基于FPGA的SD NAND图片显示实现

深圳市雷龙发展有限公司 2023-01-07 770

描述

文章目录

0、前言

1、目标

2、图片的预处理

3、SD NAND的预处理

4、FPGA实现

4.1、详细设计

4.2、仿真

4.3、实验结果

·前言

在上一篇文章《基于FPGA的SD卡的数据读写实现（SD NAND FLASH）》中，我们了解到了SD NAND Flash的相关知识，并在FPGA平台上实现了对SD NAND的读写测试。SD NAND的读写测试可能会有点简单和枯燥，所以本文我们来搞点有乐趣性的----将存储在SD NAND内的两张图片通过FPGA读取，并通过VGA的方式在显示器上轮回显示。

1、目标

使用 SD NAND数据读写控制器读取事先存储在 SD NAND的图片数据，将读取的图片数据通过SDRAM 数据读写控制器暂存在 SDRAM 芯片中，通过 VGA 显示器将暂存在 SDRAM 的图片显示出来。 SD 卡内存储两张图片，其交替显示在 VGA 显示器上，分辨率为 640*480。

SD NAND在SD2.0版本协议下，SPI模式的理论最大传输速率为50Mbps，加上命令号以及等待返回响应信号的时间，实际上的传输速率还会下降。对于采用分辨率为640*480@60Hz 的显示器来说，一幅图像的数据量达到640*480*16bit = 4915200bit = 4800Kbit（1Kbit=1024bit），每秒钟刷新60次，那么每秒钟需要传输的数据量达到4800Kbit*60 = 288000Kbit =281.25Mbit （1Mbit=1024Kbit）。由此可以看出，SD卡的读写速度完全跟不上VGA的数据发送速度，因此必须先缓存一幅图像到内部或外部存储器，再通过VGA接口显示。FPGA的片内存储资源较少，对于缓存如此大量的数据，只能使用SDRAM或DDR3缓存数据。

2、图片的预处理

首先选取要显示的图片两张，使用 Window 系统自带的画图工具对图片进行处理，将图片处理为分辨率 640*480。

VGA的显示格式为16位RGB565格式，为了使SD NAND读出的数据可以直接在VGA上显示，需要将图片通过 “ IMG2LCD ” 上位机软件转成16位的RGB565格式的bin文件，再将bin文件导入SD NAND中。

使用 “ IMG2LCD ” 上位机软件打开两张图片，按如下设置相关参数，然后点击保存，就生成了两个图片的二进制文件（像素值）。

3、SD NAND的预处理

SD NAND在经过多次存放数据与删除数据之后，存入的文件有可能不是按照连续的扇区地址存储的，为了避免图片显示错误，我们将bin文件导入SD NAND之前，需要对SD NAND进行一个格式化处理。

首先得找个读卡器，再把所用到的SD NAND开发板插到读卡器上边，通过USB接口与PC建立链接。

本次实验我依然选用的是深圳雷龙公司的一款SD NAND产品----CSNP32GCR01-AOW。可以看到这款SD NAND开发板设计得很巧妙，把对外接口设计成了通用的micro接口，兼容性非常强，不管是插读卡器还是直接插FPGA开发板，都是即插即用，十分方便。

接着说回来对SD NAND的初始化处理。插上读卡器后，选择对应的磁盘，点击“格式化”，并点击“开始”

格式化完成后，将前面生成的两张图片对应的bin文件存入对应的SD NAND磁盘中：

SD NAND内部的存储资源是以扇区的形式进行划分的，为了将图片的bin数据从SD NAND中读取出来，我们需要找到图片存储对应的扇区地址。扇区地址可以用“WinHex 软件”来查看。

以管理员身份运行软件 WinHex 软件，点击“工具 ”，然后点击“打开磁盘”：

双击打开对应的SD NAND，记录下两个 bin文件的第一扇区地址：

此时查询到的扇区地址就是bin文件存放的起始扇区地址，我们只需要按照这个起始扇区地址，按顺序读出SD NAND中的数据即可，直到读完一张图片中的所有数据。SD NAND中一个扇区存放512个字节，也就是256个16位数据，对于分辨率为640*480的图片来说，共需要读出1200（640*480/256）个扇区数据。

4、FPGA实现

先说下总体思路：

· SD NAND中存有两幅图片，一副为雷龙公司的官网截图，另一幅则是本博客的头像

· FPGA从SD NAND中读取这两幅图片的像素信息，并缓存到SDRAM中

· 将SDRAM中的数据（两幅图片的像素信息）通过VGA接口显示在显示器上

根据这个思路，可以对应的画对应的系统框图：

FPGA顶层模块例化了以下五个模块：PLL时钟模块、SD NAND读取图片控制模块、SD NAND控制器模块、SDRAM控制器模块和VGA驱动模块。

4.1、详细设计

（1）顶层模块

顶层模块：顶层模块主要完成对其余各模块的例化，实现各模块之间的数据交互。需要注意的是，系统初始化完成是在SD NAND以及SDRAM都初始化完成后才开始拉高的，该信号控制着SD NAND读取图片控制模块的复位信号，因此SD NAND读取图片控制模块是在系统初始化完成后才工作的，防止因SD NAND或者SDRAM初始化未完成导致数据错误。

此部分代码如下：

module top_sd_photo_vga(

input sys_clk , //系统时钟

input sys_rst_n , //系统复位，低电平有效

//SD NAND接口

input sd_miso , //SD NANDSPI串行输入数据信号

output sd_clk , //SD NANDSPI时钟信号

output sd_cs , //SD NANDSPI片选信号

output sd_mosi , //SD NANDSPI串行输出数据信号

//SDRAM接口

output sdram_clk , //SDRAM 时钟

output sdram_cke , //SDRAM 时钟有效

output sdram_cs_n , //SDRAM 片选

output sdram_ras_n , //SDRAM 行有效

output sdram_cas_n , //SDRAM 列有效

output sdram_we_n , //SDRAM 写有效

output [1:0] sdram_ba , //SDRAM Bank地址

output [1:0] sdram_dqm , //SDRAM 数据掩码

output [12:0] sdram_addr , //SDRAM 地址

inout [15:0] sdram_data , //SDRAM 数据

//VGA接口

output vga_hs , //行同步信号

output vga_vs , //场同步信号

output [15:0] vga_rgb //红绿蓝三原色输出

);

//parameter define

parameter PHOTO_H_PIXEL = 24'd640 ; //设置SDRAM缓存大小

parameter PHOTO_V_PIXEL = 24'd480 ; //设置SDRAM缓存大小

//wire define

wire clk_100m ; //100mhz时钟,SDRAM操作时钟

wire clk_100m_shift ; //100mhz时钟,SDRAM相位偏移时钟

wire clk_50m ;

wire clk_50m_180deg ;

wire clk_25m ;

wire rst_n ;

wire locked ;

wire sys_init_done ; //系统初始化完成

wire sd_rd_start_en ; //开始写SD NAND数据信号

wire [31:0] sd_rd_sec_addr ; //读数据扇区地址

wire sd_rd_busy ; //读忙信号

wire sd_rd_val_en ; //数据读取有效使能信号

wire [15:0] sd_rd_val_data ; //读数据

wire sd_init_done ; //SD NAND初始化完成信号

wire wr_en ; //sdram_ctrl模块写使能

wire [15:0] wr_data ; //sdram_ctrl模块写数据

wire rd_en ; //sdram_ctrl模块读使能

wire [15:0] rd_data ; //sdram_ctrl模块读数据

wire sdram_init_done ; //SDRAM初始化完成

//*****************************************************

//** main code

//*****************************************************

assign rst_n = sys_rst_n & locked;

assign sys_init_done = sd_init_done & sdram_init_done; //SD NAND和SDRAM都初始化完成

assign wr_en = sd_rd_val_en;

assign wr_data = sd_rd_val_data;

//锁相环

pll_clk u_pll_clk(

.areset (1'b0 ),

.inclk0 (sys_clk ),

.c0 (clk_100m ),

.c1 (clk_100m_shift ),

.c2 (clk_50m ),

.c3 (clk_50m_180deg ),

.c4 (clk_25m ),

.locked (locked )

);

//读取SD NAND图片

sd_read_photo u_sd_read_photo(

.clk (clk_50m),

//系统初始化完成之后,再开始从SD NAND中读取图片

.rst_n (rst_n & sys_init_done),

.rd_busy (sd_rd_busy),

.rd_start_en (sd_rd_start_en),

.rd_sec_addr (sd_rd_sec_addr)

);

//SD NAND顶层控制模块

sd_ctrl_top u_sd_ctrl_top(

.clk_ref (clk_50m),

.clk_ref_180deg (clk_50m_180deg),

.rst_n (rst_n),

//SD NAND接口

.sd_miso (sd_miso),

.sd_clk (sd_clk),

.sd_cs (sd_cs),

.sd_mosi (sd_mosi),

//用户写SD NAND接口

.wr_start_en (1'b0), //不需要写入数据,写入接口赋值为0

.wr_sec_addr (32'b0),

.wr_data (16'b0),

.wr_busy (),

.wr_req (),

//用户读SD NAND接口

.rd_start_en (sd_rd_start_en),

.rd_sec_addr (sd_rd_sec_addr),

.rd_busy (sd_rd_busy),

.rd_val_en (sd_rd_val_en),

.rd_val_data (sd_rd_val_data),

.sd_init_done (sd_init_done)

);

//SDRAM 控制器顶层模块,封装成FIFO接口

//SDRAM 控制器地址组成: {bank_addr[1:0],row_addr[12:0],col_addr[8:0]}

sdram_top u_sdram_top(

.ref_clk (clk_100m), //sdram 控制器参考时钟

.out_clk (clk_100m_shift), //用于输出的相位偏移时钟

.rst_n (rst_n), //系统复位

//用户写端口

.wr_clk (clk_50m), //写端口FIFO: 写时钟

.wr_en (wr_en), //写端口FIFO: 写使能

.wr_data (wr_data), //写端口FIFO: 写数据

.wr_min_addr (24'd0), //写SDRAM的起始地址

.wr_max_addr (PHOTO_H_PIXEL*PHOTO_V_PIXEL),//写SDRAM的结束地址

.wr_len (10'd512), //写SDRAM时的数据突发长度

.wr_load (~rst_n), //写端口复位: 复位写地址,清空写FIFO

//用户读端口

.rd_clk (clk_25m), //读端口FIFO: 读时钟

.rd_en (rd_en), //读端口FIFO: 读使能

.rd_data (rd_data), //读端口FIFO: 读数据

.rd_min_addr (24'd0), //读SDRAM的起始地址

.rd_max_addr (PHOTO_H_PIXEL*PHOTO_V_PIXEL),//读SDRAM的结束地址

.rd_len (10'd512), //从SDRAM中读数据时的突发长度

.rd_load (~rst_n), //读端口复位: 复位读地址,清空读FIFO

//用户控制端口

.sdram_read_valid (1'b1), //SDRAM 读使能

.sdram_pingpang_en (1'b0), //SDRAM 乒乓操作使能

.sdram_init_done (sdram_init_done), //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_data (sdram_data), //SDRAM 数据

.sdram_dqm (sdram_dqm) //SDRAM 数据掩码

);

//VGA驱动模块

vga_driver u_vga_driver(

.vga_clk (clk_25m),

.sys_rst_n (rst_n),

.vga_hs (vga_hs),

.vga_vs (vga_vs),

.vga_rgb (vga_rgb),

.pixel_data (rd_data),

.data_req (rd_en), //请求像素点颜色数据输入

.pixel_xpos (),

.pixel_ypos ()

);

endmodule

（2） PLL时钟模块

PLL时钟模块：PLL时钟模块通过调用锁相环（PLL）IP核实现，总共输出五个时钟，频率分别为100Mhz、100Mhz（相位偏移-180度）、50Mhz、50Mhz（相位偏移180度）和25Mhz。两个100Mhz的时钟用于为SDRAM控制器模块提供驱动时钟；两个50Mhz的时钟用于为SD NAND控制器模块提供驱动时钟；25Mhz用于为VGA驱动模块提供驱动时钟。

（3） SD NAND读取图片控制模块

SD NAND读取图片控制模块：SD NAND读取图片控制模块通过控制SD NAND控制器的读接口，从SD NAND中读取图像数据，并在读完一张图片后延时一段时间，再去读取另一张图片数据，实现两张图片的循环切换读取。

此部分代码：

module sd_read_photo(

input clk , //时钟信号

input rst_n , //复位信号,低电平有效

input rd_busy , //SD NAND读忙信号

output reg rd_start_en , //开始写SD NAND数据信号

output reg [31:0] rd_sec_addr //读数据扇区地址

);

//parameter define

parameter PHOTO_SECCTION_ADDR0 = 32'd16640; //第一张图片扇区起始地址

parameter PHOTO_SECTION_ADDR1 = 32'd17856; //第二张图片扇区起始地址

//640*480/256 = 1200

parameter RD_SECTION_NUM = 11'd1200 ; //单张图片总共读出的次数

//reg define

reg [1:0] rd_flow_cnt ; //读数据流程控制计数器

reg [10:0] rd_sec_cnt ; //读扇区次数计数器

reg rd_addr_sw ; //读两张图片切换

reg [25:0] delay_cnt ; //延时切换图片计数器

reg rd_busy_d0 ; //读忙信号打拍，用来采下降沿

reg rd_busy_d1 ;

//wire define

wire neg_rd_busy ; //SD NAND读忙信号下降沿

//*****************************************************

//** main code

//*****************************************************

assign neg_rd_busy = rd_busy_d1 & (~rd_busy_d0);

//对rd_busy信号进行延时打拍,用于采rd_busy信号的下降沿

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if(rst_n == 1'b0) begin

rd_busy_d0 <= 1'b0;

rd_busy_d1 <= 1'b0;

end

else begin

rd_busy_d0 <= rd_busy;

rd_busy_d1 <= rd_busy_d0;

end

//循环读取SD NAND中的两张图片（读完之后延时1s再读下一个）

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if(!rst_n) begin

rd_flow_cnt <= 2'd0;

rd_addr_sw <= 1'b0;

rd_sec_cnt <= 11'd0;

rd_start_en <= 1'b0;

rd_sec_addr <= 32'd0;

end

else begin

rd_start_en <= 1'b0;

case(rd_flow_cnt)

2'd0 : begin

//开始读取SD NAND数据

rd_flow_cnt <= rd_flow_cnt + 2'd1;

rd_start_en <= 1'b1;

rd_addr_sw <= ~rd_addr_sw; //读数据地址切换

if(rd_addr_sw == 1'b0)

rd_sec_addr <= PHOTO_SECCTION_ADDR0;

else

rd_sec_addr <= PHOTO_SECTION_ADDR1;

end

2'd1 : begin

//读忙信号的下降沿代表读完一个扇区,开始读取下一扇区地址数据

if(neg_rd_busy) begin

rd_sec_cnt <= rd_sec_cnt + 11'd1;

rd_sec_addr <= rd_sec_addr + 32'd1;

//单张图片读完

if(rd_sec_cnt == RD_SECTION_NUM - 11'b1) begin

rd_sec_cnt <= 11'd0;

rd_flow_cnt <= rd_flow_cnt + 2'd1;

end

else

rd_start_en <= 1'b1;

end

2'd2 : begin

delay_cnt <= delay_cnt + 26'd1; //读取完成后延时1秒

if(delay_cnt == 26'd50_000_000 - 26'd1) begin //50_000_000*20ns = 1s

delay_cnt <= 26'd0;

rd_flow_cnt <= 2'd0;

end

default : ;

endcase

end

endmodule

（4）SD NAND控制器模块

SD NAND控制器模块：SD NAND控制器模块负责驱动SD NAND，该模块将SD NAND的读写操作封装成方便用户使用的接口。关于SD NAND读写控制器模块在上一篇文章中已经详细说明了，可参考：基于FPGA的SD卡的数据读写实现（SD NAND FLASH）

（5）SDRAM读写控制模块

SDRAM读写控制模块：SDRAM读写控制器模块负责驱动SDRAM存储器，缓存图像数据。该模块将SDRAM复杂的读写操作封装成类似FIFO的用户接口，非常方便用户的使用。关于此部分，有详尽的系列文章供参考：相信我，SDRAM真的不难----汇总篇

（6）VGA驱动模块

VGA驱动模块根据VGA时序参数输出行、场同步信号；同时它还要输出数据请求信号用于读取SDRAM中的图片数据，并将图片通过VGA接口在显示器上显示。关于此部分，有详尽的文章供参考：如何用VGA接口乳法？

4.2、仿真

一般的测试中，我们都需要先进行仿真来观察时序等测试行为。此次实验由于找不到好的SD NAND的Verilog模型，所以仿真测试略。

4.3、实验结果

编译工程，把程序下载到FPGA开发板，通过VGA接口连接VGA线到显示器，如下：

接着观察显示器是否会交替显示我们事先保存的两幅图片。实验现象果然与预期一致。

好啦，本次实验就做完啦。

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【本文转载自CSDN，作者：孤独的单刀】

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