基于FPGA的SD NAND图片显示实现
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
0、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) beginif(rst_n == 1'b0) beginrd_busy_d0 <= 1'b0;rd_busy_d1 <= 1'b0;endelse beginrd_busy_d0 <= rd_busy;rd_busy_d1 <= rd_busy_d0;end
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) beginif(!rst_n) beginrd_flow_cnt <= 2'd0;rd_addr_sw <= 1'b0;rd_sec_cnt <= 11'd0;rd_start_en <= 1'b0;rd_sec_addr <= 32'd0;endelse beginrd_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;elserd_sec_addr <= PHOTO_SECTION_ADDR1; end2'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 elserd_start_en <= 1'b1; end end2'd2 : begindelay_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 = 1sdelay_cnt <= 26'd0;rd_flow_cnt <= 2'd0;end end default : ;endcase end
endendmodule（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：
第1幅图片： 深圳市雷龙发展有限公司
第2幅图片：本博客图像（星爷yyds）
好啦，本次实验就做完啦。
如果屏幕前的你也有存储产品方面的需求的话，你都可以试试雷龙公司的SD NAND产品哦。
这是一家专业做存储产品的公司，NAND Flash是其主要产品。 该公司专注NAND Flash设计研发13年，在这一块可以说是相当专业。如果你对NAND Flash仍有疑惑的问题，或者你想在你的设计中使用NAND Flash产品，都可以直接联系：深圳市雷龙发展有限公司
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