3. 基于SDRAM的HDMI图像显示¶

3.1. 章节导读¶

在上一章节我们学习了SDRAM的相关知识，设计了SDRAM 读写控制器，SDRAM是FPGA外接的大容量储存芯。在本章节我们将串口RS232、SDRAM控制器与HDMI显示结合起来，利用SDRAM做缓存，实现较大图片的HDMI显示。

3.2. 理论学习¶

有关本章节涉及串口RS232、SDRAM读写控制器和HDMI的相关理论知识，我们在前面章节已经做过详细讲解。读者若有忘记请回顾查阅，在此不再做过多讲解。

3.3. 实战演练¶

3.3.1. 实验目标¶

在PC机上使用串口助手助手发送一幅分辨率为640*480的图片数据给FPGA，FPGA以外接SDRAM做缓存，将接收到的图片数据通过HDMI显示器显示出来。

3.3.2. 硬件资源¶

详见“HDMI显示器驱动设计与验证”、“串口RS232”、“SDRAM读写控制器的设计与验证”章节的“硬件资源”介绍。

3.3.3. 程序设计¶

3.3.3.1. 整体框图¶

图 44‑1 SDRAM –HDMI图像显示整体框图

由图可知，本实验工程共调用6个模块(sdram_top视为一个模块)，顶层模块为uart_sdram_hdmi_pic模块，内部实例化5个功能子模块，连接各子模块对应信号，外部接收数据读写请求、读写地址和读写数据，输出SDRAM控制信号、地址、数据，以及VGA行场同步信号和图像数据；顶层模块内部实例化的4个功能子模块分别为 clk_gen、uart_rx、sdram_top、vga_ctrl和hdmi_ctrl。各部分功能描述，具体见表格 44‑1。

表格 44‑1 各模块功能描述

模块名称	功能描述
uart_sdram_hdmi_pic	SDRAM –HDMI图像显示顶层模块
clk_gen	时钟生成模块
uart_rx	串口数据接收模块
sdram_top	SDRAM读写控制器
vga_ctrl	VGA驱动控制
hdmi_ctrl	HDMI驱动控制

本实验工程使用的串口模块、SDRAM控制器、VGA驱动模块和HDMI驱动模块均是在前面章节设计模块的基础上稍加改动得到的，读者若有遗忘可回顾各章节相关内容。

3.3.3.2. 顶层模块¶

模块框图

经过前面章节的学习，读者已经知道，顶层模块是使用工程必不可少的一部分，内部实例化个子功能模块，外部进行工程输入输出信号的连接，作用巨大。但顶层模块代码写起来较为简单，无需波形图绘制，只需连接对应端口即可。顶层模块模块框图，具体见图 44‑2；输入输出信号功能描述具体见表格 44‑2。

图 44‑2 顶层模块框图

表格 44‑2 输入输出端口功能描述

信号	位宽	类型	功能描述
sys_clk	1Bit	Input	系统时钟，频率50MHz
sys_rst_n	1Bit	Input	复位信号，低有效
rx	1Bit	Input	串口数据接收端口
ddc_scl	1Bit	Output	DDC时钟
dda_sda	1Bit	Output	DDC数据
tmds_clk_p	1Bit	Output	时钟差分信号
tmds_clk_n	1Bit	Output	时钟差分信号
tmds_data_p[2]	3Bit	Output	图像信息差分信号
tmds_data_n[2]	3Bit	Output	图像信息差分信号
sdram_clk	1Bit	Output	SDRAM写时钟
sdram_cke	1Bit	Output	SDRAM时钟有效信号
sdram_cs_n	1Bit	Output	SDRAM片选信号
sdram_ras_n	1Bit	Output	SDRAM行选通信号
sdram_cas_n	1Bit	Output	SDRAM列选通信号
sdram_we_n	1Bit	Output	SDRAM写使能信号
sdram_ba	2Bit	Output	SDRAM逻辑Bank地址
sdram_addr	13Bit	Output	SDRAM地址总线
sdram_dqm	2Bit	Output	SDRAM数据掩码
sdram_dq	16Bit	Output	SDRAM数据总线

代码编写

顶层模块参考代码具体见代码清单 44‑1。

代码清单 44‑1 顶层模块参考代码(uart_sdram_hdmi_pic.v)

module uart_sdram_hdmi_pic
(
input wire sys_clk , //系统时钟,50MHz
input wire sys_rst_n , //复位信号
input wire rx , //串口接收

output wire ddc_scl ,
output wire ddc_sda ,
output wire tmds_clk_p ,
output wire tmds_clk_n , //HDMI时钟差分信号
output wire [2:0] tmds_data_p ,
output wire [2:0] tmds_data_n , //HDMI图像差分信号

output wire sdram_clk , //SDRAM时钟
output wire sdram_cke , //SDRAM时钟使能
output wire sdram_cs_n , //SDRAM片选
output wire sdram_cas_n , //SDRAM列选通
output wire sdram_ras_n , //SDRAM行选通
output wire sdram_we_n , //SDRAM写使能
output wire [1:0] sdram_ba , //SDRAM Bank地址
output wire [12:0] sdram_addr , //SDRAM地址总线
output wire [1:0] sdram_dqm , //SDRAM数据掩码
inout wire [15:0] sdram_dq //SDRAM数据总线
);

////
//\* Parameter and Internal Signal \//
////
//parameter define
parameter H_PIXEL = 24'd640 ; //水平方向像素个数,用于设置SDRAM缓存大小
parameter V_PIXEL = 24'd480 ; //垂直方向像素个数,用于设置SDRAM缓存大小
parameter UART_BPS = 20'd115200 , //比特率
CLK_FREQ = 26'd50_000_000 ; //时钟频率

// wire define
//uart_rx
wire [7:0] rx_data ; //拼接后的8位图像数据
wire rx_flag ; //数据标志信号
//vga_ctrl
wire data_req ; //TFT数据请求信号
wire [15:0] data_in ; //TFT图像数据
wire [15:0] rgb_vga ; //VGA显示数据
wire rgb_valid ; //VGA有效显示区域
wire hsync ; //VGA行同步信号
wire vsync ; //VGA场同步信号
//clk_gen
wire clk_25m ;
wire clk_50m ;
wire clk_125m ;
wire clk_125m_shift ; //pll产生时钟
wire locked ; //pll锁定信号
wire rst_n ; //复位信号

////
//\* Main Code \//
////

//rst_n:复位信号
assign rst_n = sys_rst_n & locked;
assign ddc_scl = 1'b1;
assign ddc_sda = 1'b1;

//------------- clk_gen_inst -------------
clk_gen clk_gen_inst (
.inclk0 (sys_clk ),
.areset (~sys_rst_n ),
.c0 (clk_25m ),
.c1 (clk_50m ),
.c2 (clk_125m ),
.c3 (clk_125m_shift ),
.locked (locked )
);

//------------- uart_rx_inst -------------
uart_rx
#(
.UART_BPS (UART_BPS ), //串口波特率
.CLK_FREQ (CLK_FREQ ) //时钟频率
)
uart_rx_inst
(
.sys_clk (clk_50m ), //input sys_clk
.sys_rst_n (rst_n ), //input sys_rst_n
.rx (rx ), //input rx

.po_data (rx_data ), //output [7:0] rx_data
.po_flag (rx_flag ) //output rx_flag
);

//------------- vga_ctrl_inst -------------
vga_ctrl vga_ctrl_inst
(
.vga_clk (clk_25m ), //输入工作时钟,频率25MHz
.sys_rst_n (rst_n ), //输入复位信号,低电平有效
.pix_data ({data_in[7:5],2'b0,data_in[4:2],3'b0,data_in[1:0],3'b0}),

.rgb_valid (rgb_valid ), //VGA有效显示区域
.pix_data_req(data_req ),
.hsync (hsync ), //输出行同步信号
.vsync (vsync ), //输出场同步信号
.rgb (rgb_vga ) //输出像素信息
);

//------------- hdmi_ctrl_inst -------------
hdmi_ctrl hdmi_ctrl_inst
(
.clk_1x (clk_25m ), //输入系统时钟
.clk_5x (clk_125m ), //输入5倍系统时钟
.sys_rst_n (rst_n ), //复位信号,低有效
.rgb_blue ({rgb_vga[4:0],3'b0} ), //蓝色分量
.rgb_green ({rgb_vga[10:5],2'b0} ), //绿色分量
.rgb_red ({rgb_vga[15:11],3'b0} ), //红色分量
.hsync (hsync ), //行同步信号
.vsync (vsync ), //场同步信号
.de (rgb_valid ), //使能信号
.hdmi_clk_p (tmds_clk_p ),
.hdmi_clk_n (tmds_clk_n ), //时钟差分信号
.hdmi_r_p (tmds_data_p[2] ),
.hdmi_r_n (tmds_data_n[2] ), //红色分量差分信号
.hdmi_g_p (tmds_data_p[1] ),
.hdmi_g_n (tmds_data_n[1] ), //绿色分量差分信号
.hdmi_b_p (tmds_data_p[0] ),
.hdmi_b_n (tmds_data_n[0] ) //蓝色分量差分信号
);

//------------- sdram_top_inst -------------
sdram_top sdram_top_inst
(
.sys_clk (clk_125m ), //sdram 控制器参考时钟
.clk_out (clk_125m_shift ), //用于输出的相位偏移时钟
.sys_rst_n (rst_n ), //系统复位
//用户写端口
.wr_fifo_wr_clk (clk_50m ), //写端口FIFO: 写时钟
.wr_fifo_wr_req (rx_flag ), //写端口FIFO: 写使能
.wr_fifo_wr_data ({8'b0,rx_data} ), //写端口FIFO: 写数据
.sdram_wr_b_addr (24'd0 ), //写SDRAM的起始地址
.sdram_wr_e_addr (H_PIXEL*V_PIXEL), //写SDRAM的结束地址
.wr_burst_len (10'd512 ), //写SDRAM时的数据突发长度
.wr_rst (~rst_n ), //写复位
//用户读端口
.rd_fifo_rd_clk (clk_25m ), //读端口FIFO: 读时钟
.rd_fifo_rd_req (data_req ), //读端口FIFO: 读使能
.rd_fifo_rd_data (data_in ), //读端口FIFO: 读数据
.sdram_rd_b_addr (24'd0 ), //读SDRAM的起始地址
.sdram_rd_e_addr (H_PIXEL*V_PIXEL), //读SDRAM的结束地址
.rd_burst_len (10'd512 ), //从SDRAM中读数据时的突发长度
.rd_rst ( ), //读复位
.rd_fifo_num ( ), //读fifo中的数据量
//用户控制端口
.read_valid (1'b1 ), //SDRAM 读使能
.init_end ( ), //SDRAM 初始化完成标志
//SDRAM 芯片接口
.sdram_clk (sdram_clk ), //SDRAM 芯片时钟
.sdram_cke (sdram_cke ), //SDRAM 时钟有效
.sdram_cs_n (sdram_cs_n ), //SDRAM 片选
.sdram_ras_n (sdram_ras_n ), //SDRAM 行有效
.sdram_cas_n (sdram_cas_n ), //SDRAM 列有效
.sdram_we_n (sdram_we_n ), //SDRAM 写有效
.sdram_ba (sdram_ba ), //SDRAM Bank地址
.sdram_addr (sdram_addr ), //SDRAM 行/列地址
.sdram_dq (sdram_dq ), //SDRAM 数据
.sdram_dqm (sdram_dqm ) //SDRAM 数据掩码
);

endmodule

3.3.3.3. RTL视图¶

至此实验工程基本完成，在Quartus中对代码进行编译，编译若有错误，请读者根据错误提示信息作出更改，直至编译通过，编译通过后查看RTL视图，与顶层模块框图对比，两者一致，各信号连接正确。RTL视图，具体见图 44‑3。

图 44‑3 RTL视图

3.3.4. 上板验证¶

3.3.4.1. 引脚约束¶

仿真验证通过后，准备上板验证，上板验证之前先要进行引脚约束。工程中各输入输出信号与开发板引脚对应关系如表格 44‑3所示。

表格 44‑3 引脚分配表

信号名	信号类型	对应引脚	备注
sys_clk	Input	E1	时钟
sys_rst_n	Input	M15	复位
rx	Input	N6	串口接受数据
sdram_clk	Output	R4	SDRAM芯片时钟
sdram_cke	Output	R9	SDRAM时钟有效信号
sdram_cs_n	Output	R12	SDRAM片选信号
sdram_cas_n	Output	R10	SDRAM列地址选通脉冲
sdram_ras_n	Output	R11	SDRAM行地址选通脉冲
sdram_we_n	Output	L9	SDRAM写允许位
sdram_ba[0]	Output	R13	SDRAM的L-Bank地址线
sdram_ba[1]	Output	R14	SDRAM的L-Bank地址线
sdram_addr[0]	Output	P11	SDRAM地址总线
sdram_addr[1]	Output	P14	SDRAM地址总线
sdram_addr[2]	Output	N9	SDRAM地址总线
sdram_addr[3]	Output	N11	SDRAM地址总线
sdram_addr[4]	Output	T14	SDRAM地址总线
sdram_addr[5]	Output	T13	SDRAM地址总线
sdram_addr[6]	Output	T12	SDRAM地址总线
sdram_addr[7]	Output	T11	SDRAM地址总线
sdram_addr[8]	Output	T10	SDRAM地址总线
sdram_addr[9]	Output	P9	SDRAM地址总线
sdram_addr[10]	Output	T15	SDRAM地址总线
sdram_addr[11]	Output	N12	SDRAM地址总线
sdram_addr[12]	Output	M11	SDRAM地址总线
sdram_dqm[0]	Output	M10	SDRAM数据掩码
sdram_dqm[1]	Output	M9	SDRAM数据掩码
sdram_dq[0]	Output	R3	SDRAM数据总线
sdram_dq[1]	Output	T9	SDRAM数据总线
sdram_dq[2]	Output	R5	SDRAM数据总线
sdram_dq[3]	Output	R6	SDRAM数据总线
sdram_dq[4]	Output	R7	SDRAM数据总线
sdram_dq[5]	Output	M8	SDRAM数据总线
sdram_dq[6]	Output	R8	SDRAM数据总线
sdram_dq[7]	Output	N8	SDRAM数据总线
sdram_dq[8]	Output	P8	SDRAM数据总线
sdram_dq[9]	Output	T8	SDRAM数据总线
sdram_dq[10]	Output	T7	SDRAM数据总线
sdram_dq[11]	Output	T6	SDRAM数据总线
sdram_dq[12]	Output	T5	SDRAM数据总线
sdram_dq[13]	Output	T4	SDRAM数据总线
sdram_dq[14]	Output	T3	SDRAM数据总线
sdram_dq[15]	Output	T2	SDRAM数据总线
ddc_scl	Output	P15	DDC时钟
dda_sda	Output	N14	DDC数据
tmds_clk_p	Output	R16	时钟差分信号
tmds_clk_n	Output	P16	时钟差分信号
tmds_data_p[2]	Output	K15	红色分量差分信号
tmds_data_n[2]	Output	K16	红色分量差分信号
tmds_data_p[1]	Output	L15	绿色分量差分信号
tmds_data_n[1]	Output	L15	绿色分量差分信号
tmds_data_p[0]	Output	N15	蓝色分量差分信号
tmds_data_n[0]	Output	N16	蓝色分量差分信号