如何在树莓派5的DPI接口上实现隔行扫描视频？

最早的树莓派型号支持复合视频输出，所有配备40针接口的型号均支持显示并行接口（DPI）。通过外接组件，DPI可转换为VGA或RGB/SCART信号。这些模拟接口至今仍被复古媒体和游戏玩家所青睐。

树莓派5在性能上大幅提升，但其DPI模块不再支持隔行扫描视频（这本身并非DPI标准的一部分），因此无法通过CRT电视输出全分辨率RGB信号。直到现在，这一限制终于被打破。

什么是隔行扫描视频？

早期的电视系统通过从左到右、从上到下逐行扫描图像。由于需要在帧率、分辨率和无线电带宽之间权衡，隔行扫描技术应运而生。隔行扫描将每帧分为奇数行和偶数行，先扫描奇数行（上半场），再扫描偶数行（下半场）。这种方式在不增加带宽的前提下减少了闪烁并提升了画面流畅度。两个半场分别称为“场”（Field）。

逐行扫描和隔行扫描的图示

模拟电视无需特殊处理即可区分场序。只要水平扫描速率是垂直扫描速率的半奇数倍，扫描线就会正确落在屏幕上。隔行视频的关键特性在于垂直同步脉冲（VSync）相对于水平同步脉冲（HSync）的相位可以有两种状态。

技术难题与解决方案

实现隔行视频需解决三方面问题：

1.让DPI逐场(帧缓冲区的偶数或奇数行)而不是逐帧输出

2.对这些信号进行计时，以便它们能以适当的方式交错排列

3.产生适当的同步脉冲

第一部分很简单。通过改变一个地址并使行与行之间的“步幅”加倍，我们可以安排DPI只读取和显示帧缓冲区的偶数或奇数行。我们使用一个中断在偶数场和奇数场之间来回切换，每秒50或60次。

第二个问题通过入侵DPI外设解决。如果我们把时间安排得恰到好处，我们可以动态地改变它的配置，这样每一秒钟的帧——我应该说是每一秒钟的场——最后都会多一个空行。额外的一行应该在上一个字段之后，下一个字段之前。

第三个问题更难。RP1的DPI无法使垂直同步脉冲在一行的中间开始。

PIO（可编程输入输出）的救场

像Raspberry Pi的RP2040和RP2350微控制器一样，我们的RP1芯片也有一个可编程输入/输出(PIO)模块。它可以产生多种实时波形。近期，Linux内核版本中增加了PIO支持，并且向设备驱动程序和用户程序公开了它。

这里，PIO监听DPI的水平同步(HSync)和数据使能(DE)引脚，以产生垂直同步(VSync)。PIO的四个状态机(SMs)中有两个被使用:一个SM作为计时器，在每行的开始和中间产生一个“中断”。另一个SM找到垂直消隐间隔的开始(没有DE的第一行)，然后计算半行，以确定何时开始和结束VSync脉冲。最后，它再次对DE进行采样以检测额外的空白行，以确保它在下一次具有正确的场相位。

PIO 对 HSync 和 DE 进行窥探，以生成 VSync；奇数场显示为较暗的波形

有一些问题:无论是否使用，DE信号都必须在GPIO1上输出。PIO与DPI时钟不同步，其VSync输出抖动可达5 ns。这在标清电视速率下并不显著，但在更高的分辨率下可能是个问题！最后，同步修复消耗了RP1的大部分PIO指令内存，因此PIO不能在生成隔行扫描DPI的同时运行其他任务。

如果您有一个Raspberry Pi 5、一个VGA666 HAT和一个可以以50Hz电视速率运行的VGA监视器，您可以通过将它添加到config.txt来测试它:

dtoverlay=vc4-kms-dpi-genericdtparam=clock-frequency=13500000dtparam=hactive=720,hfp=12,hsync=64,hbp=68dtparam=vactive=576,vfp=5,vsync=5,vbp=39dtparam=vsync-invert,hsync-invertdtparam=interlaced

确保您已经升级到最新的 Raspberry Pi 操作系统。请注意，上述配置将在GPIO0上输出DPICLK(未使用)，在GPIO1上输出DE(PIO需要监听)，并排除在这些引脚上使用I2C/DDC。其他HATs可能需要自定义覆盖，以在GPIO1上启用DE输出(这样做是安全的)。

复合同步

VGA线有单独的线用于水平和垂直同步，但电视将所有内容合并在一个信号中(复合视频)。SCART中使用的中间站是“复合同步”，它多路复用两个同步信号，但保持它们与RGB分离。

大多数现有的SCART HATs都有产生复合同步的电路，但是PIO也能做到！为了减少代码量，它不在内核驱动中；PIO代码样本可以在这里找到。要测试它，您很可能需要修改硬件，这次您需要一个不在GPIO1上输出DE的引脚控制。选择隔行扫描视频模式，然后用sudo和几个参数运行示例PIO程序。

记住RP1的DPI不能在隔行模式下生成VSync。相反，我们让它输出一个在单线和双线脉冲之间交替的“辅助信号”。PIO监视HSync和辅助信号以合成CSync。

PIO 使用 HSync 和一个 “辅助信号”（改进的 VSync）来实现隔行扫描 CSync

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你可能想知道为什么PIO不能完全取代DPI。这主要取决于带宽和时钟。DPI块具有更大的FIFOs，可以更高效地通过PCIe链路传输数据。DPI得益于专用时钟，可生成任意像素速率。PIO也将与一些像素格式转换斗争。

幸运的是，DPI可以处理像素，让PIO来处理同步信号。

PIO有两种方法可以帮助DPI: (a)修复隔行扫描的垂直同步；(b)生成复合同步

这两个模块仅通过GPIO引脚通信，通常是GPIOs 1、2和3。

我们希望这有助于人们在真正的CRT电视上享受他们最喜爱的电视节目和游戏的真实复古体验！