🧩 第 1 章：第一步：TD 软件、官方例程与功能仿真

没有板子，也能学会八成

FPGA 开发有一半以上的工作发生在「看不见硬件」的阶段。先把这个阶段的能力边界讲清楚，你就不会觉得没板子就无从下手。

第一步：打开 TD 工程

我们这套例子用的是安路 TD 6.2.1，配合官方提供的 HDMI 多媒体播放例程（TF 卡读图 + SDRAM 帧缓存 + HDMI 输出）。

1. 启动 TD：双击安装目录下的 bin\td.exe（默认在 C:\Anlogic\TD_6.2.1_Engineer_6.2.168.116\bin\）。
2. 打开工程：File → Open Project，选中例程里的工程文件 lab_ex5_i2s_v1.0.al（文件名虽然叫 lab_ex5_i2s，内容其实是 TF 卡读图 + HDMI 显示这一套）。
3. 打开后先别急着综合，按顺序看左侧 Design 树，把顶层模块和它的子模块认全，这就是下一步要做的事。

例程代码结构：顶层五大模块

顶层模块 top_tf_hdmi_audio.v 扮演的是「导演」的角色，真正的演员是下面五个模块。认清这五个分工，整条数据流就通了：

数据从左往右流：TF 卡 → sd_card_bmp（解析出像素）→ frame_read_write（写进 SDRAM）→ video_timing_data（按显示时序读出来）→ HDMI 发送核（变成屏幕上的画面）。

核心洞察：双缓冲官方已经实现

这是本课最重要的发现，它直接决定你后面该往哪儿使劲。

很多初学者第一个想到的优化是「加双缓冲，避免屏幕闪烁」。但官方例程早就做好了。看顶层这几行：

parameter FRAME_PIXELS = 24'd307200;   // 640*480
parameter BUF0_ADDR    = 24'd0;
parameter BUF1_ADDR    = FRAME_PIXELS; // 307200
...
.read_addr_index  (disp_buf_idx),   // 显示读哪个缓冲
.write_addr_index (write_buf_idx),  // 写入写哪个缓冲

原理是一张乒乓图：SDRAM 里开两片 307200 × 32bit 的区域（BUF0 从地址 0 开始，BUF1 从地址 307200 开始）。写侧写满一帧后翻转 write_buf_idx，读侧在 VSYNC 场边界翻转 disp_buf_idx。两个索引各自独立翻转，保证显示器永远读的是「完整的一帧」，绝不会读到写了一半的画面。

所以你的学习重点应该从「如何自研双缓冲」转向「读懂官方这个双缓冲，再想怎么改」。这才是竞赛能拿分的地方：

1. 把双缓冲升级成三缓冲；
2. 给缓冲切换加淡入淡出过渡；
3. 在 video_delay 输出之后插入 OSD 叠加层；
4. 这些增量创新，比重造一个官方已有的轮子有价值得多。

三个时钟域与跨域握手

这个工程里跑着好几个不同频率的时钟，跨时钟域（CDC）是理解它的关键，也是出 bug 的高发区。

不同的时钟域之间不能直接传递多比特信号，否则会亚稳态。官方在这里给了一个教科书级的单比特跨域写法：

// mem_clk 域把 write_finish 单拍转成 toggle，供 sd_card_clk 域可靠同步
always @(posedge ext_mem_clk or posedge rst_all)
    if (frame_write_finish)
        frame_write_toggle_mem <= ~frame_write_toggle_mem;

它的思想是：不直接跨域传「写完了」这个多比特电平，而是把它变成一个「电平翻转」信号。翻转信号对边沿不敏感，另一侧只要检测到翻转，就知道「这一帧写完了」。这就是单比特跨时钟域的标准做法。

功能仿真：第一个 testbench

官方例程没有自带 testbench，而整条 TF → HDMI 链路里，只有一个模块是「纯时序逻辑、不依赖 SDRAM / SD 卡 / 加密 IP」的——那就是 color_bar（8 色彩条发生器）。它就是你第一个仿真对象。

color_bar 内部就是一台精密的计数器机器：h_cnt 数到 800（= 640+16+96+48）回零，v_cnt 数到 525（= 480+10+2+33）回零，在特定计数值翻转 hs / vs，在有效区按 active_x 分 8 段输出白、黄、青、绿、品红、红、蓝、黑。

给它写一个 testbench，只需要一个时钟和一个复位：

// 时钟：25MHz（半周期 20ns，近似真实 25.175MHz）
initial clk = 1'b0;
always #20 clk = ~clk;

// 复位：高电平有效，前 200ns 复位
initial begin
    rst = 1'b1;
    #200;
    rst = 1'b0;
end

// 自动检查：测量一行周期（hs 上升沿间隔）
integer hs_prev_time, hs_period;
initial begin
    @(posedge hs);
    hs_prev_time = $time;
    @(posedge hs);
    hs_period = $time - hs_prev_time;
    $display("一行周期 = %0d ns（应为 800 * 40 = 32000 ns）", hs_period);
    if (hs_period == 32000)
        $display("[PASS] 行周期正确：800 像素/行");
    else
        $display("[FAIL] 行周期异常，请检查时序参数");
end

在 TD 里新建仿真，添加 testbench + color_bar.v + video_define.v，运行后看 hs / vs / de 的波形。testbench 会自动打印行周期是否等于 32000 ns——等于，就说明你把 640×480 时序彻底吃透了。

建议学习路线

没有板子的这段时间，按下面节奏走，约 3 到 5 天：

1. 第 1 天：跑通 color_bar 仿真，对着波形把 h_cnt / v_cnt 每个临界值算一遍，彻底搞懂 640×480 时序。
2. 第 2 天：读 frame_read_write.v，画出读写两条数据流的 FIFO 与仲裁状态机。
3. 第 3 天：读 sd_card_bmp.v，搞懂 write_buf_idx / disp_buf_idx 到底在哪几个状态翻转。
4. 第 4 至 5 天：综合整个工程，看资源报告——LUT 用了多少、距离 19600 的上限还有多大余量，这就是你后面加 OSD / 特效的「预算」。
5. 随时可做：用 convert_images_to_bmp.py 把图片转成 640×480 24bit BMP，板子一到就能直接播。