरफेस एनालग भन्दा राम्रो हुँदैछ। यसबाहेक, यस्तो VGA विस्तार कार्डहरूमा DAC सामान्यतया R-2-R चेनहरूको रूपमा बनाइन्छ र प्रायः 6 बिट प्रति रंग भन्दा बढी हुँदैन।

ALT2 मोडमा, GPIO कनेक्टरको पिनको निम्न अर्थ हुन्छ:

यहाँ मैले कनेक्टरको RGB पिनलाई क्रमशः रातो, हरियो र नीलो रंग दिएँ। अन्य महत्त्वपूर्ण संकेतहरू V-SYNC र H-SYNC स्वीप सिंक संकेतहरू, साथै CLK हुन्। CLK घडी आवृत्ति भनेको पिक्सेल मानहरू कनेक्टरमा आउटपुट हुने आवृत्ति हो र चयन गरिएको भिडियो मोडमा निर्भर हुन्छ।

डिजिटल HDMI मनिटर जडान गर्न, तपाईंले DPI इन्टरफेस संकेतहरू खिच्न र तिनीहरूलाई HDMI संकेतहरूमा रूपान्तरण गर्न आवश्यक छ। यो गर्न सकिन्छ, उदाहरणका लागि, कुनै पनि FPGA बोर्ड प्रयोग गरेर। यो बाहिर गएको रूपमा, Mars Rover2rpi बोर्ड यस उद्देश्यको लागि उपयुक्त छ। साँच्चै, एक विशेष एडाप्टर मार्फत यो बोर्ड जडान लागि मुख्य विकल्प यस्तो देखिन्छ:

यो बोर्ड GPIO पोर्टहरूको संख्या बढाउन र रास्पबेरीमा थप बाह्य उपकरणहरू जडान गर्न प्रयोग गरिन्छ। एकै समयमा, यस जडानसँग 4 GPIO संकेतहरू JTAG संकेतहरूको लागि प्रयोग गरिन्छ, ताकि वितरणबाट कार्यक्रमले FPGA फर्मवेयरलाई FPGA मा लोड गर्न सक्छ। यस कारणले गर्दा, यस्तो नियमित जडान मलाई उपयुक्त छैन, 4 DPI संकेतहरू छोड्छन्। सौभाग्य देखि, बोर्डमा अतिरिक्त कम्ब्समा रास्पबेरी-कम्प्याटिबल पिनआउट छ। ताकि म बोर्डलाई 90 डिग्री घुमाउन सक्छु र अझै यसलाई मेरो रास्पबेरीमा जडान गर्न सक्छु:

अवश्य पनि, तपाईंले बाह्य JTAG प्रोग्रामर प्रयोग गर्नुपर्नेछ, तर यो समस्या होइन।

अझै पनि सानो समस्या छ। प्रत्येक FPGA पिन घडी इनपुटको रूपमा प्रयोग गर्न सकिँदैन। त्यहाँ केवल केहि समर्पित पिनहरू छन् जुन यस उद्देश्यको लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ। त्यसैले यो यहाँ बाहिर भयो कि GPIO_0 CLK सिग्नल FPGA इनपुटमा पुग्दैन, जुन FPGA घडी इनपुटको रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ। त्यसोभए सबै उस्तै, मैले स्कार्फमा एउटा पोस्टिंग फाल्नुपर्छ। म बोर्डको GPIO_0 र KEY[1] सिग्नल जडान गर्छु:

अब म तपाईंलाई FPGA मा परियोजना बारे थोरै बताउनेछु। HDMI संकेत को गठन मा मुख्य कठिनाई धेरै उच्च आवृत्तिहरु छ। HDMI कनेक्टरको पिनआउटमा हेर्दै, तपाईंले RGB संकेतहरू अब क्रमिक भिन्नता संकेतहरू देख्न सक्नुहुन्छ:

विभेदक संकेतको प्रयोगले तपाईंलाई प्रसारण लाइनमा सामान्य मोड शोरसँग सम्झौता गर्न अनुमति दिन्छ। यस अवस्थामा, प्रत्येक रङ संकेतको मूल आठ-बिट कोड १०-बिट TMDS (ट्रान्जिसन-मिनिमाइज्ड डिफरेंशियल सिग्नलिङ) मा रूपान्तरण हुन्छ। यो सिग्नलबाट DC कम्पोनेन्ट हटाउन र विभेद रेखामा सिग्नल स्विचिङ कम गर्नको लागि विशेष सङ्केतन विधि हो। सिरियल लाइनमा प्रति बाइट रङ ट्रान्समिट गर्न 10 बिटहरू भएकाले, यो सिरियलाइजरको घडी फ्रिक्वेन्सी पिक्सेलको घडी आवृत्ति भन्दा 10 गुणा बढी हुनुपर्छ। यदि हामीले भिडियो मोड 10x1280 720Hz लाई उदाहरणका लागि लियौं भने, यस मोडको पिक्सेल फ्रिक्वेन्सी 60MHz हो। सिरियलाइजर ७४२.५ मेगाहर्ट्ज हुनुपर्छ।

परम्परागत FPGAs सामान्यतया यो गर्न सक्षम छैनन्, दुर्भाग्यवश। यद्यपि, हाम्रो भाग्यमा, FPGA सँग निर्मित DDIO पिनहरू छन्। यी निष्कर्षहरू हुन् जुन पहिले नै छन्, जस्तै यो थियो, २-देखि-१ सिरियलाइजरहरू। अर्थात्, तिनीहरूले बढ्दो र घट्दो घडी फ्रिक्वेन्सीहरूसँग अनुक्रममा दुई बिटहरू आउटपुट गर्न सक्छन्। यसको मतलब यो हो कि FPGA प्रोजेक्टमा तपाईंले 2 MHz होइन, तर 1 MHz प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ, तर तपाईंले FPGA मा DDIO आउटपुट तत्वहरू प्रयोग गर्न आवश्यक छ। यहाँ 740 मेगाहर्ट्ज पहिले नै एक प्राप्त फ्रिक्वेन्सी हो। दुर्भाग्यवश, 370x370 मोड सीमा हो। Rover1280rpi बोर्डमा स्थापित हाम्रो FPGA चक्रवात IV मा उच्च रिजोल्युसन प्राप्त गर्न सकिँदैन।

त्यसोभए, परियोजनामा, इनपुट पिक्सेल फ्रिक्वेन्सी CLK PLL लाई खुवाइन्छ, जहाँ यसलाई 5 ले गुणन गरिन्छ। यस फ्रिक्वेन्सीमा, R, G, B बाइटहरू बिट जोडीहरूमा रूपान्तरण हुन्छन्। यो TMDS एन्कोडरले गर्छ। Verilog HDL मा स्रोत कोड यस्तो देखिन्छ:

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

त्यसपछि आउटपुट जोडीहरू DDIO आउटपुटमा खुवाइन्छ, जसले क्रमशः वृद्धि र गिरावटमा एक-बिट संकेत उत्पादन गर्दछ।

DDIO आफैलाई Verilog कोडसँग यसरी वर्णन गर्न सकिन्छ:

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

तर यो सम्भवतः यस तरिकाले काम गर्दैन। DDIO आउटपुट तत्वहरू वास्तवमा प्रयोग गर्न तपाईंले Altera को ALTDIO_OUT मेगाफंक्शन प्रयोग गर्न आवश्यक छ। मेरो परियोजनामा, पुस्तकालय कम्पोनेन्ट ALTDIO_OUT प्रयोग गरिन्छ।

यो सबै थोरै कठिन लाग्न सक्छ, तर यसले काम गर्दछ।

तपाईंले Verilog HDL मा लेखिएको सम्पूर्ण स्रोत कोड हेर्न सक्नुहुन्छ यहाँ github मा.

FPGA का लागि कम्पाइल गरिएको फर्मवेयर मार्स रोभर2rpi बोर्डमा स्थापित EPCS चिपमा इम्बेड गरिएको छ। यसरी, जब शक्ति FPGA बोर्डमा लागू हुन्छ, FPGA फ्लैश मेमोरीबाट सुरु हुनेछ र सुरु हुनेछ।

अब हामी रास्पबेरी को कन्फिगरेसन को बारे मा थोरै कुरा गर्न आवश्यक छ।

म डेबियन बस्टर, संस्करण: अगस्त २०२० मा आधारित रास्पबेरी पीआई ओएस (३२ बिट) मा प्रयोग गर्दैछु।
रिलीज मिति: 2020-08-20, कर्नेल संस्करण: 5.4।

तपाईंले दुई चीजहरू गर्न आवश्यक छ:

config.txt फाइल सम्पादन गर्नुहोस्;
दुई मोनिटरहरूसँग काम गर्न X सर्भर कन्फिगरेसन सिर्जना गर्नुहोस्।

/boot/config.txt फाइल सम्पादन गर्दा, तपाईंले:

i2c, i2s, spi को प्रयोग असक्षम पार्नुहोस्;
ओभरले dtoverlay=dpi24 सँग DPI मोड सक्षम गर्नुहोस्;
भिडियो मोड सेट गर्नुहोस् 1280×720 60Hz, 24 बिट प्रति बिन्दु प्रति DPI;
फ्रेमबफर २ को आवश्यक संख्या निर्दिष्ट गर्नुहोस् (max_framebuffers=2, त्यसपछि मात्र दोस्रो यन्त्र /dev/fb2 देखा पर्नेछ)

config.txt फाइलको पूर्ण पाठ यस्तो देखिन्छ।

# 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

त्यस पछि, तपाइँले X सर्भरको लागि दुई फ्रेमबफर /dev/fb0 र /dev/fb1 मा दुई मोनिटरहरू प्रयोग गर्न कन्फिगरेसन फाइल सिर्जना गर्न आवश्यक छ:

मेरो कन्फिगरेसन फाइल हो /usr/share/x11/xorg.conf.d/60-dualscreen.conf यसरी

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

ठीक छ, यदि पहिले नै स्थापित छैन भने, त्यसपछि तपाइँ Xinerama स्थापना गर्न आवश्यक छ। त्यसपछि डेस्कटप स्पेस पूर्ण रूपमा दुई मोनिटरहरूमा विस्तार गरिनेछ, जस्तै माथिको डेमो भिडियोमा देखाइएको छ।

सायद यति नै हो। अब, रास्पबेरी Pi3 मालिकहरूले दुई मोनिटरहरू प्रयोग गर्न सक्षम हुनेछन्।

Mars Rover2rpi बोर्डको विवरण र रेखाचित्र हुन सक्छ यहाँ हेर्नुहोस्.

स्रोत: www.habr.com

दोस्रो HDMI मनिटर DPI इन्टरफेस र FPGA बोर्ड मार्फत Raspberry Pi3 मा