W grudniu 2015 roku Michael Field, aktywny użytkownik forum Digilent, został przez firmę Digilent poproszony o przedstawienie swoich aplikacji wideo wysokiej rozdzielczości na platformach sprzętowych Nexys Video oraz Genesys 2 podczas międzynarodowej konferencji układów programowalnych (ICFTP). ICFTP jest ważną konferencją poświęconą układom programowalnym dla regionu Azji i Pacyfiku, która odbywa się w Nowej Zelandii. Michael przedstawił wyniki swojego niezwykłego projektu innym ekspertom z tej dziedziny. Szczegóły znajdują się poniżej.
Zbiór Mandelbrota na Genesys 2
Zbiór Mandelbrota jest dobrze znanym fraktalem. Mike zrealizował wyznaczanie zbioru Mandelbrota na zestawie FPGA Genesys 2, tworząc obrazy w czasie rzeczywistym. Podzielił się tym projektem z forum Digilent. Projekt wykorzystuje około 100.000 przerzutników, 150.000 komórek LUT (look-up-table) i 640 komórek Slice DSP układu FPGA Xilinx Kintex 7. W tym projekcie nie jest stosowany żaden bufor ramki – każdy piksel jest przeliczany na bieżąco przy odświeżaniu. Mike wykorzystał moc obliczeniową FPGA do przeprowadzenia iteracji i wygenerowania obrazu zbioru Bandelbrota. Użył również narzędzia Mixed Mode Clock Manager (MMCM) z pakietu Xilinx Vivado, aby wygenerować różne zegary wykorzystywane w systemie. Ten projekt jest ulepszeniem względem wersji Nexys Video.
Zbiór Mandelbrota jest dobrze znanym fraktalem. Mike zrealizował wyznaczanie zbioru Mandelbrota na zestawie FPGA Genesys 2, tworząc obrazy w czasie rzeczywistym. Podzielił się tym projektem z forum Digilent. Projekt wykorzystuje około 100.000 przerzutników, 150.000 komórek LUT (look-up-table) i 640 komórek Slice DSP układu FPGA Xilinx Kintex 7. W tym projekcie nie jest stosowany żaden bufor ramki – każdy piksel jest przeliczany na bieżąco przy odświeżaniu. Mike wykorzystał moc obliczeniową FPGA do przeprowadzenia iteracji i wygenerowania obrazu zbioru Bandelbrota. Użył również narzędzia Mixed Mode Clock Manager (MMCM) z pakietu Xilinx Vivado, aby wygenerować różne zegary wykorzystywane w systemie. Ten projekt jest ulepszeniem względem wersji Nexys Video.
Zbiór Mandelbrota uzyskany z użyciem Nexys Video
Rozdzielczość 4K na platformie Nexys Video
Interfejs cyfrowy DisplayPort został opracowany przez organizację VESA (Video Electronics Standards Association). Jest on wykorzystywany głównie do transmisji wideo w komputerach i urządzeniach peryferyjnych. Wiele osób porównuje DisplayPort z popularnym interfejsem HDMI. Choć oba są cyfrowymi interfejsami dla wyświetlaczy, istnieje między nimi wiele różnic pod względem specyfikacji i obsługi połączenia.
Interfejs cyfrowy DisplayPort został opracowany przez organizację VESA (Video Electronics Standards Association). Jest on wykorzystywany głównie do transmisji wideo w komputerach i urządzeniach peryferyjnych. Wiele osób porównuje DisplayPort z popularnym interfejsem HDMI. Choć oba są cyfrowymi interfejsami dla wyświetlaczy, istnieje między nimi wiele różnic pod względem specyfikacji i obsługi połączenia.
Ten artykuł wymienia najważniejsze różnice. Przykładowo, HDMI pozwala na sterowanie tylko jednym wyświetlaczem naraz, natomiast pojedynczy interfejs DisplayPort potrafi obsłużyć wiele monitorów, z których każdy otrzymuje niezależny strumień audio i wideo.
Mike podłączył sygnał filmu w rozdzielczości 1080p do portu wejściowego Nexys Video, a następnie przesłał sygnał wyjściowy do wejść mini-DisplayPort i DisplayPort monitora 4K. Wideo jest wyświetlane w rozdzielczości 2160p (3840 x 2160) z częstotliwością odświeżania 30 Hz. Cały projekt został napisany w języku VHDL. Cały projekt można znaleźć tutaj. Poniżej podany jest kompletny proces konfiguracji przeprowadzany przed jego uruchomieniem.
Mike podłączył sygnał filmu w rozdzielczości 1080p do portu wejściowego Nexys Video, a następnie przesłał sygnał wyjściowy do wejść mini-DisplayPort i DisplayPort monitora 4K. Wideo jest wyświetlane w rozdzielczości 2160p (3840 x 2160) z częstotliwością odświeżania 30 Hz. Cały projekt został napisany w języku VHDL. Cały projekt można znaleźć tutaj. Poniżej podany jest kompletny proces konfiguracji przeprowadzany przed jego uruchomieniem.
Proces konfiguracji
1. Wykrywany jest odbiornik/wyświetlacz sygnału wideo.
2. Następuje odczytanie identyfikatora odbiornika EDID (Extended Displayed Identification Data), dzięki czemu źródło sygnału poznaje jego charakterystykę.
3. Następuje konfiguracja kanałów. Na tym etapie można określić, ile kanałów będzie używanych i jakiego kodowanie jest stosowanie w połączeniu.
4. Uruchamiany jest nadajnik.
5. Następuje przesłanie sekwencji pozwalającej na odzyskanie zegara – symbol „1010101010” jest nadawany na wszystkich łączach. Odbiornik jest monitorowany, aby sprawdzić, czy odbiór przebiega prawidłowo – jeśli nie, to jakich poprawek należy dokonać (np. zwiększyć zakres napięcia).
6. Badanie wyrównania symboli. Na wszystkich łączach przesyłana jest specjalna sekwencja 10 symboli.
7. Następuje przełączenie do sekwencji spoczynkowej. Gdy główne łącza zostaną zsynchronizowane, źródło musi wysłać sekwencje spoczynkową. Jest to specjalna sekwencja, która informuje, że kanał pracuje – nawet, jeśli nie przesyła żadnych danych.
8. Przełączenie do aktywnego transferu sygnału wideo. Po wysłaniu sekwencji spoczynkowej źródło może przejść w tryb aktywnej transmisji.
9. Obserwacja połączenia. Jeśli z jakiegokolwiek obwodu odbiornik wymaga od nadajnika podjęcia akcji, wystawi sygnał Hot Plug Detect na okres około milisekundy. W takiej sytuacji nadajnik powinien odczytać rejestr statusu połączenia i podjąć odpowiednie akcje.
1. Wykrywany jest odbiornik/wyświetlacz sygnału wideo.
2. Następuje odczytanie identyfikatora odbiornika EDID (Extended Displayed Identification Data), dzięki czemu źródło sygnału poznaje jego charakterystykę.
3. Następuje konfiguracja kanałów. Na tym etapie można określić, ile kanałów będzie używanych i jakiego kodowanie jest stosowanie w połączeniu.
4. Uruchamiany jest nadajnik.
5. Następuje przesłanie sekwencji pozwalającej na odzyskanie zegara – symbol „1010101010” jest nadawany na wszystkich łączach. Odbiornik jest monitorowany, aby sprawdzić, czy odbiór przebiega prawidłowo – jeśli nie, to jakich poprawek należy dokonać (np. zwiększyć zakres napięcia).
6. Badanie wyrównania symboli. Na wszystkich łączach przesyłana jest specjalna sekwencja 10 symboli.
7. Następuje przełączenie do sekwencji spoczynkowej. Gdy główne łącza zostaną zsynchronizowane, źródło musi wysłać sekwencje spoczynkową. Jest to specjalna sekwencja, która informuje, że kanał pracuje – nawet, jeśli nie przesyła żadnych danych.
8. Przełączenie do aktywnego transferu sygnału wideo. Po wysłaniu sekwencji spoczynkowej źródło może przejść w tryb aktywnej transmisji.
9. Obserwacja połączenia. Jeśli z jakiegokolwiek obwodu odbiornik wymaga od nadajnika podjęcia akcji, wystawi sygnał Hot Plug Detect na okres około milisekundy. W takiej sytuacji nadajnik powinien odczytać rejestr statusu połączenia i podjąć odpowiednie akcje.
Mark po zakończeniu konferencji wspomina: „Jakość i przystępność prezentacji była niezwykle wysoka – szczerze polecam wykorzystać szansę udziału w ICFPT lub podobnym wydarzeniu. Dzięki wysiłkom Mike’a użytkownicy układów Digilent mogą teraz łatwiej zrealizować własne aplikacje bazujące na generacji, obróbce i analizie sygnałów wideo.
