一个FPGA通加载不同程序实现4K edp和V-by-One

原创于 2025-11-09 11:37:23 发布 · 1.7k 阅读

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#fpga开发 #V-By-One #eDP #4K #IP

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一个FPGA通过烧录不同程序实现edp和VBO是一个非常经典和实用的FPGA应用场景。这个方案的核心是创建一个基于FPGA的超高性能、可重构的视频接口平台。因为 V-by-One和 4K eDP 都是高性能接口，对FPGA的资源、引脚和设计方法提出了较高的要求。

一、核心概念：FPGA作为“万能”硬件

FPGA（现场可编程门阵列）的最大特点就是其可重构性。您可以通过烧写不同的比特流文件，在硬件层面改变其内部逻辑电路的功能。这就好比一块“万能”的硬件底板：

烧录程序A -> FPGA内部形成了eDP接口控制器和相关的视频处理电路。
烧录程序B -> FPGA内部形成了VBO接口控制器和相关的视频处理电路。

二、系统总体架构

下图展示了一个FPGA通过加载不同比特流，分别实现4K eDP TX和VByOne TX功能的系统框图：

三、实现 4K eDP 的关键细节

核心IP: 必须使用FPGA厂商的 DisplayPort/eDP TX IP Core。
- Xilinx: DisplayPort 1.4 TX Subsystem
- Intel: DisplayPort IP Core
链路配置:
- 4 Lanes, HBR3 (8.1 Gbps/lane): 总带宽 4 * 8.1 = 32.4 Gbps，轻松满足 4K@60Hz (~12.5 Gbps) 并有余量用于音频和辅助数据。
关键功能:
- MST (Multi-Stream Transport): 为未来多显示器支持做准备。
- DSC (Display Stream Compression): 如果支持，可以传输更高分辨率或刷新率。
- Panel Self-Refresh: 实现节能。

四、实现 VByOne 的关键细节

核心IP: 这是最大的挑战。VByOne IP通常由专业IP供应商（如 Thine Electronics）提供（本博主有 IP源码）。
- 与 eDP 的标准化IP不同，VByOne IP可能需要额外的许可费用。
链路配置:
- VBy-One HS 每 Lane 速率可达 3.0 Gbps / 4.0 Gbps。
- 对于 4K@60fps RGB 8bpc (~12.5 Gbps)，需要 4 Lanes @ 3.0 Gbps 或 3 Lanes @ 4.0 Gbps。
关键特性:
- 嵌入式时钟: 无需单独的时钟对，减少布线和引脚。
- CDR (Clock Data Recovery): 接收端通过CDR从数据流中恢复时钟。
- Training序列: 上电后需要进行链路训练以锁定时钟和相位。

4. 本博主IP接口:

 // tx-vbo
   input                      HTPDN_IN       , // (i) Hot Plug Detect
   input                      LOCKN_IN       , // (i) Lock Detect
   output                     vx1tx_clk,
   input  [TX_LANES-1:0]      vx1tx_vsync    , // (i) Vsync Input
   input  [TX_LANES-1:0]      vx1tx_hsync    , // (i) Hsync Input
   input  [TX_LANES-1:0]      vx1tx_de       , // (i) Pixel Data Valid Input
   input  [TX_LANES*40-1:0]   vx1tx_data     , // (i) Pixel Data Input             [39:0]
   input  [TX_LANES*24-1:0]   vx1tx_ctrl     , // (i) Pixel Control Data Input     [23:0]

五、巨大的挑战与解决方案

1：引脚兼容性

这是最严峻的硬件设计挑战。eDP 和 VByOne 都使用高速串行接口，但它们的电气特性、协议和训练机制完全不同。

最优方案: 设计一个PCB，让同一组高速串行引脚既能连接到eDP显示器的连接器，又能连接到VByOne设备的连接器。可通不同屏线实现连接。既提高了FPGA资源利用率，又降低了生产成本。
一般方案:
1. 独立的物理连接器: PCB上同时放置一个eDP连接器和一个VByOne连接器。
2. FPGA引脚分配: 将 eDP 的 Lane 分配到 FPGA 的某一组高速 Bank，将 VByOne 的 Lane 分配到另一组高速 Bank。
3. 程序切换逻辑: 当加载 edp_4k.bit 时，只有 eDP 对应的 Bank 被激活，输出 eDP 信号；当加载 vbo_4k.bit 时，只有 VByOne 对应的 Bank 被激活，输出 VByOne 信号。

2：高的性能与资源消耗

FPGA选型: 必须选择中高端FPGA，例如：
- Xilinx: Artix-7/Kintex-7 高配型号，或 UltraScale/UltraScale+ 系列。
- Intel: Cyclone V/V10 高配型号，或 Arria 10 系列。
关键资源:
- 高速收发器数量: 需要至少 8 个（4 for eDP + 4 for VByOne，如果同时布局）。
- 逻辑单元 (LUT/FF): 需要大量资源来处理两个高性能协议。
- 块存储器 (BRAM): 用于视频帧缓冲和协议栈。
- DSP块: 用于可能的视频处理算法。

3：IP获取与集成

eDP IP: 相对容易，可从FPGA厂商直接获得。
VByOne IP: 难度高。需要联系专门的IP供应商（如Thine）或FPGA厂商的合作伙伴，通常涉及商业授权。可能需要自己实现部分PHY层，但这极其困难。（但是本博主有 IP源码，并有成熟解决方案https://blog.youkuaiyun.com/Js_cold/article/details/144302449）。

六、实现步骤总结

硬件设计:
- 选择一款具有足够高速收发器和高逻辑资源的中高端FPGA。
- PCB设计包含独立的eDP和VByOne连接器。
- 将FPGA的高速Bank分别路由到这两个连接器。
- 包含一个外部Flash和MCU用于管理多重配置。
IP获取与集成:
- 从FPGA厂商获取 eDP TX IP Core。
- 从第三方供应商购买或授权 VByOne IP Core。
- 分别构建两个独立的FPGA项目（edp_4k 和 vbo_4k）。
固件开发:
- 在两个项目中实现通用的视频处理前端（输入、缩放、色彩空间转换）。
- 分别集成并配置 eDP 和 VByOne IP核。
- 生成两个完整的比特流文件。
系统集成与测试:
- 将两个比特流文件存储在外部Flash的指定位置。
- 开发MCU固件，根据用户命令或自动检测来触发比特流重配置。
- 分别连接eDP显示器和VByOne设备进行严格测试。