如果能夠用FPGA能夠驅(qū)動顯示器，就可以做不少與視頻相關(guān)的實驗，很多FPGA開發(fā)板使用了比較簡單的VGA接口，連接非常簡單，如下圖：

只需要5跟線就可以連接VGA顯示器

連接VGA的原理圖

VGA連接器

然后我們就可以用FPGA的邏輯來做各種游戲了：

經(jīng)典的Pong游戲

關(guān)于如何用FPGA邏輯來驅(qū)動VGA顯示器，可以參考頁面：

然而，現(xiàn)在的顯示器基本上都使用的是HDMI連接器，VGA接口的顯示器只能在古老的實驗室里才有。所以我們要做視頻的一些項目，就要用FPGA來輸出HDMI的信號，HDMI的連接器有不同大小，常用的體積比較大，信號線的定義如下圖：

HDMI連接器

HDMI的信號線

標準的HMDI連接器有19個管腳，只有其中的8根是以差分信號的方式來傳輸高速視頻信息的，所以只需要8根FPGA的管腳，配制成7對差分TMDS輸出即可。

那時鐘的速率需要多快呢？如果我們要生成一個640*480 RGB 24bpp的視頻信號，刷新頻率為60Hz，每幀有307200個像素，每一個像素為24位（R｜G、B各8位），需要0.44Gbps的又用數(shù)據(jù)才能傳輸。再考慮一些屏外區(qū)域的信息，實際的分辨率需要大一些，比如800*525.

一個像素需要3 * 8位來傳輸，實際上HDMI還需要添加2bits以便對數(shù)據(jù)進行加擾，也就是需要3*10位來傳輸，每個像素需要30bits。

加擾用的額外數(shù)據(jù)用于接收端對接收到的數(shù)據(jù)進行同步，下面是TMDS差分信號的時序：

對于640*480分辨率的顯示，我們需要至少250MHz的時鐘信號，如果要獲得更高的分辨率則需要更高的時鐘頻率，小腳丫FPGA模塊中使用的Lattice的XO2-4000HC系列FPGA以及Intel的MAX10器件內(nèi)部的時鐘通過鎖相環(huán)生成，可以達到400MHz。支持640*480分辨率是沒有問題的，如果要獲得更高的分辨率可以采用DDR輸出的方式。

顯示驅(qū)動邏輯

屏幕的分布

通過邏輯編程，可以在顯示屏上實現(xiàn)如下的效果：

用HDMI顯示器實現(xiàn)的Pong游戲，比VGA實現(xiàn)的要效果好很多

PacMan游戲

具體的代碼實現(xiàn)可以參考頁面

講完了FPGA驅(qū)動HDMI，有沒有可能用單片機/微控制器也能實現(xiàn)同樣的效果呢？一般的MCU真的夠嗆，但樹莓派基金會推出的RP2040卻是可以做到的：

雖然RP2040的標稱時鐘為125MHz，但可以輕松超頻到250MHz，能夠滿足640*480分辨率的時鐘要求了

RP2040的PIO可以通過編程配置稱為4對差分輸出的串行信號

具體如何實現(xiàn)，看一下技術(shù)大神Luke Wren在RP2040上用GPIO通過Bitbang的方式得到的DVI接口

下面是他的電路原理圖（用KiCad繪制的，有源文件）

有位小哥使用他的代碼，在SparkFun的RP2040板上實現(xiàn)的效果：

在顯示屏上顯示文字：

顯示月亮：

當然也可以播放視頻

有人專門制作了一個板子，RP2040超頻到252MHz

關(guān)于用RP2040驅(qū)動HDMI的更多資源可以在Github搜索HDMIRP2040.

原文標題：用FPGA/樹莓派RP2040驅(qū)動HDMI的資源

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審核編輯：湯梓紅