Что есть жизнь? Это вечное стремление познавать не познанное. Я же познаю программирование ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Просто поморгать светодиодом для меня не очень интересно и пришлось придумать задачу серьезнее. Так и родилась идея видеокарты (VGA) для микроконтроллера. Серьезным дядькам эта штука вряд ли пригодиться, а вот новичкам... Очень даже может быть. От того и было решено «заточить» видеокарту под Arduino NANO.
Основой проекта стала ПЛИС EPM240T100C5N семейства MAX II. И понеслось: datasheet на микросхему, разводка печатной платы, заказ платы, ну и пайка. Такую мелочь я ещё не паял, но глаза боятся – а руки делают. Так и родилось это устройство.
Подключаем Arduino NANO
Получаем на выходе 256 пикселей по горизонтали, 128 пикселей по вертикали и 256 цветов.
Демонстрационное видео.
Если есть видеокарта, то, что мешает сделать видеоигру? Сказано – сделано!
Картина была бы не полной без компьютерной мыши.)
Недостатки:
1. Низкое разрешение, но если учесть, что видеокарта рассчитана на низко производительный микроконтроллер, то это не недостаток, а продиктованная необходимость.
2. Задействовано слишком много пинов микроконтроллера. 8 – шина, 3-команды, 1- ответ от видеокарты.
Вот такой вот мой первый блин. А съедобен он или нет решать Вам!
Комментарии (57)
VT100
07.10.2021 19:14+6Из зала кричат: "Слайды!"
Т.е. немного о преодолении трудностей и ссылки на коды и схемы.
PNP80 Автор
07.10.2021 19:43если на скорую руку, то можно глянуть схему и исходники здесь(правда чуть чуть устаревший вариант. Нет функции "пипетка")
https://hackaday.io/project/179852-bk-1-vga-board
trak
07.10.2021 22:56"Вы вообще нормальный?!" :) На самом деле уважаю, сам никогда такое не повторю, к сожалению.
dcoder_mm
07.10.2021 23:15+11А у вас же там нет фреймбуфера и тайминги шины завязаны на тайминги VGA? Зачем тогда передавать координаты пикселей?
И если нет фреймбуфера, то зачем вообще ПЛИС, можно дергать пинами с таймингами VGA: Раз, Два, Видеоигры
И даже на сайте хабрахабр точка руP.S. Это должен был быть коммент к статье, а не реплай. Я не очень умный.
Fasterpast
08.10.2021 01:32+1Любопытно ) Можно ведь сделать аппаратный скроллинг и поддержку спрайтов, тогда и Марио будет плавно работать.
qixiz
08.10.2021 09:30+2Здорово! Завидую!) Связка ПЛИС + Arduino выглядит как неравный брак. Насколько просторнее надо взять ПЛИС, чтобы одновременно эмулировать Arduino?
yatanai
10.10.2021 05:39Я точно не помню, но есть проекты мегх каких-то, у них утилизация на ~2-5К ячеек, притом они полностью совместимы с последними стандартами AVR. Есть ещё проекты на OpenCores, но там самопал какой-то, я не смотрел. Так же есть сайт marsohod.org вроде, там дядьки делают самоделки, там же делали "микро AVR" на том же камне что и у нашего героя. Единственное на марсоходе деды сидят которые в схем-редакторе рисуют прошивку, verilog\VHDL кода там мало.
На счёт нормальных ядер AVR под "ПЛИС", там у вас говнокодить не выйдет. Это нормальные люди пишут с нормальными инструментами и скорее всего у вас даже с "разгона" на обкуривание док ничего не получиться. Максимум на шину устройство своё прикрутить, не более. (грубо говоря сделать свой AVR с 8 SPI+UART, ок?)
***
Из более менее обкатанного даже на марсаходе - amber ARM v2. Железка неплохая, код хоть и перегруженный названиями, но разобраться можно. Утилизация около 1.5-2К, если правильно помню. На этой фигне чо только не делали, можно много нагуглить, я полагаю. (+он там вроде по wishbone шине работает, тоесть просто взять что-то из opencores и прикрутить туда не сильно проблем создаст)
***
Если совсем скучно, можно попробовать написать самописный процессор, это не сложно. Из минусов - придётся писать прогу для ассемблера. + Надо отладчиком научиться пользоваться, чтоб хернёй не страдать. (как я раньше) Будет у вас процессор читать из порта SPI, а данных там нет, почему? (пример)
***
Итого вам должно хватить 6К ячеек "ПЛИС" для всяких маленьких подделок с софт процом, а хотите что-то нормальное, берите хотя бы 20К. (хотя что "самодельщик" может тяжёлого сделать? лол)
ЗЫ Если сами разводите платы берите CPLD, ибо в FPGA нужна флеш для прошивки, а там легко накосячить и не то взять если детально не разобраться. (хотя CPLD быстро умирают если напряжения и эксплуатационные условия не соблюдать, но что вам эти +- пол года на утечку 1 бита из прошивки?)
COKPOWEHEU
08.10.2021 11:36+14А где статья-то? Какую полезную информацию можно получить из набора картинок и видео? Где описание работы, подводные камни, ограничения — где хоть что-то?!
dlinyj
08.10.2021 12:50+1Я не автор, если что. Но вот hackaday.io/project/179852-bk-1-vga-board
А по теме, такое чаще всего, когда есть законченное изделие, поделиться его работой хочется, а детально рассказать уже не хватает моральных сил.COKPOWEHEU
08.10.2021 13:31+4Эта ссылка должна быть в «статье».
Ну а еще нормальные статьи принято начинать с постановки задачи: для чего это вообще делалось. Мне, например, не очевидно, насколько хватит возможностей Ардуины, учитывая, что у нее всего 4 кБ оперативки.
Alyoshka1976
08.10.2021 15:31Оперативку можно расширять посредством I2C или SPI модулей. Тогда одной Arduino Nano (ака ATmega 328) хватает для косплея автономного 8-битного компьютера под управлением CP/M с выводом текстового изображения на ТВ 20 строк по 45 колонок символами 4x8, PS/2 клавитура поддерживается примкнувшим STM8. А в плане видеокарт - одна выделенная Arduino Nano может выводить монохром 320x224 с аппаратным плавным попиксельным вертикальным скроллингом (это реализуется очень просто - смещением адреса начала видеобуфера, такую штуку использовали в стародавние времена в одном из Amstrad-ов).
P.S. А можно обойтись и без дополнительной оперативки - память можно эмулировать SD-карточкой, с кэшированием командная строка CP/M вполне отзывчива - такое тоже было, в еще более древних машинах, память на магнитных барабанах играла роль ОЗУ.COKPOWEHEU
08.10.2021 15:53+1Оперативку можно расширять посредством I2C или SPI модулей.
Только скорость тогда вообще в ноль упадет. Даже в идеальном случае на чтение 1 байта уйдет 16 тактов. Не считая адреса и работы драйвера этой внешней ОЗУ.с выводом текстового изображения
Вот вывод текста это другое дело. Если не рисовать каждую букву из пикселей, а послать видеокарте команду «нарисуй 'A'».А в плане видеокарт — одна выделенная Arduino Nano может выводить
ИМХО практичнее было бы сэмулировать какой-нибудь дисплей, который к ардуинам подключают — ili9341 например — и выводить не на трехдюймовую матрицу, а на VGA. По крайней мере под них уже написано довольно много кода, глядишь и пригодится кому.
А если бы такое делал я, скорее ориентировался бы на терминалы вроде vt100 — с управлением по UART. Ну, может, добавил бы специфичных ESC-последовательностей для графического режима.Alyoshka1976
08.10.2021 16:07Только скорость тогда вообще в ноль упадет. Даже в идеальном случае на чтение 1 байта уйдет 16 тактов. Не считая адреса и работы драйвера этой внешней ОЗУ.
Все верно - но штатная оперативка атмеги используется как кэш - однолинейный для инструкций, многолинейный - для данных (все по настоящему )))). И еще немаловажно - атмега еще и эмулирует 8080-й. Скорость эквивалентна 500-600 кГц 8080-го в FAST-режиме (когда гасится экран), 150 кГц - в обычном - медленно, но командная строка CP/M вполне-вполне отзывчива.
Вот вывод текста это другое дело. Если не рисовать каждую букву из пикселей, а послать видеокарте команду «нарисуй 'A'».
Совершенно верно. Во флэше атмеги прошит знакогенератор, экранный буфер в памяти меги - символьный, эмуляция BIOS-процедур CPM 2.2 - экранные - там все просто, а вот разобраться с форматом данных для дисковых процедур - не совсем). IMHO получается симпатично (это знаменитый в узких кругах тест процессора, пройденный "нанокомпьютером"):
выводить не на трехдюймовую матрицу, а на VGA
Вывод на телевизор (композитный сигнал).
P.S. Поддерживаются два виртуальных экрана (буква L в строе статуса обозначает левый экран) (аналогичная штука было в многих микрокомпьютерах, например, Osborne), поэтому чтобы посмотреть правую часть - надо переключиться нажатием сочетания клавиш на PS/2-клавиатуре). Получился полный фьюжн из разных техник, примененных в компьютерах времени моего детства.
P.P.S. Небольшой чит - экран снят ТВ-тюнером, а не фотографированием телевизора.COKPOWEHEU
08.10.2021 22:39Куда-то вас слишком далеко занесло. У AVR и так с мощностью негусто. Чего вы хотите добиться, заставляя ее еще и эмулировать другой процессор?
dcoder_mm
08.10.2021 18:30А можно взять более жирный МК, у которого наружу торчит параллельная шина (большие AVR/STM32) и повесить на нее и внешнюю память и видеокарту. Будет всё как у больших компьютеров
seri0shka
08.10.2021 21:48Ничего себе уровень для новичка!
Предположил, что EPM240T100C5N стоит раз в пять дороже Arduino NANO. Посмотрел, оказалось гораздо привлекательней (с поправкой на нынешние цены контроллеров). Есть ли какая ардуиноподобная среда, чтоб попробовать "войти" в ПЛИС?
Ivanii
08.10.2021 22:55Есть Квартус с графическим редактором.
SignallerK
09.10.2021 10:32К сожалению, в графическом редакторе вот только такие схемки и можно делать. Всё что сложнее Verilog /VHDL.
Это не в смысле, что он плохой, а просто код потом удобнее поддерживать, чем разбираться в паутине связей.
Ivanii
09.10.2021 18:12Мне не хватило 240 LE в таком проекте, иерархию никто не отменял и разговор про начало, а не профессиональную разработку на 10 - 100 тысяч LE.
yatanai
10.10.2021 05:47Там можно наловчиться разбираться в схемах + там так же поддерживаются все эти фичи с разбиением схем на модули. + даже пару вич есть типо табличных значений или памяти. (не помню точно, ибо тоже не пользуюсь этим)
С другой стороны описывая код на Verilog/VHDL придётся иногда смотреть чо оно там на генерировало, а так ты сразу видишь схему перед глазами. Так что тут дело вкуса кто на чём схемы описывает.
andreimuvila
09.10.2021 12:49+1Осталось только портировать Doom на Arduino))
usa_habro_user
09.10.2021 19:40+1"Сто лет в обед" как: https://www.esp32.com/viewtopic.php?f=18&t=2338 и еще куча подобных проектов.
AaRoN_2021
09.10.2021 12:49Вопрос а стоит ли покупать и использовать или лучше покупать какую-то другую видео карту?
COKPOWEHEU
09.10.2021 15:40+1Для AVR смысла в видеокарте немного. У нее не хватит ни памяти, ни скорости подготовить картинку. Ее потолок что-то вроде упоминавшихся ранее ili9341 с разрешением 320х240. Естественно, о быстром обновлении, красивых анимациях и прочем речь и близко не идет. Максимум можно загрузить фоновую картинку с внешней флешки и рисовать поверх нее буковки и циферки.
yatanai
10.10.2021 05:55Проще сравнить это всё с ~8086 и задаться вопросом - "А что те системы умели в плане графики".
COKPOWEHEU
10.10.2021 11:46Те системы имели несколько больше оперативки. Да и вообще были больше заточены на общение с человеком, чем с другими железками.
yatanai
10.10.2021 19:51Там скорее просто прикол, что цпу наружу торчал шиной ОЗУ, от чего налепить туда любой обвяз было не проблема. И так же к шине крепилась фигня которая тебе буквы на мониторе рисовала. Эх, это был буквально самый лучший конструктор на микрухах которой ты бы мог себе представить.
А так в тех камнях 32-64КБ как раз уже был минимальный стандарт, примерно как в текущих жирных микрухах типо меги. Там сильно позже уже начали и 128КБ и 1МБ осваивать, ибо память тогда дорогая была. *К примеру - 8086 был выпущен в 1978 году, а популярные зхспеки у которых 16КБ-48КБ лишь 1982.COKPOWEHEU
10.10.2021 21:5132-64кБ это оперативки, а в Мегах столько флеша. А оперативки там всего 4 кБ. Даже в stm-ках 32кБ ОЗУ далеко не всегда встретишь.
Там скорее просто прикол, что цпу наружу торчал шиной ОЗУ
Так линии для внешней памяти даже в древней AT90S8515 есть, не говоря про более свежие контроллеры. И дисплеи соответствующие встречаются.
Вот только и требования к графике растут. Сейчас вряд ли кого можно впечатлить 4-цветной картинкой. Минимум Doom подавай.
axe_chita
12.10.2021 11:40Вроде бы на bluepill в монохроме до 800 на 600 разгонялись, и ЕМНИП поднимали текстовый терминал. осталось только графику поднять.
Навскидку
Видео-контроллер на ATmega32
AVR, ARM, CPLD и VGA… 1760 часов чистого времени
Игровая видеоконсоль на AVR AVGA
stm32f103-vga-rs
VGA output using a 36-pin STM32
Ivanii
Какова скорость передачи по шине?
PNP80 Автор
Видеокарта готова принять за 1 такт координату Х, 1 такт координату Y и 4 такта цвет с последующим сохранением в ОЗУ. Установлен кварц 50 МГц. Получается более 8 миллионов пикселей в секунду. Но это теоретически.)
Ivanii
Я про реальную требующуюся, у меня SPI на соплях из пинов дает 4 Мбит/с, работает аппаратно на меге и занимает 5 пинов.
yatanai
Я могу ошибаться, но пины ардуинки могут меняться на частоте мк. То есть, при 12МГц у нас макс скорость будет примерно 4МТ\с, если учесть что команды по 1 такту. (Load->Store->Inc(void* picture))
Тоесть для 256х198 мы можем передавать в 60фпс. (для коня в вакууме)
А учитывая его кривущую архитектуру, там дай бог 10фпс выжать. (в видео слайдшоу, какб)
@PNP80Зачем передавать позицию знакоместа? Для передачи пикселей можно было просто сделать FIFO буфер и вывести пин "FIFO на половину пуст" и добавить пару команд для синхронизации. Это бл тупо удобнее, у тебя в коде просто привязка позиции пикселя и фиговина дёргает прерывание и ты просто кидаешь туда данные. Всё, ничо даже рисовать не надо, ты тратишь минимум тактов мк на отрисовку и при более мощных мк этим будет заниматься DMA. пффф
+Если ты косишь под "ретро" то тем более кринж, 1 передача = 1 пиксель. (при 8битной шине) Если хочется много цветов, то 16бит твой предел. Почему 4 такта на пиксель??? У тебя там синхронизации какие-то? Я не могу понять...пфффф
Не был бы я нищим, я бы "показал как надо", ахахах
yatanai
@PNP80 Внизу скинули ссылку на этот проект. И это кринжатина лютая.
Ты дёргаешь пины по отдельности, серьёзно? А почему нельзя по маске писать?
Я кнш не вкурсе как там AVR устроена, но вроде под выводы у неё просто кусок памяти, где прописано направление данных и сами регистры с этими данными.
***
Тоесть у тебя в идеале должно уходить всего 4 команды, при твоей разводке, на выставление данных на шине. + "ПЛИС" у тебя детектирует данные по фронту? Это ещё +2 команды, ибо AVR вроде умеет в битовые команды с памятью.
Итого, в идеале у тебя выходит 6 команд на одну передачу по шине, если учесть что команда = 1 такт, то предел по шине около 2МТ\с при 12МГц. (или 8 команд для данные + команды ПЛИС, итого ~1МТ\с)
А у тебя просто вырезки из либ где ты по одному пину ставишь...
***
Я так же не понимаю почему ты не сделал просто клок + команды. Это же вроде самое первое что лезет в голову если ты хоть немного знаком со схемотехникой и как работают шины те жы RAM,PCI,ISA в компах. У тебя тупо на 1 команду больше будет, даже при текущей "архитектуре". То есть, 1 детектор 2 регистра (8х2) там в лучшем случаее 14 ячеек на это уйдёт (если они организованы как LUTх3+Регистр).
***
+ Ок, в MAX2 240 нету sram, тут мой косяк. Так сказать - "Прошу прощения, зря быканул". FIFO нормальное не сделать, максимум должно на 8-12 записей хватать. Хотя там есть флеш на 1КБ...
Я в замешательстве) Как ты данные синхронизируешь, да и ещё пишешь "по пикселю"? Поведаешь нам?
COKPOWEHEU
А десятком строк ниже уже PORTD |= (1<<2); //digitalWrite (2, HIGH);
Определитесь уже в каком формате пишете!
PNP80 Автор
Я художник - я так вижу.)))
PNP80 Автор
Требовать с любителя как с профессионала – не профессионально!)))
Видеокарта берет содержимое ОЗУ и прорисовывает на мониторе, потом сообщает микроконтроллеру о готовности принимать данные (можно конечно в любое время передавать данные, но будут артефакты на мониторе), камень передает координаты пикселя и цвет.
Если отказаться от координат, значит, контроллеру придется передавать полностью страницу. А страница весит 32 КБ.
COKPOWEHEU
А требовать с любителя сначала ознакомиться с существующими решениями — тоже непрофессионально?
Разумеется, нет. Потому что см.выше.Скажем, в SPI-дисплеях можно и область вывода указать, если нужно вывести не всю картинку, а только небольшой прямоугольник, и дождаться пока контроллер созреет передать следующий пиксель, и настройки поменять.
Попробуйте поработать с тем же ili9341, про который я уже писал. Один из самых распространенных дисплеев ведь.
PNP80 Автор
Отличная идея! Спасибо за совет!
yatanai
Тут выше уже отписали. Но суть в том что ты можешь много чего поставить на конвейер. Банально выдав команду "поменять режим" и передав его через 8бит шину. А потом так же настроить х,у и слать данные просто дёргая пин "клока", внутри там просто инкрементный счётчик + мультиплексор от текущего стейта. Это делается очень легко и ресурсов не много тратит, должно в MAX2 эту помещаться.
Тоесть даже не переделывая код железки у тебя выйдет 1 пин для "клока" и 2 пина на 4 команды типа - "выставить х", "выставить у", "передать данные", "поменять режим"
А там на стейт машинах можно почти шо угодно сделать, даже то же рисование куска экрана, просто ещё 2 регистра с координатами, доп проверка на переполнение и 2 битный регистр на состояние (надо же границы рисуемого квадрата передать, а потом рисовать).
Ещё немного наговнокодить и можно даже SDRAM буфер на прямое чтение передавать, но это уже просто приколы)
PNP80 Автор
У меня есть одна проблема: ресурс используемой ПЛИС очень ограничен, поэтому в этом варианте это все будет не возможно.
yatanai
Чел, угараешь? У тебя какая утилизация кристала? Всмсл, сколько ячеек занимает?
***Так, чего-то я напутал, ночью фигню написал, там вся эта магия с пакетной\указатель модами должна +-40 ячеек сожрать.
(Закраска Области и Пакетный режим по сути работают одинаково, потому смысла их отделять нет)
А чтение можно прикрутить условно бесплатно или ценой 1 мультиплексора на шину адреса VGA->SDRAM, хотя двунаправленные выводы могут чуть больше ячеек сожрать, тут хз
rPman
Попиксельное рисование пока единственное что умеет видеокарта?
Рисование примитивов и спрайты были бы уместны, мне кажется.
p.s. я понимаю что это ради само образования проект
а так, по стоимости результат мягко говоря грустный, плисины не дешевые и вообще оверкил