16.2 VDMA視頻轉發實驗之模擬源

文章目錄

1 實驗任務
2 系統框圖
3 硬件設計
- 3.1 IP核配置
- 3.2 注意事項
- 3.3 自定義IP核源碼
4 軟件設計
- 4.1 注意事項
- 4.2 工程源碼
- - 4.2.1 main.c文件

1 實驗任務

基于14.1，相較于16.1，使用自定義IP核vid_gen_motion替換Xilinx TPG IP核。

2 系統框圖

基于14.1，添加自定義IP核vid_gen_motion作為視頻源，通過Video In to AXI4-Stream IP核轉換后，連接到VDMA的寫通道，如下圖所示：
在這里插入圖片描述

3 硬件設計

3.1 IP核配置

配置VDMA IP核
- （1）Basic頁面
  - 1）Frame Buffers：選擇默認值3，即緩存3幀圖像數據
  - 2）Enable Write Channel：勾選，使能寫通道
  - 3）Write Burst Size：選擇256，最大化傳輸效率
  - 4）Line Buffer Depth：選擇2048，圖像分辨率為1920x1080，能夠緩存一行像素數據
- （2）Advanced頁面
  - 1）保持默認值，采用動態同步鎖相模式，寫通道為主，讀通道為從
配置Video In to AXI4-Stream IP核
- （1）Clock Mode：點選Independent
- （2）其他保持默認
配置VTC IP核
- （1）Include AXI4-Lite Interface：不勾選
- （2）Enable Generation：不勾選
- （3）Detection Options：保持默認
封裝自定義IP核vid_gen_motion并添加，無需配置，默認輸出1080p視頻。

3.2 注意事項

VTC IP核的Detection Options選擇，官方文檔pg016中有明確說明，如下圖所示：
- （1）上圖僅給出hsync和hblank信號的說明，vsync、vblank和data_valid信號亦如此
為各個接口自動連線：必須手動指定主從接口和互聯模塊的時鐘
- （1）為VDMA的M_AXI_S2MM接口連線：從接口是PS的S_AXI_HP0接口
- （2）將Video In to AXI4-Stream和VDMA連接起來，為s_axis_s2mm_aclk和aclk時鐘連線（選擇PS輸出的FCLK_CLK1時鐘）
- （3）將Video In to AXI4-Stream和VTC連接起來，為VTC的clk時鐘連線（選擇Clocking Wizard輸出的clk_out1時鐘，即視頻時鐘）
- （4）將vid_gen_motion和Video In to AXI4-Stream連接起來，為clk和vid_io_in_clk時鐘連線（選擇Clocking Wizard輸出的clk_out1時鐘，即視頻時鐘）

3.3 自定義IP核源碼

`timescale 1ns / 1psmodule vid_gen_motion (input     wire         clk,input     wire         clken,input     wire         rstn,output    wire         o_vid_vsync,output    wire         o_vid_vblank,output    wire         o_vid_hsync,output    wire         o_vid_hblank,output    wire         o_vid_active,output    wire [23:0] o_vid_data
);
//***********************************************************************************************
// Constant Functions
//***********************************************************************************************//***********************************************************************************************
// Parameter Definitions
//***********************************************************************************************
// 1080p詳細時序參數 (按照SMPTE 274M標準)
// 水平時序
parameter H_ACTIVE  = 1920;  // 有效視頻像素數
parameter H_LEFT    = 0;     // 左側黑邊
parameter H_RIGHT   = 0;     // 右側黑邊
parameter H_FP      = 88;    // 行前沿(Front Porch)
parameter H_SYNC    = 44;    // 行同步脈沖
parameter H_BP      = 148;   // 行后沿(Back Porch)
parameter H_TOTAL   = H_LEFT + H_ACTIVE + H_RIGHT + H_FP + H_SYNC + H_BP; // 2200// 垂直時序
parameter V_ACTIVE  = 1080;  // 有效視頻行數
parameter V_TOP     = 0;     // 頂部黑邊
parameter V_BOTTOM  = 0;     // 底部黑邊
parameter V_FP      = 4;     // 場前沿(Front Porch)
parameter V_SYNC    = 5;     // 場同步脈沖
parameter V_BP      = 36;    // 場后沿(Back Porch)
parameter V_TOTAL   = V_TOP + V_ACTIVE + V_BOTTOM + V_FP + V_SYNC + V_BP; // 1125// 方塊參數
parameter SQUARE_SIZE = 20;
parameter SQUARE_SPEED = 1;// 關鍵邊界定義 (保留完整邊框參數)
// 水平方向 (嚴格按您要求的順序: LEFT -> ACTIVE -> RIGHT -> FP -> SYNC -> BP)
localparam H_SYNC_START   = H_LEFT + H_ACTIVE + H_RIGHT + H_FP;
localparam H_SYNC_END     = H_SYNC_START + H_SYNC;
localparam H_ACTIVE_START = H_LEFT;
localparam H_ACTIVE_END   = H_ACTIVE_START + H_ACTIVE;
localparam H_BLANK_START  = H_LEFT + H_ACTIVE + H_RIGHT;
localparam H_BLANK_END    = H_TOTAL;// 垂直方向 (嚴格按您要求的順序: TOP -> ACTIVE -> BOTTOM -> FP -> SYNC -> BP)
localparam V_SYNC_START   = V_TOP + V_ACTIVE + V_BOTTOM + V_FP;
localparam V_SYNC_END     = V_SYNC_START + V_SYNC;
localparam V_ACTIVE_START = V_TOP;
localparam V_ACTIVE_END   = V_ACTIVE_START + V_ACTIVE;
localparam V_BLANK_START  = V_TOP + V_ACTIVE + V_BOTTOM;
localparam V_BLANK_END    = V_TOTAL;
//***********************************************************************************************
// Signal Declarations
//***********************************************************************************************
reg   [15:0]   h_cnt;
reg   [15:0]   v_cnt;reg   [15:0]   square_x;
reg   [15:0]   square_y;reg            x_dir; // 0=右移, 1=左移
reg            y_dir; // 0=下移, 1=上移reg            vid_vsync;
reg            vid_vblank;
reg            vid_hsync;
reg            vid_hblank;
reg            vid_active;
reg   [23:0]   vid_data;
//***********************************************************************************************
// Pipeline Inputs
//***********************************************************************************************//***********************************************************************************************
// Code
//***********************************************************************************************
// 水平計數器
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) h_cnt <= 16'd0;else if (clken) begin if (h_cnt < H_TOTAL-1) h_cnt <= h_cnt + 1;else h_cnt <= 16'd0;end      
end// 垂直計數器
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) v_cnt <= 16'd0;else if (clken) begin  if (h_cnt == H_TOTAL-1)if (v_cnt < V_TOTAL-1) v_cnt <= v_cnt + 1;else v_cnt <= 16'd0;elsev_cnt <= v_cnt;   end   
end// 方塊移動邏輯（反彈模式）
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginsquare_x <= 16'd0;square_y <= 16'd0;x_dir <= 0;y_dir <= 0;endelse if (clken) beginif (v_cnt == V_TOTAL-1 && h_cnt == H_TOTAL-1) begin// 水平移動if (x_dir == 0) begin // 向右移動if (square_x + SQUARE_SIZE + SQUARE_SPEED <= H_ACTIVE)square_x <= square_x + SQUARE_SPEED;else beginsquare_x <= H_ACTIVE - SQUARE_SIZE; // 貼住右邊界x_dir <= 1; // 改為左移endendelse begin // 向左移動if (square_x >= SQUARE_SPEED)square_x <= square_x - SQUARE_SPEED;else beginsquare_x <= 0; // 貼住左邊界x_dir <= 0; // 改為右移endend// 垂直移動if (y_dir == 0) begin // 向下移動if (square_y + SQUARE_SIZE + SQUARE_SPEED <= V_ACTIVE)square_y <= square_y + SQUARE_SPEED;else beginsquare_y <= V_ACTIVE - SQUARE_SIZE; // 貼住下邊界y_dir <= 1; // 改為上移endendelse begin // 向上移動if (square_y >= SQUARE_SPEED)square_y <= square_y - SQUARE_SPEED;else beginsquare_y <= 0; // 貼住上邊界y_dir <= 0; // 改為下移endendendend   
end// 行同步信號生成
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) vid_hsync <= 1'b0;else if (clken) begin if (h_cnt >= H_SYNC_START && h_cnt < H_SYNC_END)vid_hsync <= 1'b1;elsevid_hsync <= 1'b0;end      
end// 行消隱信號生成
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) vid_hblank <= 1'b0;else if (clken) begin if (h_cnt >= H_BLANK_START && h_cnt < H_BLANK_END)vid_hblank <= 1'b1;elsevid_hblank <= 1'b0;end         
end// 場同步信號生成
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) vid_vsync <= 1'b0;else if (clken) begin if (v_cnt >= V_SYNC_START && v_cnt < V_SYNC_END)vid_vsync <= 1'b1;elsevid_vsync <= 1'b0;end
end// 場消隱信號生成
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) vid_vblank <= 1'b0;else if (clken) begin if (v_cnt >= V_BLANK_START && v_cnt < V_BLANK_END)vid_vblank <= 1'b1;elsevid_vblank <= 1'b0;end      
end// 數據有效信號生成
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) vid_active <= 1'b0;else if (clken) begin if (h_cnt >= H_ACTIVE_START && h_cnt < H_ACTIVE_END &&v_cnt >= V_ACTIVE_START && v_cnt < V_ACTIVE_END)vid_active <= 1'b1;elsevid_active <= 1'b0;end         
end// 視頻數據生成
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginvid_data <= 24'hFFFFFF; // 默認白色背景endelse if (clken) begin if (h_cnt >= H_ACTIVE_START && h_cnt < H_ACTIVE_END &&v_cnt >= V_ACTIVE_START && v_cnt < V_ACTIVE_END)// 檢查當前像素是否在方塊區域內if (h_cnt >= square_x && h_cnt < square_x + SQUARE_SIZE &&v_cnt >= square_y && v_cnt < square_y + SQUARE_SIZE)vid_data <= 24'h000000; // 黑色方塊elsevid_data <= 24'hFFFFFF; // 白色背景else beginvid_data <= 24'd0; // 消隱區輸出0end   end
end
//***********************************************************************************************
// Outputs
//***********************************************************************************************
assign o_vid_vsync  = vid_vsync;
assign o_vid_vblank = vid_vblank;
assign o_vid_hsync  = vid_hsync;
assign o_vid_hblank = vid_hblank;
assign o_vid_active = vid_active;
assign o_vid_data   = vid_data;endmodule

4 軟件設計

4.1 注意事項

自定義IP核vid_gen_motion生成一個背景為純白，疊加一個黑色移動小方塊的視頻
通過VIO控制vid_gen_motion的clken信號
- （1）當clken拉低時
  - 1）vid_gen_motion IP核暫停產生視頻數據
  - 2）顯示器上小方塊停止移動
- （2）當clken拉高時
  - （1）vid_gen_motion IP核恢復產生視頻數據
  - （2）顯示器上小方塊繼續從停止的位置開始移動
- （3）關于VTC輸出的locked信號
  - 1）控制Video In to AXI4-Stream的axis_stream信號，該信號"enable/disable writes into FIFO"
  - 2）在clken信號先拉底后拉高的過程中會有一個失鎖（locked=0）和重新鎖定（locked=1）的過程
  - 3）測試發現：在clken拉低后
    - locked信號并未拉低（下圖中axis_stream信號依然為高）
    - Video In to AXI4-Stream的Video In接口，同步和消隱信號保持為低，active_video保持為高，該現象和clken停止的時機有關
    - Video In to AXI4-Stream的AXI4-Stream接口，TREADY和TVALID信號一直為高，說明Video In to AXI4-Stream一直向VDMA寫通道提供數據；但是，因為TUSER和TLAST信號的缺失（一直保持為低），VDMA寫通道未將Video In to AXI4-Stream提供的數據寫入PS側DDR中（因為顯示器上小方塊停止移動）
  - 4）測試發現：在clken拉高后
    - locked信號會先拉低后拉高，表示VTC經過一個失鎖然后再次鎖定的過程，如下圖所示
  - 5）測試發現：locked信號有時也會在clken拉低后立即拉低，應該與clken拉低的時機和VTC的檢測機制有關系
  - 6）測試證明：VTC和VDMA的視頻幀隔離和處理功能很強大
通過PS控制VDMA寫通道啟停
- （1）當VDMA寫通道停止時
  - 1）VDMA寫通道暫停接收視頻數據
    - Video In to AXI4-Stream的AXI4-Stream接口的TREADY信號拉低，如下圖所示
    - Video In to AXI4-Stream的FIFO仍在接收vid_gen_motion提供的視頻數據，導致FIFO溢出，overflow信號不停拉高（通過觀察應該是在每一行開始后不久拉高一個時鐘周期），如下圖所示
  - 2）VDMA讀通道依然在發送數據
    - 顯示器上小方塊停止移動
    - 說明VDMA讀通道在重復發送同一幀視頻數據，該幀視頻數據是VDMA寫通道在停止前寫入的最后一幀
    - 符合動態同步鎖相模式的工作機制，即讀通道（Dynamic Genlock Slave）會操作寫通道（Dynamic Genlock Master）上一個周期操作的幀
- （2）當VDMA寫通道重啟據時
  - 1）Video In to AXI4-Stream的FIFO不再溢出
  - 2）顯示器上小方塊繼續開始移動，但起始位置已不再是之前停止的位置，而是vid_gen_motion產生的視頻數據中小方塊的當前位置
- （3）再次證明：VTC和VDMA的視頻幀隔離和處理功能的強大

4.2 工程源碼

4.2.1 main.c文件

/********************************************************************/#include "vdma/vdma_api.h"#include "xparameters.h"
#include "stdio.h"
#include "sleep.h"/********************************************************************/#define VDMA_DEVICE_ID		XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID
#define MEMORY_BASEADDR		XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR#define IMAGE_WIDTH			1920
#define IMAGE_HEIGHT		1080/********************************************************************//********************************************************************/XAxiVdma VdmaInst;int FrameBufferAddr = (MEMORY_BASEADDR + 0x02000000);/********************************************************************/int main()
{//int Status;//printf("Vdma Video Forward Test.\n");// 啟動VDMA讀寫操作Status = run_vdma_frame_buffer(&VdmaInst, VDMA_DEVICE_ID, IMAGE_WIDTH, IMAGE_HEIGHT, FrameBufferAddr, 0, 0, BOTH);if (Status == XST_FAILURE) {printf("Error : run vdma frame buffer failed.\n");return XST_FAILURE;}//while (1) {//sleep(10);printf("Stop vdma channel.\n");
//    	XAxiVdma_DmaStop(&VdmaInst, XAXIVDMA_READ);XAxiVdma_DmaStop(&VdmaInst, XAXIVDMA_WRITE);//sleep(15);printf("Start vdma channel.\n");
//		XAxiVdma_DmaStart(&VdmaInst, XAXIVDMA_READ);XAxiVdma_DmaStart(&VdmaInst, XAXIVDMA_WRITE);}//return XST_SUCCESS;
}/*****************************************************************************//*****************************************************************************/