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Smart ZYNQ板 工程二十三 用VDMA模块来缓存图像并在HDMI上显示（一）800X600分辨率测试

本文介绍如何在ZYNQ上增加VDMA模块，来作为HDMI 图像的缓存并最终在HDMI 上显示

备注 本节难度有点点大，可能会花个把小时，甚至一到两天时间才能完成，请留意每一个细节

本节内容下的教程是基于vivado2018.3制作的，其他版本请自行设计

另外 为了方便之后教程的演示，这里在设置的过程中也同时打开了SD卡的功能（后续教程会跟进SD卡的数据读取显示功能，这里仅作准备工作）

背景

之前FPGA的HDMI彩色条纹显示的demo是由FPGA部分的逻辑实时生成的，所以数据流是根据RGB的时序直接给到了HDMI的IP模块，整个显示过程未开辟任何缓存，适合比较简单应用的场合。 但是实际的项目中，我们需要对摄像头传递过来的图像进行实时的处理，但图像的处理速度或者摄像头传递图像的速度和FPGA输出显示的速率不同步，所以需要对处理好的帧进行缓存，又或者当我们在PS上跑LINUX需要带高分辨率的图形界面时，或想用PS控制PL端HDMI显示的内容时，这种情况下，需要我们在系统上开辟一个缓存区域以用于图像的暂存用。

FPGA开辟缓存的方式有很多种，1）可以用FPGA芯片内部的资源开辟BLOCKRAM（优点是实现方便，缺点是FPGA内部的资源有限仅仅可以缓存小分辨率图像） 2）可以是FPGA芯片外部连接的 SDRAM, SRAM，纯FPGA连接的DDR，或者ZYNQ的PL部分连接的DDR 3）如果是ZYNQ平台，也可以是PS端的DDR芯片

Smart Zynq板子上硬件电路上有一块256M 16bit (即512MB)的DDR芯片，连接在主芯片的PS部分，也就是上述第三种情况。

PL访问PS上DDR缓存的方式有很多种，其中有一种专门为图像传输而开发的方式是VDMA， 这也就是我们需要用到VDMA的原因

VDMA 用于 AXI Stream 格式的数据 和 Memory Map 格式相互转换， 也就是说 VDMA 提供从 AXI4 域到 AXI4-Stream 域的视频读/写传输功能

芯片内部架构

因为板子上的DDR是直接物理连接到ZYNQ的PS部分上的，所以PS对DDR的访问控制只需要映射DDR的地址，然后对DDR的映射地址进行读写即可，但是如果ZYNQ的PL(FPGA)部分需要访问DDR，则必须要通过AXI_HP端口。

工程创建

接下来用实际工程演示，PS部分通过软件对DDR进行彩色条纹的写入，并使用VDMA模块，让DDR内存中的彩色条纹通过HDMI显示出来

新建一个项目

1）打开Vivado 新建一个项目， 新建一个VIVADO 工程，打开软件 选中Create Project, 如下图所示

2）点击NEXT ，在出现的第二个对话框“Project name”中输入工程名；在“Project location”中选择保存路径；勾选“Create project subdirectory”（默认），最后点击“Next” 备注，所有的路径均不能出现中文名称

3)点击 RTL PROJECT 选项，点击NEXT

4） 第四步Add Sources 选项直接留空，NEXT

5）第五步Add Constraints 选项直接留空，NEXT

6）选择芯片型号 （板子生产了多个芯片型号，请根据自己板子的型号来进行选择，图片中以XC7Z020来举例，其余型号自行选择,必须要按照实际型号去填写）

  • XA7Z020 (直接选择xc7z020CLG400-1，因为系统识别到的是xc7z020-1)
  • XC7Z010-1 (xc7z010CLG400-1) （7010 芯片）
  • XC7Z020-1 (xc7z020CLG400-1) 后续生产
  • XC7Z020-2 (xc7z020CLG400-2) 后续生产

备注 （7020 车规级版在vivado2018.3识别出的是xc7z020，如果工程选择xa7z020 ,在SDK环境下有时候会弹出警告，所以这里直接选择Xc7z020CLG400-1）

7）确认所选信息 点击“Finish”，完成vivado的工程创建

之后 工程就新建好了， vivado 进入到开发界面

Block Design 部分创建

此处需要创建一个ZYNQ CORE ，并在ZYNQ CORE中设置DDR 以及UART等参数

1）创建一个BLOCK设计

2)搜索并添加ZYNQ7 Processing System，添加ZYNQ7 PROCESSING SYSTEM模块

软件自动生成了一个 zynq的block 如下图所示，接下来要做一些相应的设置，双击下图中的ZYNQ核

3） 在zynq中设置DDR功能 ：

依次在弹窗里找到DDR Configuration→DDR Controller Configuration→DDR3，在Memory Part下拉菜单中根据自己板子上的DDR来选择相应的DDR3，本实验所用到型号：MT41K256M16RE-125，数据位宽选择16bit 最后点击“OK”,如下图所示。

4）在ZYNQ中设置时钟功能：

找到 设置项目中的 Clock Configuration 选项， 在PL Fabric Clocks 设置自己需要的时钟频率，这里一共有4种频率可以设置 类似于我们的PLL功能。这里我们设置50M时钟，然后增加FCLK_CLK1 150M（用于AXI4 HP高速接口用）

5) 在PS-PL接口部分，增加 AXI HP 高速接口

6)为了 方便后续 例程的展示，这里增加一个SD的功能（为接下来 TF图片直接在 HDMI 屏上显示做准备工作，本章节用不到）

6)添加一个VDMA模块,搜索并添加VDMA模块，并双击打开这个模块的配置页

虽说本次工程只用到了 VDMA的 读功能，但是为了方便今后的工程拓展，所以这里仍然保留写的部分功能，并且将帧缓存从默认的3（本例程只是静态图的显示 ，如果是动态的图片显示，需要多帧缓存，画面才不会有撕裂感）， 因为我们显示的内容是RGB888，所以 将系统默认的stream Data Width 从32位改成24位。 Line Buffer Depth默认512（只要AXI总线的速率大于显示的数据流的速率，缓存可以改更小），Read Burst Size 修改成64

在系统里增加video out 模块，这个模块的作用是将AXI4-Stream 的数据流转换成标准的RGB888视频格式，可以和我们最后的 HDMI模块DVI_Transmitter的输入接口相对应

参数设置除了clock mode 修改成独立，其余都保留默认值

Clock Mode代表aclk与vid_io_out_clk两个时钟是否同源。因为HDMI 的显示和aclk的输入这里的时钟域并不同（HDMI显示的像素时钟和ACLK的数据流时钟不同），所以这里选择independent。让两个时钟相互独立。

Timing Mode：因为后面我们要用video timing controller 模块来提供视频时序，所以这里选择slave模式

7）添加HDMI 的 DVI 模块

想要驱动HDMI模块，我们还需要用到一个DVI_Transmitter模块（和RGB2DVI模块的功能几乎完全一致，使用方法也几乎一样，其实这里也可以用RGB2DVI替换）

这里为了方便使用，我也把这个IP核下下来放在本站供大家参考

DVI_Transmitter下载

下载下来后进行解压缩

接着在工程中导入刚刚下载下来的IP模块

点击Setting

在弹出的设置窗口，如下图，展开IP选项，选中Packager，在点击里面的加号增加目录，选中DVI_Transmitter的目录，点击ok

选择目录点select ，

之后点ok确认 apply 应用，然后OK推出就好

在block design 增加 DVI_Transmitter模块（搜索dvi，点击检索出来的结果就好）

8）增加Video Timing Controller 模块

video Timing Controller是视频时序控制器，支持AXI-Lite接口协议（可通过该接口在PS端动态调整分辨率，如果是固定分辨率则不需要该接口，这里演示我们不需要动态调整）

在block design图形编辑器里搜索并添加 video timing controller模块，并双击打开配置页

因为我们不需要动态配置 分辨率，所以这里把LITE端口关闭，以及取消数据监视功能

在第二页我们设置分辨率，这里我们设置800X600测试用，选择好分辨率，其他行场及消隐信号系统会自动为我们设置好（符合VGA和HDMI的格式规范）

9）增加时钟模块

clocking wizard 可以将输入的时钟倍频和分频到我们需要的频率， 因为HDMI 800X600 需要两个时钟5X 像素时钟和，单倍像素时钟， 根据时序，这两个时钟分别是40M 和200M，所以这里时钟模块我们设置成输出40和200M，输入部分改成50M输入（FCLK0 是50M）

并将复位信号reset 关闭（不复位 该模块一直工作），并使能 locked功能（locked 后面给后级模块使能用）

这时我们已经得到了所需要的各个模块（还有些复位模块后面系统会自动添加 先忽略），接下来的工作就是连接各个模块

首先像下图这样完成 图像数据流部分的连接

将DVI 的pix时钟也与clock wizard 进行连接（pclk 和5pclk 分别对应40m 和200m）

将AXI4 LITE低速通信的时钟，和clock wizard的输入都连接到FCLK_CLK0的50M时钟上

将timing模块的clk与像素时钟连接，因为这个clk和像素时钟需要高度同步，同理video_out模块的clk也应该和像素时钟连接，并将DVI 的pix时钟也与这个信号连接

同理，将数据流部分时钟与FCLK_CLK1连接如下图所示

增加video timing 模块的GEN_CLKEN连线如下图所示

点 Run connection automation 来自动连接剩下的走线

在弹出的设置对话框里勾选内容，如下图所示

之后系统将自动帮我们连接好剩下的信号线以及添加需要的模块

连接各个模块的使能和复位功能

将VTC 的 clken ，Video out模块，RGB to DVI的 en 和ce，和rst_n 使能都接到clk模块的locked信号上（作使能和控制复位用）

由于video out模块存在高电平复位，而其他模块的复位和使能都是低电平，所以这里还要增加一个反相器来进行匹配

搜索并增加一个VECTOR模块

将逻辑类型改成非门not，size 改成1位

如下图所示 将反相器连接在 locked和 vid_io_out_reset信号中

将HDMI 输出的IO 拉到外部 make external

最终的连接图如下（看似很复杂，其实连线的时候 只需要分清楚各个模块是从高速接口拉出 还是低速的接口，传输的是指令AXI LITE 还是数据流 AXI4 STREAM 还是 像素PIX，熟悉后再连就不会有问题了） 其中很多模块都是自动生成的 图片可能会看不清楚，可以在示例工程里查看

(备注 因为我的工程是修改过的，所以 实际你们按流程走下来 rst_ps7_0_100M 可能是 rst_ps7_0_150M,这个只是名字上的区别，都可以用)

保存工程，然后点击source→Design Source ，右键我们创建的BLOCK工程，点击create HDL wrapper，打包BLOCK文件并生成.v代码

点击绿色箭头RUN 对代码进行编译

过程会报警告，直接无视就可

点击RTL 中的SCHEMATIC , 并选择右边出现的 IO Ports 来增加HDMI的管脚定义

修改HDMI 对应的管脚定义,如下图所示 ,修改后保存(如弹出 窗口需要,则在窗口中输入约束文件名,然后保存) TMDS[2]对应G19, TMDS[1]对应 J20 ,TMDS[0]对应 L19 ，CLK 对应 M19

或者新增约束文件 用约束文件方式添加管脚定义

set_property PACKAGE_PIN G19 [get_ports {TMDS_0_tmds_data_p[2]}]
set_property PACKAGE_PIN J20 [get_ports {TMDS_0_tmds_data_p[1]}]
set_property PACKAGE_PIN L19 [get_ports {TMDS_0_tmds_data_p[0]}]
set_property PACKAGE_PIN M19 [get_ports TMDS_0_tmds_clk_p]

按下Generate Bitstream 完成综合以及生成bit文件

4 SDK部分配置

1）File→Export→Export hardware…，在弹出的对话框中勾选“include bitstream”，点击“OK”确认，如下图所示。

2）File→Lauch SDK，在弹出的对话框中，保存默认，点击“OK”，如下图所示。

系统将自动打开SDK开发环境

. 创建一个新的空工程,可以取名叫HDMI_VDMA_TEST

b.右键工程 的SRC目录，然后新建一个SOURCE FILE，并取名main.c

接下来我们需要导入系统自带的demo 程序（因为我们需要里面的一个vdma_api.c 文件）

双击mss文件（展开BSP ，并双击system.mss文件）

导入VDMA的例程序，系统会自动打开vdma 的示例工程

我们需要里面的一个api 库，按下图所示，拷贝vdma_api.c 文件

之后粘贴到我们工程的src路径下

（之后 原先创建打开的示例工程就可以删除了，不删除碍眼 因为系统会提示错误，也可以不删无关痛痒）

接下来在我们创建的main.c中 复制以下代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "xil_types.h"
#include "xil_cache.h"
#include "xparameters.h"
#include "xaxivdma.h"
#include "xaxivdma_i.h"


#define VDMA_ID          XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID

unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);

XAxiVdma     vdma;

#define WIDTH	800
#define DEPTH	600

int run_triple_frame_buffer(XAxiVdma* InstancePtr, int DeviceId, int hsize,
		int vsize, int buf_base_addr, int number_frame_count,
		int enable_frm_cnt_intr);

int main(void)
{
	int x, y;
	u8* vdma_buffer;
	vdma_buffer = (u8*) frame_buffer_addr;

	run_triple_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, WIDTH, DEPTH,frame_buffer_addr,0,0);

	for(y=0;y<DEPTH;y++){
		for(x=0;x<WIDTH;x++)
			if (x>=0&&x<(WIDTH/4)*1) {
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+0)=0xff;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+1)=0xff;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+2)=0xff;
			}
			else if (x>=(WIDTH/4)*1 && x<(WIDTH/4)*2) {
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+0)=0x00;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+1)=0x00;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+2)=0xff;

			}
			else if (x>=(WIDTH/4)*2 && x<(WIDTH/4)*3) {
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+0)=0x00;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+1)=0xff;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+2)=0x00;
			}
			else {
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+0)=0xff;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+1)=0x00;
				*(vdma_buffer+y*WIDTH*3+3*x+2)=0x00;
			}
	}

	Xil_DCacheFlush();

	while(1);
    return 0;
}

其中run_triple_frame_buffer是初始化VDMA的代码（初始化的参数包括了VDMA实例、VDMA的ID、宽度、高度、vdma起始地址），剩下的代码是向vdma_buffer(对应DDR的缓存变量) 中写入彩色条纹数据，而这个vdma_buffer就是对应VDMA的区域，也就是

6.下载到板子上进行验证

选中工程中的硬件平台，并点击右键→Program FPGA，在弹出的对话框中选择默认，点击“program”，完成FPGA PL部分的Program工作

2）选中我们的工程 展开绿色箭头（RUN）右边的图标，选择Run As→1 Launch on Hardware（System Debugger）

用HDMI 数据线连接主板和 HDMI显示器，正常情况可以看到HDMI显示器上显示着WRGB彩色条纹，证明我们的VDMA 已经工作正常了

备注 ：为了方便调试可以按照下列描述进行勾选，这样每次debug的时候就自动重新对PL部分进行配置了（强烈推荐把每个工程都这样设置）

之后点 APPLY 然后 再选择Run As→1 Launch on Hardware（System Debugger）就可

以下是完整工程如下（仅供学习参考）：

23_VDMA_HDMI_TEST_XC7Z010_1下载
23_VDMA_HDMI_TEST_XC7Z020_1下载

备注 ：网络上有部分教程导入了第三方 dynamic clock generator 模块来产生动态时钟，这块板子的HDMI信号线没有跨越bank 理论上可以用dynamic clock generator，大家有兴趣的自行尝试（另一块板子 Tiny ZYNQ 因为hdmi部分信号跨bank 了，所以这个模块调用会报错，Smart ZYNQ 可以调用）

本文仅演示了800X600分辨率的，下一节会对VDMA部分进行补充，以适配720P 和1080P

另外这里仅使用了库函数的方式来初始化VDMA， 其实还可以通过Xil_Out32的方式直接通过寄存器来配置VDMA， 将在VDMA 第三节 TF卡显示的工程上进行演示

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