Uscita video Raspberry Pi Pico

TL;DR

Il Raspberry Pi Pico è un piccolo e incredibile microcontrollore. Non dispone di un'interfaccia di uscita video integrata, come i fratelli maggiori Raspberry Pi Zero / 1 / 2 / 3 / 4 / 400 (HDMI / doppio HDMI nel loro caso), è possibile aggiungere un'uscita video al Pico! (Come VGA o DVI su un connettore HDMI, per maggiori dettagli continuare a leggere)

In questo post vi spiegheremo perché l'uscita video è una caratteristica molto speciale per i microcontrollori e quali tipi di uscita video potete costruire o acquistare per il vostro Pico. Vi mostreremo anche un esempio di codice, già precompilato per voi, in modo che possiate scaricarlo direttamente, e poi parleremo di ciò che dovete modificare per farlo funzionare.

Il nostro negozio gemello, buyzero.devende una serie di accessori per Pico, tra cui la calza DVI, e il Scheda VGA per Pico.

Nota: il Pico non è dotato di un sistema operativo Linux come il Raspberry Pi Zero W ad esempio. Quindi, molto probabilmente, dovrete approfondire le vostre conoscenze su come codificare e caricare le vostre applicazioni sul Pico. Se questo non fa per voi, il Pi Zero W potrebbe essere una soluzione più adatta per iniziare a giocare 🙂

Se siete riusciti a realizzare il vostro progetto video con Raspberry Pi Pico, fatecelo sapere nei commenti!

Perché l'aggiunta di un'uscita video Raspberry Pi Pico è una sfida?

Il Raspberry Pi 400è basato sul SoC BCM2711. Questo system-on-a-chip è dotato di un hardware specializzato che si occupa dell'uscita video, preparandola perfettamente nel formato specificato per la/e interfaccia/e video, due porte HDMI nel caso del Pi 400. Dispone inoltre di una memoria enorme (4 GB), in cui memorizzare i dati di uscita video.

Per capire meglio questo aspetto, è necessario esaminare alcuni fondamenti dell'uscita video del computer:

Visualizzazione e trasmissione video

Vediamo la visualizzazione sullo schermo "in una volta sola". Il nostro cervello è dotato di un cablaggio massicciamente parallelo, in cui ingerisce le informazioni da tutte le cellule della retina disponibili contemporaneamente (cellule a cono e cellule a bastoncello).

(* il meccanismo di trasmissione al cervello integra le informazioni attraverso diverse cellule della retina, ma resta il fatto che molte informazioni vengono trasmesse in parallelo. Guardare in cellule bipolari se siete interessati a saperne di più)

Il cervello, tuttavia, ha delle latenze - non è in grado di risolvere cambiamenti negli stimoli visivi più rapidi di 13 ms. (ovvero circa 1 su 75 fotogrammi al secondo).

Per noi questo significa che se vogliamo visualizzare un'animazione davvero fluida, dobbiamo mostrare circa 60 immagini statiche diverse al secondo. Il nostro cervello interpreterà queste immagini statiche come una riproduzione fluida e realistica.

In genere, vogliamo che queste immagini siano a colori.

Abbiamo tre diversi fotorecettori per i colori, quindi lo schermo visualizza solo questi tre diversi colori con una diversa luminosità. Anche in questo caso, il nostro cervello sintetizzerà i colori intermedi a partire dalle informazioni ricevute. (Una nota a margine, viola non esiste realmente come lunghezza d'onda propria, ma è una miscela di rosso e blu).

I colori primari sono tre:

• rosso
• verde
• blu

Insieme, sono conosciuti come RGB. Quando si aggiungono tutti e tre, si ottiene il bianco. Aggiungendo il rosso al verde si ottiene il giallo, aggiungendo il verde al blu si ottiene il ciano, aggiungendo il blu al rosso si ottiene il magenta.

Quindi ciò che vogliamo veramente produrre sono:

• tre colori diversi,
• ciascuno con un diverso valore di luminosità
• idealmente circa 60 valori diversi al secondo (60 Hz)
• una determinata risoluzione dello schermo, ad esempio 640 x 480

Calcoliamo la quantità di dati al secondo:

• 3 colori
• profondità di colore a 8 bit
• x 60
• x 640 x 480

= 442.368.000 bit al secondo = ca. 422 MBit/s

(Si consideri che, ad esempio, l'interfaccia USB v1.1 del Pico ha una velocità di circa 10 Mbit/s - circa 40 volte inferiore).

Per produrre queste informazioni, l'ideale sarebbe conservarle come bitmap nella RAM: una parte dell'applicazione aggiornerà l'immagine nella RAM, mentre un'altra si occuperà di fornire i dati in un formato che possa essere utilizzato da un monitor. Questa deve essere la RAM, poiché stiamo operando ad alta velocità e dobbiamo essere in grado di leggerla in modo affidabile con piccole latenze, cosa che la memoria Flash non sarebbe in grado di fare.

Calcoliamo la quantità di RAM necessaria:

• 640 x 480 (risoluzione)
• x 3 (colori)
• x 8 bit (profondità di colore)

= 7372800 bit = 900 kByte (nota: 1 Byte = 8 Bit)

Mentre 900 kByte si inseriscono molte volte nella RAM di un computer. Raspberry Pi 400, il Pico ha solo 264KB di RAM.

Come vedete, dovremo ridurre alcuni parametri (ad esempio la risoluzione, la profondità di colore, ...) se vogliamo inserire una bitmap nella RAM, oppure dovremo escogitare qualche idea intelligente su come farla funzionare senza memorizzare tutto!

Il PIO RP2040 di Pico consente l'uscita di dati video

Infine, mentre il Raspberry Pi 400 e altri modelli di Raspberry Pi dispongono di circuiti hardware dedicati per elaborare tutte queste informazioni ed emetterle in modo affidabile, il Pico non dispone di circuiti speciali dedicati solo all'uscita video.

Ma ha un asso nella manica! L'RP2040 supporta il PIO (programmable IO). Il PIO è dedicato all'emulazione di diverse interfacce con tempistiche precise ed è molto potente! Può essere programmato per leggere dalla RAM e produrre ad alta velocità.

Utilizzeremo il PIO per emettere video su alcuni pin GPIO e useremo alcuni circuiti aggiuntivi (resistenze) per portare il segnale nella condizione desiderata, a seconda dell'interfaccia di uscita video a cui vogliamo collegare il Pico.

Cronologia del formato di uscita video

Prima di entrare nel merito di come aggiungere un'uscita video al vostro Raspberry Pi Pico, diamo un'occhiata alla storia dei formati di uscita video.

Come già discusso, l'occhio umano non è in grado di rilevare cambiamenti nelle immagini più velocemente di circa 13 ms. Uno dei primi approcci alla costruzione di monitor per computer è stato quindi il CRT (tubo catodico) monitor.

Il CRT è dotato di tre cannoni a raggi, che spazzano pixel per pixel, linea per linea. (e poi hanno bisogno di tempo per tornare al punto di partenza). Lo schermo è dotato di fosfori colorati che continuano a emettere luce per un po' di tempo dopo che il raggio lo ha attraversato. Al passaggio successivo della pistola a raggi su questo particolare pixel, l'intensità del raggio potrebbe essere cambiata, il che si tradurrà in un pixel più scuro. Il nostro cervello fonde i pixel colorati adiacenti del fosforo in un unico pixel e non è in grado di notare le variazioni di luminosità tra un raggio e l'altro.

In questo modo si crea l'illusione di un'immagine in movimento.

In effetti non è necessario che tutti i dati siano presenti all'inizio dell'immagine, ma è necessario che i dati siano presenti all'inizio dell'immagine. solo il valore di rigidità del pixel corrente. L'intensità del raggio verrà modificata in base a ciò. A tale scopo possiamo utilizzare un segnale analogico: ad esempio, aumentando la tensione si aumenterà la luminosità.

Abbiamo bisogno di tre fili diversi per i vari colori (per pilotare singolarmente ogni cannone a raggi) e dobbiamo avere un modo per far sapere al monitor quando deve essere avviata una nuova riga e quando deve essere avviata una nuova immagine (quando tutte le righe sono state visualizzate).

VGA (array grafico video)

La VGA è stata progettata per i monitor CRT. È ancora ragionevolmente comune come ingresso nei monitor, anche se sta diventando sempre più obsoleto con il passaggio alla trasmissione completamente digitale (per saperne di più, più avanti).

Questo è anche lo standard di uscita video più semplice da utilizzare sul Pico.

Accanto a una specifica (con le modalità di risoluzione predefinite), ha specificato un connettore, il connettore VGA:

Dispone di 15 pin:

1. RED (video rosso)
2. VERDE (video verde)
3. BLU (video blu)
4. ID2/RES (riservato)
5. GND (massa HSync)
6. RED_RTN (ritorno rosso, massa analogica per il rosso)
7. GREEN_RTN (ritorno verde, massa analogica per il verde)
8. BLUE_RTN (ritorno blu, massa analogica per il blu)
9. KEY/PWR (+5 V CC alimenta il chip EEPROM EDID su alcuni monitor)
10. GND (massa VSync, DDC)
11. ID0/RES (riservato)
12. ID1/SDA (dati I2C da DDC2)
13. HSync (sincronizzazione orizzontale)
14. VSync (sincronizzazione verticale)
15. ID3/SCL (orologio I2C da DDC2)

Nota: i cavi VGA possono supportare diverse risoluzioni, profondità di colore e frequenze di aggiornamento, mentre la parola "VGA", quando si riferisce alla risoluzione, significa di solito 640 x 480.

Come vedete, ci sono tre fili che trasportano i dati dell'immagine, uno per ogni colore. Il segnale viene trasmesso con una tensione di picco (massima) di 0,7 V. I segnali trasmessi per i colori sono di natura analogica: tensioni più elevate aumentano la luminosità, una tensione pari a 0 significa che il pixel è scuro/spento.

Far funzionare l'uscita VGA su Pico

Ciò significa che il Pico, con la sua uscita digitale a 3,3 V, ha tensioni sufficientemente elevate per poter pilotare questi pin RGB nel cavo VGA (che si aspetta tensioni di 0 - 0,7 V). In realtà dobbiamo ridurre la tensione utilizzando delle resistenze.

Possiamo costruire un semplice DAC (convertitore analogico digitale) combinando diverse resistenze e pin GPIO. A seconda della combinazione di pin GPIO attivi in un dato momento, abbiamo diversi livelli di tensione (= livelli di luminosità):

Come si può vedere nell'immagine qui sopra, cinque GPIO (0 -4) pilotano un canale (rosso in questo caso), il che ci dà una profondità di cinque bit. Le resistenze sono ponderate 1:2:4:8:16, ad esempio il bit meno significativo (LSB) del rosso ha una resistenza di 8,06K.

Quando si cerca di costruire questo circuito, si dovrebbe optare per 1 resistenze di tolleranza % per ottenere una buona immagine.

Fare riferimento a "Progettazione hardware con l'RP2040" per capire come sono stati calcolati i valori delle resistenze. In breve, se li pilotiamo tutti insieme, avremo una tensione di 0,74 V, che va bene per i nostri scopi.

In particolare, il progetto di riferimento suggerisce di supportare un formato di dati RGB a 16 bit comunemente utilizzato (RGB-565), che utilizza 5 bit per il rosso e il blu e 6 per il verde. Possiamo ridurre l'uscita fisica del verde a 5 pin GPIO come per gli altri colori, per risparmiare un pin.

Inoltre, sono necessari altri 2 pin per la temporizzazione del blanking orizzontale e verticale (HSYNC e VSYNC).

Questo ci porta a un totale di 17 pin GPIO per pilotare un'uscita VGA. Fortunatamente, il Pico ha 26 pin GPIO disponibili, che ci permettono di pilotare l'uscita VGA.

Come accennato in precedenza, il Pico è anche in grado di pilotare questi pin alle frequenze necessarie e con tempistiche precise, grazie alla funzione PIO (I/O programmabile) dell'RP2040.

Hardware di uscita video VGA di Raspberry Pi Pico

Raspberry Pi ha progettato e reso open-source una scheda portante per il Pico che mostra diverse caratteristiche:

• Uscita VGA
• pulsanti
• slot microSD
• uscite audio (analogiche PWM, digitali I2S)

Acquista la scheda Pico VGA / Audio / microSD

Noi (buyzero.de) sono attualmente in procinto di far costruire e assemblare per noi questa scheda di progettazione di riferimento. Contattateci se volete essere avvisati, una volta che la scheda potrà essere acquistata!

Il La scheda VGA Pico è ora disponibile per l'acquisto presso di noi, con uno stock iniziale limitato.!

Nel frattempo, anche Pimoroni ha creato una versione di questa scheda, che ha chiamato Base demo Pimoroni Pico VGA.

Nota a margine: ogni pin dei 15 pin di uscita rgb dovrà comunque essere pilotato a circa 17,58 Mbit/s, che è comunque un numero impressionante, ma molto più gestibile!

Software necessario per pilotare l'uscita VGA

Poiché stiamo lavorando su Pico, non ci sono "driver grafici" che possiamo semplicemente installare. Dobbiamo scrivere il codice da soli... o no 🙂

Fortunatamente, le persone che hanno progettato la scheda hardware per noi forniscono già del codice che possiamo utilizzare, in modo da poterci concentrare sul nostro progetto.

Il codice di esempio che si può utilizzare si trova nel repository di pico-playground:

• https://github.com/raspberrypi/pico-playground

In questo repository, c'è un semplice lettore di filmati chiamato popcorn (che riproduce film in un formato personalizzato). A big buck bunny, di dimensioni pari a 1,6 GB, può essere scaricato qui. Si noti che si tratta di immagini disco grezze da scrivere su una scheda SD; questo esempio presuppone che si disponga della scheda demo VGA, che ha uno slot SD. Istruzioni per Conversione di film sono anche indicati.

Il codice utilizza il metodo pico_scanvideo (pico/scanvideo.h) dal file pico_extras repository. Date anche un'occhiata a quel repository per il codice di esempio audio!

• pico_scanvideo - include un'ampia documentazione!

L'API emette i dati RGB paralleli e il segnale di sincronizzazione sui pin per la VGA DPI (utilizzando i DAC a resistenza, come descritto sopra).

Un'osservazione precisa:

• Il programma PIO scanline predefinito accetta dati codificati in base alla lunghezza di esecuzione: ciò significa che è possibile risparmiare RAM per generare aree di colore piatte (sto pensando ai giochi!).

In generale, si dovrebbe usare il metodo libreria pico_scanvideo invece di sviluppare da zero il codice per l'uscita VGA 🙂

buone pratiche di codifica

Altre demo

Controlla il directory scanvideo del repository pico-playground:

• mandelbrot: un generatore di mandelbrot che utilizza un framebuffer 320x240x16
• sprite_demo: teste di Eben che rimbalzano (video in cima alla nostra pagina!)
• modello_di_prova: Visualizzazione delle barre di colore

Utilizzo della scheda VGA

È necessario passare un parametro aggiuntivo a CMake durante la compilazione:

-DPICO_BOARD=vgaboard

• https://forums.pimoroni.com/t/pico-vga-demo-board-instructions-information/16296/8

TBD: Aggiungere guide passo-passo

DVI: Interfaccia visiva digitale

La tecnologia va avanti. La vita va avanti. I televisori a tubo catodico sono diventati sempre più obsoleti, sostituiti da schermi piatti più moderni, dotati di interfacce digitali. Nessun raggio mobile, solo pixel.

Per un po' di tempo, i segnali hanno continuato a essere analogici, ma questo non è molto desiderabile, poiché dobbiamo prendere qualcosa di digitale, trasformarlo in qualcosa di analogico e poi ritrasformarlo in qualcosa di digitale. L'immagine sarà meno precisa e avremo circuiti aggiuntivi di cui potremmo fare a meno.

Entra in scena il DVI. Il DVI offriva un'opzione per la trasmissione di segnali analogici, per cui era possibile costruire semplici adattatori/cavi da DVI a VGA. Naturalmente, la scheda grafica doveva emettere sia dati analogici che digitali. Ma questo ha contribuito all'accettazione dello standard e alla sua diffusione.

Qui siamo interessati ai segnali digitali (DVI-D), in quanto vorremmo farli funzionare a bit-bang dal Raspberry Pi Pico.

Con DVI-D, i dati dell'immagine vengono trasmessi in modo seriale.

Una connessione DVI "single link" (la più semplice) è costituita da quattro I cosiddetti collegamenti TMDS (transition minimized differential signaling):

• rosso
• verde
• blu
• orologio a pixel

La segnalazione differenziale viene utilizzata per ridurre al minimo le interferenze (dato che

Abbiamo un totale di 24 bit per pixel (8 bit x 3 colori) e codifichiamo i dati utilizzando la codifica 8b10b (gli 8 bit sono mappati in simboli a 10 bit sulla linea fisica effettiva per ottenere, tra le altre cose, il bilanciamento della corrente continua).

Il DVI tratta i pixel in modo simile al VGA: tutto viene ritrasmesso ogni volta che l'immagine "ricomincia" e i dati vengono cronometrati con precisione. È come una linea telefonica, dove la linea è costantemente in uso quando due persone parlano.

Nota: in contrasto con questo, DisplayPort tratta i dati come pacchetti - che presenta una serie di vantaggi.

A differenza dell'esempio VGA discusso in precedenza, poiché i dati vengono inviati in formato digitale, invece che con valori di luminosità analogici, ciò significa volumi di dati molto più elevati.

Luca Scricciolo, un ingegnere di Raspberry Pi, riteneva che l'RP2040 (il cuore del Pico) fosse in grado di pilotare anche l'uscita DVI, sempre tramite PIO.

Il risultato è il Repository PicoDVI e progetti, e il Calza DVI Pico.

Luke Wren ha calcolato che circa Dati seriali a 252 Mbps deve essere pilotato attraverso i pad digitali GPIO - seriale differenziale, che viene emulato con due pad single-ended.

Qui sopra vedete il circuito utilizzato per pilotare l'uscita DVI (utilizzando un connettore HDMI, di cui si parla più avanti) - sono semplicemente diversi 270 Ohm resistenze.

Luke Wren è andato oltre e ha aggiunto una doppia uscita DVI al suo layout PicoDVI con una scheda plugin:

HDMI: compatibile verso il basso con DVI

L'HDMI è la prossima evoluzione dei connettori (in concorrenza con DisplayPort). È completamente compatibile con i segnali digitali DVI e quindi è possibile disporre di semplici convertitori DVI / HDMI puramente passivi.

Calza DVI Pico

Pico DVI Sock è una soluzione semplice ed economica per aggiungere un'uscita video digitale al vostro Pi. È stato progettato da Luke Wren (vedi descrizione sopra). Si tratta di un'uscita DVI con un connettore HDMI. Poiché l'HDMI è compatibile con il DVI, è possibile utilizzare un cavo HDMI per collegare il Pico a schermi HDMI:

Programmazione della calza DVI Pico

TL;DR

È possibile scaricare il nostro picodvi-test.zip e iniziare a giocare con l'esempio di compilazione .UF2. Include anche un PDF che fornisce una guida passo-passo.

Esempi di codice

Luke Wren fornisce esempi di codice nel suo repository. Tuttavia, per utilizzarli con Pico DVI Sock, è necessario impostare la configurazione corretta da utilizzare. In questo mini-tutorial vi mostreremo come fare.

Prerequisiti per l'installazione

sudo apt install cmake gcc-arm-none-eabi libnewlib-arm-none-eabi build-essential

Clonare il repo PicoDVI di Luke Wren:

cd ~
mkdir pico
cd pico 
git clone https://github.com/raspberrypi/pico-sdk
cd pico-sdk
git submodule update --init
cd ~/pico
git clone https://github.com/Wren6991/PicoDVI.git

Per utilizzare gli esempi di codice con il Pico DVI Sock, è necessario impostare il parametro configurazione corretta dei pin da utilizzare. Aggiungere la seguente riga a common_dvi_pin_configs.h solo prima il primo #ifndef

#define DEFAULT_DVI_SERIAL_CONFIG pico_sock_cfg

Costruire gli esempi

cd PicoDVI/software/
mkdir build
cd build
export PICO_SDK_PATH=~/pico/pico-sdk
make -j$(nproc)

Installare gli esempi su Pico

Gli esempi costruiti si trovano nella cartella software/build/apps.

Tenere premuto il tasto BOOTSEL sul Pico, quindi collegare la scheda al PC tramite il connettore microUSB. Copiare e incollare sul Pico il file .uf2 che si desidera provare, ad esempio sprite_bounce.uf2.

Il Pico si riavvia automaticamente e dovrebbe essere possibile vedere l'uscita sul connettore HDMI (in realtà è DVI :-)).

Scaricare

È possibile scaricare il nostro picodvi-test.zip e iniziare a giocare con l'esempio di compilazione .UF2. Include anche un PDF che fornisce una guida passo-passo. Se il file sprite_bounce.uf2 Se l'esempio non funziona, provare con un altro monitor: è possibile che non tutti i monitor siano compatibili con questa uscita video.

Se siete arrivati fin qui, fateci sapere nei commenti come ha funzionato per voi e quali idee di progetto vi sono venute in mente!

Acquistare una calza DVI Pico

La nostra pagina gemella, buyzero.de, contiene i prodotti di Calza DVI Pico in due varianti:

• Solo calza DVI Pico (per l'autosaldatura) @ 6,58 € attualmente
• Pico DVI Sock su Pico, con header pre-saldati @ 17,89 € attualmente

Nota a margine: Display DBI e DSI

• https://github.com/raspberrypi/pico-extras/tree/master/src/common/pico_scanvideo

Come nota a margine, il repository Raspberry Pi Pico Extras contiene segnaposti per DBI (display MIPI DBI a 16 bit - con i dati che vengono passati in parallelo) e DSI (display seriali MIPI), quindi in futuro potremmo vedere il supporto anche per questi display.