FPGA高端项目：基于GTH的 4K HDMI 视频收发例程，提供工程源码和技术支持

1、前言
- 免责声明
2、相关方案推荐
- 我已有的 GT 高速接口解决方案
- 我已有的FPGA图像处理方案
3、详细设计方案
- 设计框图
- 4K HDMI 输入硬件解决方案
- Video PHY Controller
- HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystem
- 4K HDMI 解码后的视频流走向
- 4K HDMI 解码后的音频流走向
- HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem
- 4K HDMI 输出硬件解决方案
4、vivado工程详解
- PL 端 FPGA 逻辑设计工程
- PS 端 Vitis SDK 软件设计工程
5、工程移植说明
- vivado版本不一致处理
- FPGA型号不一致处理
- 其他注意事项
6、上板调试验证并演示
- 准备工作
- 输出静态演示
- 输出动态演示
7、福利：工程源码获取

1、前言

没玩过GT高速接口和4K 高清视频都不好意思说自己玩儿过FPGA，这是CSDN某大佬说过的一句话，鄙人深信不疑。。。GT资源是Xilinx系列FPGA的重要卖点，也是做高速接口的基础，不管是PCIE、SATA、MAC等，都需要用到GT资源来做数据高速串化和解串处理，Xilinx不同的FPGA系列拥有不同的GT资源类型，低端的A7由GTP，K7有GTX，V7有GTH，更高端的U+系列还有GTY等，他们的速度越来越高，应用场景也越来越高端。。。4K 高清视频需要的速率和带宽很大，传统的IO已经不能满足，只有利用FPGA的GT高速接口方能实现；

本文使用Xilinx的Zynq UltraScale+MPSoCs系列的xczu7ev-ffvc1156-2-i型号FPGA 的GTH高速接口资源做4K @60Hz的HDMI视频收发实验，4K @60Hz的视频源首先进入板载的TMDS181IRGZT芯片做电平转换，然后差分视频信号直接连到GTH 高速收发器BANK223上；调用Xilinx官方的Video PHY Controller IP核接收4K 高清视频并做解串工作，将原来高速串行信号解为3路20bit的AXI4-Stream并行数据，该IP利用FPGA GT资源，即利用GTH；然后调用Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystem IP核做4K 高清视频的解码工作，IP 同时解码出音频流核视频流，以AXI4-Stream流输出；然后Xilinx官方的Video Test Pattem Generator (TPG)，解码后的AXI4-Stream视频流进入TPG，该IP在没有外部AXI4-Stream视频流进入时输出彩条视频，否则输出外部AXI4-Stream视频；同时添加Xilinx官方推荐的音频生成模块(aud_pat_gen.v)和音频acr控制模块(hdmi_acr_ctrl.v)，解码后的AXI4-Stream音频流进入这两个模块进行处理；至此，HDMI的解码工作已经完成，此时可以对解码后的视频进行个性化处理了，比如缓存、缩放、卷积啥的，本工程只做回环输出操作；然后Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核做4K 高清视频的编码工作，同时编码视频流和音频流，输出3路AXI4-Stream流和DDC控制信号；3路AXI4-Stream流进入前面调用的Video PHY Controller IP核做4K 高清视频并做串化工作，将原3路20bit的AXI4-Stream并行数据串化为高速串行信号，该IP利用FPGA GT资源，即利用GTH；输出的差分视频信号从GTH 高速收发器 BANK223上输出，进入到板载的SN65DP159RGZ芯片做电平转换，然后连接到HDMI输出接口；板载的很多芯片都需要i2c配置，调用的很多IP核也需要配置，所以还需要调用Zynq软核进行配置，Zynq软核开发工具为Vitis SDK，利用ARM运行C语言软件代码，通过AXI-Lite总线配置IP寄存器实现配置；在Vitis SDK软件工程里做了两个工程，工程1是4K HDMI视频回环，即就收–发送；工程2是4K HDMI视频发送，即对外发送彩条视频；连接4K显示器，下载bit即可看到输出的4K HDMI视频；

注意！
注意！
注意！
本工程所用到的FPGA属于高端器件，所用到的资源也是高端资源，需要对FPGA GT高速接口、图像处理、FPGA异构特性、C语言嵌入式编程等有极高的熟练度要求，所以本工程源码不适合新手或小白，只适合有工作经验的工程师或者研究生；新手或小白请自行屏蔽；

本博客详细描述了Zynq UltraScale+MPSoCs系列的xczu7ev-ffvc1156-2-i型号FPGA 的GTH高速接口资源做4K @60Hz的HDMI视频收发实验的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我已有的 GT 高速接口解决方案

我的主页有FPGA GT 高速接口专栏，该专栏有 GTP 、 GTX 、 GTH 、 GTY 等GT 资源的视频传输例程和PCIE传输例程，其中 GTP基于A7系列FPGA开发板搭建，GTX基于K7或者ZYNQ系列FPGA开发板搭建，GTH基于KU或者V7系列FPGA开发板搭建，GTY基于KU+系列FPGA开发板搭建；以下是专栏地址：
点击直接前往

我已有的FPGA图像处理方案

我的主页目前有FPGA图像处理专栏，改专栏收录了我目前手里已有的FPGA图像处理方案，包括图像缩放、图像识别、图像拼接、图像融合、图像去雾、图像叠加、图像旋转、图像增强、图像字符叠加等等；以下是专栏地址：
点击直接前往

3、详细设计方案

设计框图

本设计使用的是Xilinx官方推荐的方案，该方案大致如下：
在这里插入图片描述
具体到本设计的工程详细设计方案框图如下：

4K HDMI 输入硬件解决方案

这里使用Xilinx推荐的方案，即TMDS181IRGZT芯片做电平转换，然后差分视频信号直接连到GTH 高速收发器BANK223上，其他方案肯定也是可以的，但这块目前开发的公司并不多，所以为了稳健考虑，还是使用Xilinx推荐的方案为佳，主要部分原理图如下：
在这里插入图片描述

Video PHY Controller

用XIlinx方案做4K HDMI视频收发必须要用到此IP，Video PHY Controller IP核主要做解串和串化的工作，利用FPGA GT资源，即利用GTH；在接收端接收4K 高清视频并做解串工作，将原来高速串行信号解为3路20bit的AXI4-Stream并行数据，在发送端做4K 高清视频并做串化工作，将原3路20bit的AXI4-Stream并行数据串化为高速串行信号；Video PHY Controller配置如下：
在这里插入图片描述
该IP需要在Vitis SDK中做进一步详细配置，详情参考Vitis SDK C语言软件代码；

HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystem

用XIlinx方案做4K HDMI视频收发必须要用到此IP，4K HDMI输入视频经过Video PHY Controller解串后输入HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystem IP，该IP做4K 高清视频的解码工作，IP 同时解码出音频流核视频流，以AXI4-Stream流输出；HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystemr配置如下：
在这里插入图片描述
该IP需要在Vitis SDK中做进一步详细配置，详情参考Vitis SDK C语言软件代码；

4K HDMI 解码后的视频流走向

HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystem同时解码出AXI4-Stream格式的视频流和音频流，视频流输入Xilinx官方的Video Test Pattem Generator IP核(TPG)，该IP在没有外部AXI4-Stream视频流进入时输出彩条视频，否则输出外部AXI4-Stream视频；TPG配合AXI-GPIO复位使用，IP组进行了封装，如下：
在这里插入图片描述
展开后以及TPG配置如下：

该IP需要在Vitis SDK中做进一步详细配置，详情参考Vitis SDK C语言软件代码；

4K HDMI 解码后的音频流走向

HDMI 1.4/2.0 Receiver Subsystem同时解码出AXI4-Stream格式的视频流和音频流，音频流输入Xilinx官方的音频生成模块(aud_pat_gen.v)和音频acr控制模块(hdmi_acr_ctrl.v)，解码后的AXI4-Stream音频流进入这两个模块进行处理；两个模块进行了封装，如下：
在这里插入图片描述
展开后如下：

这两个模块需要在Vitis SDK中做进一步详细配置，详情参考Vitis SDK C语言软件代码；

HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem

用XIlinx方案做4K HDMI视频收发必须要用到此IP，需要输出的4K HDMI视频先进入Xilinx官方的HDMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem IP核做4K 高清视频的编码工作，同时编码视频流和音频流，输出3路AXI4-Stream流和DDC控制信号；3路AXI4-Stream流进入前面调用的Video PHY Controller IP核做4K 高清视频并做串化工作，将原3路20bit的AXI4-Stream并行数据串化为高速串行信号；DMI 1.4/2.0 Transmitter Subsystem配置如下：
在这里插入图片描述
该IP需要在Vitis SDK中做进一步详细配置，详情参考Vitis SDK C语言软件代码；

4K HDMI 输出硬件解决方案

这里使用Xilinx推荐的方案，即SN65DP159RGZ芯片做电平转换，输出的差分视频信号从GTH 高速收发器 BANK223上输出，进入到板载的SN65DP159RGZ芯片做电平转换，然后连接到HDMI输出接口；其他方案肯定也是可以的，但这块目前开发的公司并不多，所以为了稳健考虑，还是使用Xilinx推荐的方案为佳，主要部分原理图如下：
在这里插入图片描述

4、vivado工程详解

PL 端 FPGA 逻辑设计工程

开发板FPGA型号：Xilinx–Zynq UltraScale+MPSoCs–xczu7ev-ffvc1156-2-i；
开发环境：Vivado2022.2；
输入：HDMI，分辨率4K @60Hz；
输出：HDMI，分辨率4K @60Hz；
工程作用：FPGA高端项目：基于GTH的4K HDMI 视频收发；
工程BD如下：
在这里插入图片描述
工程代码架构如下：

工程的资源消耗和功耗如下：

PS 端 Vitis SDK 软件设计工程

PS 端 Vitis SDK 软件依然是参考了Xilinx官方推荐的设计方案，主要是对一系列硬件芯片和IP做配置，在Vitis SDK软件工程里做了两个工程，工程1是4K HDMI视频回环，即就收–发送；工程2是4K HDMI视频发送，即对外发送彩条视频；工程代码架构如下：
在这里插入图片描述
源码展开后如下：

由于是参考了Xilinx官方推荐的设计方案，所以代码很冗长，很多代码也用不到，且官方的代码还有BUG，导致编译不通过，我已经对BUG进行了修复，但依然保留了代码的冗长特性，虽然不好看，但功能不受影响；

5、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；
在这里插入图片描述
3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：