FPGA學(xué)習(xí)系列：27. VGA驅(qū)動設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)背景：

VGA(Video Graphics Array) 即視頻圖形陣列，是IBM于1987年隨PS/2機(jī)(PersonalSystem 2)一起推出的使用模擬信號的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)對于現(xiàn)今的個人電腦市場已經(jīng)十分過時。但在當(dāng)時具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，是眾多制造商所共同支持的一個低標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)原理:

VGA的實(shí)體圖與接口示意圖，如下圖所示，它有15個針孔：

在開發(fā)板（ZX_1）中，VGA的電路原理圖如下圖所示：

通過原理圖，我們不難發(fā)現(xiàn)，VGA需要我們控制的接口只有5個：

顯示器的掃描規(guī)律是什么？本設(shè)計(jì)采用逐行掃描，逐行掃描是掃描從屏幕左上角一點(diǎn)開始，從左向右逐點(diǎn)掃描，每掃描完一行，電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這期間，CRT對電子束進(jìn)行消隱，每行結(jié)束時，用行同步信號進(jìn)行行同步；當(dāng)掃描完所有的行，形成一幀，用場同步信號進(jìn)行場同步，并使掃描回到屏幕左上方，同時進(jìn)行場消隱，開始下一幀。通過這種掃描規(guī)律，很容易看出，在設(shè)計(jì)兩個有效范圍計(jì)數(shù)器時，場同步信號計(jì)數(shù)器是以行同步信號計(jì)數(shù)器為周期的。

VGA的顯示標(biāo)準(zhǔn)如下表所示：

對于普通的VGA顯示器都要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，否則可能會損害VGA顯示器，因此我們在設(shè)計(jì)時VGA控制器時，都需要參考顯示器的顯示標(biāo)準(zhǔn)，下面是VGA的行掃描時序與場掃描時序：

行掃描時序：

場掃描時序：

根據(jù)上述顯示器的掃描參數(shù)以及掃描時序，例如800*600@60的顯示模式，60指得是顯示器圖像的刷新頻率，時鐘40MHz指得是一個像素輸出的頻率。800*600為VGA的分辨率，指有效顯示區(qū)域?yàn)闀r序中的c段只有800*600，也就是行計(jì)數(shù)在[216,1016]，列計(jì)數(shù)在[27,627]，在這個范圍內(nèi)，給RGB色值才會有效。

在VGA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)顯示模式要求：行同步、場同步都為負(fù)極性，即同步脈沖要求是負(fù)脈沖。行同步信號上電拉高，在行同步計(jì)數(shù)為0時拉低a個時鐘周期，即128，之后拉高，在行同步計(jì)數(shù)到1055時，行同步計(jì)數(shù)器清零，場同步計(jì)數(shù)器加1。在行掃描時序中，掃描計(jì)數(shù)時，周期就是一個像素點(diǎn)的時間。

場同步信號上電拉高，在場同步計(jì)數(shù)為0時拉低場同步a個時鐘周期，即4，之后拉高，在場同步計(jì)數(shù)到627時，場同步計(jì)數(shù)器清零。

在VGA控制器中，還需要控制三個接口，即三種基色（R、G、B），它們共專用8位，分別是Red為3位，Green為3位，Blue為3位，所以可以顯示256種顏色，RGB數(shù)據(jù)的格式如下表所示：

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖:

本設(shè)計(jì)選擇的VGA顯示標(biāo)準(zhǔn)為800*600@60，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮整個屏幕，并顯示為全紅。通過分析設(shè)計(jì)的功能，可以得到如下的頂層架構(gòu)：

頂層模塊端口列表如下：

vga_pll模塊是為了滿足分辨率800*600@60的時鐘為40MHz，而ZX_1開發(fā)板的系統(tǒng)時鐘為50MHz，通過鎖相環(huán)，將50MHz轉(zhuǎn)化為40MHz。vga_control模塊是為了設(shè)定行場同步信號，并標(biāo)定出有效顯示區(qū)域，并輸出控制顏色的po_rgb信號。為了便于移植，根據(jù)800*600@60分辨率下的參數(shù)，對其進(jìn)行參數(shù)化定義。

設(shè)計(jì)代碼:

VGA控制器代碼：

0modulevga_control (pi_clk,pi_rst_n,po_hs,po_vs,po_rgb);

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系統(tǒng)時鐘復(fù)位

3outputregpo_vs;//VGA場同步信號

4outputregpo_hs;//VGA行同步信號

5output[7:0]po_rgb;//VGA場紅綠藍(lán)三基色

6

7//----------------VGA時序-----------------------------------

8// 顯示模式 時鐘

9// 800*600@60 40MHz

10//行/場 同步(a) 消隱后沿(b) 有效顯示(c) 消隱前沿(d) 掃描時間(e)

11//hs 128 88 800 40 1056

12//vs 4 23 600 1 628

13

14// 行(Horizontal)掃描 Parameter （像素）

15parameterH_A =128;

16parameterH_B =80;

17parameterH_C =800;

18parameterH_D =40;

19parameterH_E =1056;

20

21

22// 場(Vertical)掃描 Parameter （行數(shù)）

23parameterV_A =4;

24parameterV_B =23;

25parameterV_C =600;

26parameterV_D =1;

27parameterV_E =628;

28

29//行掃描計(jì)數(shù)器，

30reg[10:0]hcnt;

31

32always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

33begin

34if(!pi_rst_n)

35hcnt <=11'd0;

36else

37begin

38if(hcnt ==(H_E -1'b1))//掃描完一行像素

39hcnt <=11'd0;

40else

41hcnt <=hcnt +1'b1;

42end

43end

44

45//場掃描計(jì)數(shù)器

46reg[10:0]vcnt;

47

48always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

49begin

50if(!pi_rst_n)

51vcnt <=11'd0;

52elseif(vcnt ==(V_E -1'b1))

53vcnt <=11'd0;

54elseif(hcnt ==(H_E -1'b1))

55vcnt <=vcnt +1;

56end

57

58//行同步輸出

59always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

60begin

61if(!pi_rst_n)

62po_hs <=1'b1;

63elseif(hcnt <H_A)

64po_hs <=1'b0;

65else

66po_hs <=1'b1;

67end

68

69//assign po_hs = (hcnt <= H_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;

70

71//場同步輸出

72always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

73begin

74if(!pi_rst_n)

75po_vs <=1'b1;

76elseif(vcnt <V_A)

77po_vs <=1'b0;

78else

79po_vs <=1'b1;

80end

81

82//assign po_vs = (vcnt <= V_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;

83

84wirergb_en;

85

86assignrgb_en =(hcnt >=H_A +H_B &&hcnt <H_A +H_B +H_C)&&

87(vcnt >=V_A +V_B &&vcnt <V_A +V_B +V_C)?1'b1:1'b0;

88

89assignpo_rgb =rgb_en ?8'b111_000_00:8'b0000_0000;

90

91endmodule

頂層文件如下所示：

0modulevga_display_pure (pi_clk,pi_rst_n,po_hs,po_vs,po_rgb);

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系統(tǒng)時鐘復(fù)位

3outputpo_vs;//VGA場同步信號

4outputpo_hs;//VGA行同步信號

5output[7:0]po_rgb;//VGA場紅綠藍(lán)三基色

6

7//----------------VGA時序-----------------------------------

8// 顯示模式 時鐘

9// 800*600@60 40MHz

10//行/場 同步(a) 消隱后沿(b) 有效顯示(c) 消隱前沿(d) 掃描時間(e)

11//hs 128 88 800 40 1056

12//vs 4 23 600 1 628

13

14wirevga_clk;

15

16vga_pll vga_pll_dut(

17.areset(~pi_rst_n),

18.inclk0(pi_clk),

19.c0(vga_clk)

20);

21

22vga_control vga_control_dut(

23.pi_clk(vga_clk),

24.pi_rst_n(pi_rst_n),

25.po_hs(po_hs),

26.po_vs(po_vs),

27.po_rgb(po_rgb)

28);

29

30endmodule

通過編譯后生成的RTL視圖如下：

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的邏輯正確性，我們先對其進(jìn)行了仿真，在仿真時，為了減少仿真的時間，先將行、場掃描的對應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行了縮放，這樣不僅節(jié)約了仿真時間，同時由于掃描數(shù)據(jù)量變少，更加便于分析觀察。其仿真代碼所示；

0`timescale1ns/1ps//仿真時間精度時間單位

1

2modulevga_display_pure_tb;

3

4regpi_clk,pi_rst_n;//系統(tǒng)時鐘復(fù)位

5wirepo_vs;//VGA場同步信號

6wirepo_hs;//VGA行同步信號

7wire[7:0]po_rgb;//VGA場紅綠藍(lán)三基色

8

9//初始化數(shù)據(jù)，并附相應(yīng)初值

10initialbegin

11pi_clk =0;

12pi_rst_n =0;

13#200.1pi_rst_n =1;

14

15end

16

17vga_display_pure vga_display_pure_inst (

18.pi_clk(pi_clk),

19.pi_rst_n(pi_rst_n),

20.po_hs(po_hs),

21.po_vs(po_vs),

22.po_rgb(po_rgb)

23);

24

25always#10pi_clk =~pi_clk;//50MHz時鐘描述

26

27endmodule

仿真圖:

rgb_en信號，只有當(dāng)po_vs和po_hs同時為高電平時，才有效，并且有po_rgb Red基色信號輸出，時序仿真細(xì)節(jié)圖如下所示：

通過觀察和分析時序圖，可以發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)吻合，接下來則可進(jìn)行管腳分配，并下板驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下：