16.2 VDMA视频转发实验之模拟源

文章目录

1 实验任务
2 系统框图
3 硬件设计
- 3.1 IP核配置
- 3.2 注意事项
- 3.3 自定义IP核源码
4 软件设计
- 4.1 注意事项
- 4.2 工程源码
- - 4.2.1 main.c文件

1 实验任务

基于14.1，相较于16.1，使用自定义IP核vid_gen_motion替换Xilinx TPG IP核。

2 系统框图

基于14.1，添加自定义IP核vid_gen_motion作为视频源，通过Video In to AXI4-Stream IP核转换后，连接到VDMA的写通道，如下图所示：
在这里插入图片描述

3 硬件设计

3.1 IP核配置

配置VDMA IP核
- （1）Basic页面
  - 1）Frame Buffers：选择默认值3，即缓存3帧图像数据
  - 2）Enable Write Channel：勾选，使能写通道
  - 3）Write Burst Size：选择256，最大化传输效率
  - 4）Line Buffer Depth：选择2048，图像分辨率为1920x1080，能够缓存一行像素数据
- （2）Advanced页面
  - 1）保持默认值，采用动态同步锁相模式，写通道为主，读通道为从
配置Video In to AXI4-Stream IP核
- （1）Clock Mode：点选Independent
- （2）其他保持默认
配置VTC IP核
- （1）Include AXI4-Lite Interface：不勾选
- （2）Enable Generation：不勾选
- （3）Detection Options：保持默认
封装自定义IP核vid_gen_motion并添加，无需配置，默认输出1080p视频。

3.2 注意事项

VTC IP核的Detection Options选择，官方文档pg016中有明确说明，如下图所示：
- （1）上图仅给出hsync和hblank信号的说明，vsync、vblank和data_valid信号亦如此
为各个接口自动连线：必须手动指定主从接口和互联模块的时钟
- （1）为VDMA的M_AXI_S2MM接口连线：从接口是PS的S_AXI_HP0接口
- （2）将Video In to AXI4-Stream和VDMA连接起来，为s_axis_s2mm_aclk和aclk时钟连线（选择PS输出的FCLK_CLK1时钟）
- （3）将Video In to AXI4-Stream和VTC连接起来，为VTC的clk时钟连线（选择Clocking Wizard输出的clk_out1时钟，即视频时钟）
- （4）将vid_gen_motion和Video In to AXI4-Stream连接起来，为clk和vid_io_in_clk时钟连线（选择Clocking Wizard输出的clk_out1时钟，即视频时钟）

3.3 自定义IP核源码

`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详细时序参数 (按照SMPTE 274M标准)
// 水平时序
parameter H_ACTIVE  = 1920;  // 有效视频像素数
parameter H_LEFT    = 0;     // 左侧黑边
parameter H_RIGHT   = 0;     // 右侧黑边
parameter H_FP      = 88;    // 行前沿(Front Porch)
parameter H_SYNC    = 44;    // 行同步脉冲
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// 垂直时序
parameter V_ACTIVE  = 1080;  // 有效视频行数
parameter V_TOP     = 0;     // 顶部黑边
parameter V_BOTTOM  = 0;     // 底部黑边
parameter V_FP      = 4;     // 场前沿(Front Porch)
parameter V_SYNC    = 5;     // 场同步脉冲
parameter V_BP      = 36;    // 场后沿(Back Porch)
parameter V_TOTAL   = V_TOP + V_ACTIVE + V_BOTTOM + V_FP + V_SYNC + V_BP; // 1125// 方块参数
parameter SQUARE_SIZE = 20;
parameter SQUARE_SPEED = 1;// 关键边界定义 (保留完整边框参数)
// 水平方向 (严格按您要求的顺序: 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 (严格按您要求的顺序: 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
//***********************************************************************************************
// 水平计数器
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// 垂直计数器
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// 方块移动逻辑（反弹模式）
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// 水平移动if (x_dir == 0) begin // 向右移动if (square_x + SQUARE_SIZE + SQUARE_SPEED <= H_ACTIVE)square_x <= square_x + SQUARE_SPEED;else beginsquare_x <= H_ACTIVE - SQUARE_SIZE; // 贴住右边界x_dir <= 1; // 改为左移endendelse begin // 向左移动if (square_x >= SQUARE_SPEED)square_x <= square_x - SQUARE_SPEED;else beginsquare_x <= 0; // 贴住左边界x_dir <= 0; // 改为右移endend// 垂直移动if (y_dir == 0) begin // 向下移动if (square_y + SQUARE_SIZE + SQUARE_SPEED <= V_ACTIVE)square_y <= square_y + SQUARE_SPEED;else beginsquare_y <= V_ACTIVE - SQUARE_SIZE; // 贴住下边界y_dir <= 1; // 改为上移endendelse begin // 向上移动if (square_y >= SQUARE_SPEED)square_y <= square_y - SQUARE_SPEED;else beginsquare_y <= 0; // 贴住上边界y_dir <= 0; // 改为下移endendendend   
end// 行同步信号生成
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// 行消隐信号生成
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// 场同步信号生成
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// 场消隐信号生成
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// 数据有效信号生成
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// 视频数据生成
always @(posedge clk or negedge rstn) beginif (!rstn) beginvid_data <= 24'hFFFFFF; // 默认白色背景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)// 检查当前像素是否在方块区域内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; // 黑色方块elsevid_data <= 24'hFFFFFF; // 白色背景else beginvid_data <= 24'd0; // 消隐区输出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 软件设计

4.1 注意事项

自定义IP核vid_gen_motion生成一个背景为纯白，叠加一个黑色移动小方块的视频
通过VIO控制vid_gen_motion的clken信号
- （1）当clken拉低时
  - 1）vid_gen_motion IP核暂停产生视频数据
  - 2）显示器上小方块停止移动
- （2）当clken拉高时
  - （1）vid_gen_motion IP核恢复产生视频数据
  - （2）显示器上小方块继续从停止的位置开始移动
- （3）关于VTC输出的locked信号
  - 1）控制Video In to AXI4-Stream的axis_stream信号，该信号"enable/disable writes into FIFO"
  - 2）在clken信号先拉底后拉高的过程中会有一个失锁（locked=0）和重新锁定（locked=1）的过程
  - 3）测试发现：在clken拉低后
    - locked信号并未拉低（下图中axis_stream信号依然为高）
    - Video In to AXI4-Stream的Video In接口，同步和消隐信号保持为低，active_video保持为高，该现象和clken停止的时机有关
    - Video In to AXI4-Stream的AXI4-Stream接口，TREADY和TVALID信号一直为高，说明Video In to AXI4-Stream一直向VDMA写通道提供数据；但是，因为TUSER和TLAST信号的缺失（一直保持为低），VDMA写通道未将Video In to AXI4-Stream提供的数据写入PS侧DDR中（因为显示器上小方块停止移动）
  - 4）测试发现：在clken拉高后
    - locked信号会先拉低后拉高，表示VTC经过一个失锁然后再次锁定的过程，如下图所示
  - 5）测试发现：locked信号有时也会在clken拉低后立即拉低，应该与clken拉低的时机和VTC的检测机制有关系
  - 6）测试证明：VTC和VDMA的视频帧隔离和处理功能很强大
通过PS控制VDMA写通道启停
- （1）当VDMA写通道停止时
  - 1）VDMA写通道暂停接收视频数据
    - Video In to AXI4-Stream的AXI4-Stream接口的TREADY信号拉低，如下图所示
    - Video In to AXI4-Stream的FIFO仍在接收vid_gen_motion提供的视频数据，导致FIFO溢出，overflow信号不停拉高（通过观察应该是在每一行开始后不久拉高一个时钟周期），如下图所示
  - 2）VDMA读通道依然在发送数据
    - 显示器上小方块停止移动
    - 说明VDMA读通道在重复发送同一帧视频数据，该帧视频数据是VDMA写通道在停止前写入的最后一帧
    - 符合动态同步锁相模式的工作机制，即读通道（Dynamic Genlock Slave）会操作写通道（Dynamic Genlock Master）上一个周期操作的帧
- （2）当VDMA写通道重启据时
  - 1）Video In to AXI4-Stream的FIFO不再溢出
  - 2）显示器上小方块继续开始移动，但起始位置已不再是之前停止的位置，而是vid_gen_motion产生的视频数据中小方块的当前位置
- （3）再次证明：VTC和VDMA的视频帧隔离和处理功能的强大

4.2 工程源码

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");// 启动VDMA读写操作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;
}/*****************************************************************************//*****************************************************************************/