原创 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

·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。

        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

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                    

            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 

            end    

            default : ;

        endcase    

    end

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？

        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。

        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

        术业有专攻，闻道有先后，专业的事就交给专业的人处理。如果你有这方面的设计需求都可以直接找他们要免费样品哦。

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【本文转载自CSDN，作者：孤独的单刀】