文章目錄

0、前言

1、目標

2、圖片的預處理

3、SD NAND的預處理

4、FPGA實現

4.1、詳細設計

4.2、仿真

4.3、實驗結果

·前言

在上一篇文章《基于FPGA的SD卡的數據讀寫實現（SD NAND FLASH）》中，我們了解到了SD NAND Flash的相關知識，并在FPGA平臺上實現了對SD NAND的讀寫測試。SD NAND的讀寫測試可能會有點簡單和枯燥，所以本文我們來搞點有樂趣性的----將存儲在SD NAND內的兩張圖片通過FPGA讀取，并通過VGA的方式在顯示器上輪回顯示。

1、目標

使用 SD NAND數據讀寫控制器讀取事先存儲在 SD NAND的圖片數據，將讀取的圖片數據通過SDRAM 數據讀寫控制器暫存在 SDRAM 芯片中，通過 VGA 顯示器將暫存在 SDRAM 的圖片顯示出來。 SD 卡內存儲兩張圖片，其交替顯示在 VGA 顯示器上，分辨率為 640*480。

SD NAND在SD2.0版本協議下，SPI模式的理論最大傳輸速率為50Mbps，加上命令號以及等待返回響應信號的時間，實際上的傳輸速率還會下降。對于采用分辨率為640*480@60Hz 的顯示器來說，一幅圖像的數據量達到640*480*16bit = 4915200bit = 4800Kbit（1Kbit=1024bit）， 每秒鐘刷新60次，那么每秒鐘需要傳輸的數據量達到4800Kbit*60 = 288000Kbit =281.25Mbit （1Mbit=1024Kbit）。由此可以看出，SD卡的讀寫速度完全跟不上VGA的數據發送速度，因此必須先緩存一幅圖像到內部或外部存儲器，再通過VGA接口顯示。FPGA的片內存儲資源較少，對于緩存如此大量的數據，只能使用SDRAM或DDR3緩存數據。

2、圖片的預處理

首先選取要顯示的圖片兩張，使用 Window 系統自帶的畫圖工具對圖片進行處理，將圖片處理為分辨率 640*480。

VGA的顯示格式為16位RGB565格式，為了使SD NAND讀出的數據可以直接在VGA上顯示，需要將圖片通過 “ IMG2LCD ” 上位機軟件轉成16位的RGB565格式的bin文件，再將bin文件導入SD NAND中。

使用 “ IMG2LCD ” 上位機軟件打開兩張圖片，按如下設置相關參數，然后點擊保存，就生成了兩個圖片的二進制文件（像素值）。

3、SD NAND的預處理

SD NAND在經過多次存放數據與刪除數據之后，存入的文件有可能不是按照連續的扇區地址存儲的，為了避免圖片顯示錯誤，我們將bin文件導入SD NAND之前，需要對SD NAND進行一個格式化處理。

首先得找個讀卡器，再把所用到的SD NAND開發板插到讀卡器上邊，通過USB接口與PC建立鏈接。

本次實驗我依然選用的是深圳雷龍公司的一款SD NAND產品----CSNP32GCR01-AOW。 可以看到這款SD NAND開發板設計得很巧妙，把對外接口設計成了通用的micro接口，兼容性非常強，不管是插讀卡器還是直接插FPGA開發板，都是即插即用，十分方便。

接著說回來對SD NAND的初始化處理。插上讀卡器后，選擇對應的磁盤，點擊“格式化”，并點擊“開始”

格式化完成后，將前面生成的兩張圖片對應的bin文件存入對應的SD NAND磁盤中：

SD NAND內部的存儲資源是以扇區的形式進行劃分的，為了將圖片的bin數據從SD NAND中讀取出來，我們需要找到圖片存儲對應的扇區地址。扇區地址可以用“WinHex 軟件”來查看。

以管理員身份運行軟件 WinHex 軟件，點擊“工具 ”，然后點擊“打開磁盤”：

雙擊打開對應的SD NAND，記錄下兩個 bin文件的第一扇區地址：

此時查詢到的扇區地址就是bin文件存放的起始扇區地址，我們只需要按照這個起始扇區地址，按順序讀出SD NAND中的數據即可，直到讀完一張圖片中的所有數據。SD NAND中一個扇區存放512個字節，也就是256個16位數據，對于分辨率為640*480的圖片來說，共需要讀出1200（640*480/256）個扇區數據。

4、FPGA實現

先說下總體思路：

· SD NAND中存有兩幅圖片，一副為雷龍公司的官網截圖，另一幅則是本博客的頭像

· FPGA從SD NAND中讀取這兩幅圖片的像素信息，并緩存到SDRAM中

· 將SDRAM中的數據（兩幅圖片的像素信息）通過VGA接口顯示在顯示器上

根據這個思路，可以對應的畫對應的系統框圖：

FPGA頂層模塊例化了以下五個模塊：PLL時鐘模塊、SD NAND讀取圖片控制模塊、SD NAND控制器模塊、SDRAM控制器模塊和VGA驅動模塊。

4.1、詳細設計

（1） 頂層模塊

頂層模塊：頂層模塊主要完成對其余各模塊的例化，實現各模塊之間的數據交互。需要注意的是，系統初始化完成是在SD NAND以及SDRAM都初始化完成后才開始拉高的，該信號控制著SD NAND讀取圖片控制模塊的復位信號，因此SD NAND讀取圖片控制模塊是在系統初始化完成后才工作的，防止因SD NAND或者SDRAM初始化未完成導致數據錯誤。

此部分代碼如下：

module top_sd_photo_vga(

input sys_clk , //系統時鐘

input sys_rst_n , //系統復位，低電平有效

//SD NAND接口

input sd_miso , //SD NANDSPI串行輸入數據信號

output sd_clk , //SD NANDSPI時鐘信號

output sd_cs , //SD NANDSPI片選信號

output sd_mosi , //SD NANDSPI串行輸出數據信號

//SDRAM接口

output sdram_clk , //SDRAM 時鐘

output sdram_cke , //SDRAM 時鐘有效

output sdram_cs_n , //SDRAM 片選

output sdram_ras_n , //SDRAM 行有效

output sdram_cas_n , //SDRAM 列有效

output sdram_we_n , //SDRAM 寫有效

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

output [1:0] sdram_dqm , //SDRAM 數據掩碼

output [12:0] sdram_addr , //SDRAM 地址

inout [15:0] sdram_data , //SDRAM 數據

//VGA接口

output vga_hs , //行同步信號

output vga_vs , //場同步信號

output [15:0] vga_rgb //紅綠藍三原色輸出

);

//parameter define

parameter PHOTO_H_PIXEL = 24'd640 ; //設置SDRAM緩存大小

parameter PHOTO_V_PIXEL = 24'd480 ; //設置SDRAM緩存大小

//wire define

wire clk_100m ; //100mhz時鐘,SDRAM操作時鐘

wire clk_100m_shift ; //100mhz時鐘,SDRAM相位偏移時鐘

wire clk_50m ;

wire clk_50m_180deg ;

wire clk_25m ;

wire rst_n ;

wire locked ;

wire sys_init_done ; //系統初始化完成

wire sd_rd_start_en ; //開始寫SD NAND數據信號

wire [31:0] sd_rd_sec_addr ; //讀數據扇區地址

wire sd_rd_busy ; //讀忙信號

wire sd_rd_val_en ; //數據讀取有效使能信號

wire [15:0] sd_rd_val_data ; //讀數據

wire sd_init_done ; //SD NAND初始化完成信號

wire wr_en ; //sdram_ctrl模塊寫使能

wire [15:0] wr_data ; //sdram_ctrl模塊寫數據

wire rd_en ; //sdram_ctrl模塊讀使能

wire [15:0] rd_data ; //sdram_ctrl模塊讀數據

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;

//鎖相環

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 )

);

//讀取SD NAND圖片

sd_read_photo u_sd_read_photo(

.clk (clk_50m),

//系統初始化完成之后,再開始從SD NAND中讀取圖片

.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頂層控制模塊

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),

//用戶寫SD NAND接口

.wr_start_en (1'b0), //不需要寫入數據,寫入接口賦值為0

.wr_sec_addr (32'b0),

.wr_data (16'b0),

.wr_busy (),

.wr_req (),

//用戶讀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 控制器頂層模塊,封裝成FIFO接口

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

sdram_top u_sdram_top(

.ref_clk (clk_100m), //sdram 控制器參考時鐘

.out_clk (clk_100m_shift), //用于輸出的相位偏移時鐘

.rst_n (rst_n), //系統復位

//用戶寫端口

.wr_clk (clk_50m), //寫端口FIFO: 寫時鐘

.wr_en (wr_en), //寫端口FIFO: 寫使能

.wr_data (wr_data), //寫端口FIFO: 寫數據

.wr_min_addr (24'd0), //寫SDRAM的起始地址

.wr_max_addr (PHOTO_H_PIXEL*PHOTO_V_PIXEL),//寫SDRAM的結束地址

.wr_len (10'd512), //寫SDRAM時的數據突發長度

.wr_load (~rst_n), //寫端口復位: 復位寫地址,清空寫FIFO

//用戶讀端口

.rd_clk (clk_25m), //讀端口FIFO: 讀時鐘

.rd_en (rd_en), //讀端口FIFO: 讀使能

.rd_data (rd_data), //讀端口FIFO: 讀數據

.rd_min_addr (24'd0), //讀SDRAM的起始地址

.rd_max_addr (PHOTO_H_PIXEL*PHOTO_V_PIXEL),//讀SDRAM的結束地址

.rd_len (10'd512), //從SDRAM中讀數據時的突發長度

.rd_load (~rst_n), //讀端口復位: 復位讀地址,清空讀FIFO

//用戶控制端口

.sdram_read_valid (1'b1), //SDRAM 讀使能

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

.sdram_init_done (sdram_init_done), //SDRAM 初始化完成標志

//SDRAM 芯片接口

.sdram_clk (sdram_clk), //SDRAM 芯片時鐘

.sdram_cke (sdram_cke), //SDRAM 時鐘有效

.sdram_cs_n (sdram_cs_n), //SDRAM 片選

.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 寫有效

.sdram_ba (sdram_ba), //SDRAM Bank地址

.sdram_addr (sdram_addr), //SDRAM 行/列地址

.sdram_data (sdram_data), //SDRAM 數據

.sdram_dqm (sdram_dqm) //SDRAM 數據掩碼

);

//VGA驅動模塊

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), //請求像素點顏色數據輸入

.pixel_xpos (),

.pixel_ypos ()

);

endmodule

（2） PLL時鐘模塊

PLL時鐘模塊：PLL時鐘模塊通過調用鎖相環（PLL）IP核實現，總共輸出五個時鐘，頻率分別為100Mhz、100Mhz（相位偏移-180度）、50Mhz、50Mhz（相位偏移180度）和25Mhz。 兩個100Mhz的時鐘用于為SDRAM控制器模塊提供驅動時鐘；兩個50Mhz的時鐘用于為SD NAND控制器模塊提供驅動時鐘；25Mhz用于為VGA驅動模塊提供驅動時鐘。

（3） SD NAND讀取圖片控制模塊

SD NAND讀取圖片控制模塊：SD NAND讀取圖片控制模塊通過控制SD NAND控制器的讀接口，從SD NAND中讀取圖像數據，并在讀完一張圖片后延時一段時間，再去讀取另一張圖片數據，實現兩張圖片的循環切換讀取。

此部分代碼：

module sd_read_photo(

input clk , //時鐘信號

input rst_n , //復位信號,低電平有效

input rd_busy , //SD NAND讀忙信號

output reg rd_start_en , //開始寫SD NAND數據信號

output reg [31:0] rd_sec_addr //讀數據扇區地址

);

//parameter define

parameter PHOTO_SECCTION_ADDR0 = 32'd16640; //第一張圖片扇區起始地址

parameter PHOTO_SECTION_ADDR1 = 32'd17856; //第二張圖片扇區起始地址

//640*480/256 = 1200

parameter RD_SECTION_NUM = 11'd1200 ; //單張圖片總共讀出的次數

//reg define

reg [1:0] rd_flow_cnt ; //讀數據流程控制計數器

reg [10:0] rd_sec_cnt ; //讀扇區次數計數器

reg rd_addr_sw ; //讀兩張圖片切換

reg [25:0] delay_cnt ; //延時切換圖片計數器

reg rd_busy_d0 ; //讀忙信號打拍，用來采下降沿

reg rd_busy_d1 ;

//wire define

wire neg_rd_busy ; //SD NAND讀忙信號下降沿

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

//** main code

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

assign neg_rd_busy = rd_busy_d1 & (~rd_busy_d0);

//對rd_busy信號進行延時打拍,用于采rd_busy信號的下降沿

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

end

//循環讀取SD NAND中的兩張圖片（讀完之后延時1s再讀下一個）

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

//開始讀取SD NAND數據

rd_flow_cnt <= rd_flow_cnt + 2'd1;

rd_start_en <= 1'b1;

rd_addr_sw <= ~rd_addr_sw;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//讀數據地址切換

if(rd_addr_sw == 1'b0)

rd_sec_addr <= PHOTO_SECCTION_ADDR0;

else

rd_sec_addr <= PHOTO_SECTION_ADDR1;? ??

end

2'd1 : begin

//讀忙信號的下降沿代表讀完一個扇區,開始讀取下一扇區地址數據

if(neg_rd_busy) begin

rd_sec_cnt <= rd_sec_cnt + 11'd1;

rd_sec_addr <= rd_sec_addr + 32'd1;

//單張圖片讀完

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

end

2'd2 : begin

delay_cnt <= delay_cnt + 26'd1;? ? ? ? ? ? ? ? //讀取完成后延時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

end

default : ;

endcase

end

end

endmodule

（4）SD NAND控制器模塊

SD NAND控制器模塊：SD NAND控制器模塊負責驅動SD NAND，該模塊將SD NAND的讀寫操作封裝成方便用戶使用的接口。關于SD NAND讀寫控制器模塊在上一篇文章中已經詳細說明了，可參考： 基于FPGA的SD卡的數據讀寫實現（SD NAND FLASH）

（5）SDRAM讀寫控制模塊

SDRAM讀寫控制模塊：SDRAM讀寫控制器模塊負責驅動SDRAM存儲器，緩存圖像數據。該模塊將SDRAM復雜的讀寫操作封裝成類似FIFO的用戶接口， 非常方便用戶的使用。關于此部分，有詳盡的系列文章供參考：相信我，SDRAM真的不難----匯總篇

（6）VGA驅動模塊

VGA驅動模塊根據VGA時序參數輸出行、場同步信號；同時它還要輸出數據請求信號用于讀取SDRAM中的圖片數據，并將圖片通過VGA接口在顯示器上顯示。關于此部分，有詳盡的文章供參考：如何用VGA接口乳法？

4.2、仿真

一般的測試中，我們都需要先進行仿真來觀察時序等測試行為。此次實驗由于找不到好的SD NAND的Verilog模型，所以仿真測試略。

4.3、實驗結果

編譯工程，把程序下載到FPGA開發板，通過VGA接口連接VGA線到顯示器，如下：

接著觀察顯示器是否會交替顯示我們事先保存的兩幅圖片。實驗現象果然與預期一致。

好啦，本次實驗就做完啦。

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【本文轉載自CSDN，作者：孤獨的單刀】