FPGA1—ROM存储经千兆以太口到Qt上位机显示2022-10-23

1.场景：

将存储在FPGA片上BlockRAM中的图片数据通过口传输到上位机显示，目标是FPGA通过口发送图片，其大小为1920*1200，位深为8bit，30fps,上位机可以实时显示即可。这个小项目中考虑的问题有①使用FPGA的Block Memory Generate IP，②开发图片数据转换成coe文件的软件，①②两步实现将图片数据存储到FPGA片上。③通过千兆以太口将ROM图片数据传输到上位机。④使用Qt开发口数据接收上位机，先可以显示一张图片，然后通过多线程配置使之能够动态显示图片流即视频数据。该项目主要用来验证，口传输到上位机多线程显示两个问题，ROM图片数据可以看成是模拟的视频流，实际应用可以来自其他数据源如CMOS图像传感器等。大的验证步骤分为两个，一个是验证静态图片即一张图片的数据流，在此基础上验证视频流传输与显示。该小项目开发环境基于Qt5.15.2，vivado2020.2，winsock2.h ,以及xc7a35tfgg芯片。

2.实现思路：

使用qt制作coe文件生成程序，生成coe文件。先用画图板构造一个1920*1200（注意像素生成错了为1900*1200费了好大的劲才找见）大小的图片，在qt程序中，只写前面1920*100个像素数据到coe文件中（据缓存大小决定）参考C5—Qt生成特定应用的COE文件 2021-11-18修改部分代码即可，我在此基础上修改了图像像素大小，并且将最后一行的逗改为分。如下图所示。
创建FPGA工程（为验证单张图片的工程）。程序概述：上电后，等待上位机发出ARP请求（因此上位机程序应主动发出ARP请求，此处也是程序需要完善的地方，只能应答ARP而不能发出ARP请求），当收到ARP请求，可在PC端通过arp – a查看arp映射表的情况，按键按下一次只发送一张图片（即发送12次ROM数据），让上位机接收，以验证单张图像的显示。此处关于口的描述可参考E1–千兆以太接口测试应用2022-09-07
使用qt制作口数据显示程序，发现上和Qt官方有一直言论Qt5对于UDP Socket的支持不完善，果断采用Windows对于络编程的支持，即socket编程。对于socket编程的简介请看下节。
关于发送格式的确定。添加从ROM到口的数据，每一张图片都12部分相同的数据组成，每一次传输（一个UDP数据包）1232B数据包，其中包含32B帧头信息和1200B图片信息，一张图片由1920个图像帧传输完成；帧头信息采用以下结构体。（上述3，4部分均要遵循）
开始测试，明确下位机关于配置，端口为6000，IP地址为192.168.1.10，Mac地址为0x00-11-22-33-44-55，本地端口为6001，应该设置本地IP为同一个段，即手动ip设为192.168.1.102。（使用arp -a命令查看ARP地址映射表）
查看结果如下，单张图片显示正常，以下两图分别为原图和复原图。（注单张图片显示的上下位机代码未贴出，只贴出最后动态显示的代码）
下面考虑发送视频流时数据的恢复，基于单张显示成功的FPGA工程创建V2 FPGA工程，控制每30fps速度发送ROM至口；开发上位机程序，划分为主线程、接收线程、处理线程三个线程。主要开发的代码是口数据接收、数据解码、图片恢复、多线程控制等内容。主要考虑的问题是线程同步和线程安全。即缓存大小、类型、位置以及共享内存信量和互斥量的设计。其数据流向简要如下：

3.Win Socket编程

据上多数开发者经验，以及Qt creator书，Qt5版本的Network模块并不完善，在使用UdpSocket套接字接受数据时，无论是否使用线程去接收，常常出现丢包的现象。索性直接使用win socket编程，其实就是用微软官方提供的关于口编程的库winsock2.h。

环境搭建

添加头文件#include “Winsock2.h”,并且在.pro文件中添加LIBS += -lWS2_32，即可使用windows 络编程。

流程

与Qt提供的UDP Socket相比，获取口收发数据的流程大同小异，socket()–>bind( )–>listen()–>accept()–>read()/write()—>close()。关于UDP Socket可参考Day30Qt实现UDP传输2022-01-07，关于socket的教程上很多，下面我把用到的几个函数罗列如下。

①初始化 DLL

②创建套接字

af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址 type 为数据传输方式/套接字类型，流格式套接字（Stream Sockets）（TCP套接字）数据格式套接字（SOCK_DGRAM）（UDP套接字）protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议如果使用 SOCK_DGRAM 传输方式，且位ipv4，那么满足这两个条件的协议只有 UDP返回值是 SOCKET 类型，用来表示一个套接字。
③结构体sockaddr_in

④将一个无符短整型数值转换为络字节序，即大端模式(big-endian)。htonl函数可以用来进行络字节和主机字节的转换。

⑤bind()函数：

⑥INADDR_ANY

作为接收端，当你调用bind()函数绑定IP时使用【INADDR_ANY】，表明接收来自任意IP、任意卡的发给指定端口的数据。作为发送端，当你调用bind()函数绑定IP时使用【INADDR_ANY】，表明使用卡最低的卡进行发送数据，也就是UDP数据广播。

⑦setsockopt

⑧recvfrom函数

4.上位机代码分析

默认main.cpp文件

主线程widget文件-widget.h

该文件主要是创建数据接收线程类对象和数据处理线程类对象，声明必要的函数和变量，具体功能在cpp文件中描述。



#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "recvthread.h"
#include "handlethread.h"
QT_BEGIN_NAMESPACE

namespace Ui { class Widget; }
QT_END_NAMESPACE

class Widget : public QWidget
{
    Q_OBJECT
 

public:
    Widget(QWidget *parent = nullptr);
    ~Widget();

private slots:
    //udp recv thread slot

    void serverStartedSlot(bool bok);
    //handle thread slot

    void showPixmapSlot(QPixmap pix);
    void slotSpeedOut();
    void on_startBtn_clicked();
    void on_stopBtn_clicked();
    void recvThdMessage(QString);
    void on_clearBtn_clicked();
 

private:
    Ui::Widget *ui;
    QUdpSocket *udpSocket;//udp管理对象

    recvThread* recvthread;

FPGA1—ROM存储经千兆以太 口到Qt上位机显示2022-10-23