VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年隨PS/2機一起推出的一種視頻傳輸標準，當時具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用。
VGA接口就是顯卡上輸出模擬信號的接口，也叫D-Sub接口。VGA接口是一種D型口，上面共有15針空，分成三排，每排五個。VGA接口是目前中低端電腦配置上的主流口。
VGA顯示中，FPGA需要產生5個信號：R、G、B三基色信號，行同步信號HS，場同步信號VS。信號列表如表2-5。
表2.5 VGA信號列表
|
信號線 |
定義 |
|
HS |
行同步信號 （3.3V電平） |
|
VS |
場/幀同步信號（3.3V電平） |
|
R |
紅基色（0-0.714V模擬信號） |
|
G |
綠基色（0-0.714V模擬信號） |
|
B |
藍基色（0-0.714V模擬信號） |
VGA接口圖如下：
圖2-26 VGA接口實物圖
以上接口的5個孔對應著我們FPGA中產生的5個重要的信號，其中R、G、B是數據信號；HS、VS是控制信號。
1. VGA色彩原理
像素是產生各種顏色的基本單元。根據物理學中的混色原理，三色發光的亮度比例適當，可呈現白色。適當的調整發光比例可以出現不同的顏色。
表2.6 三基色顏色編碼表
|
顏色 |
黑 |
藍 |
紅 |
紫 |
綠 |
青 |
黃 |
白 |
|
R |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
G |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
B |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
以上RBG一共有8組合，也就是可以產生8種顏色。但顯示器顯示的色彩卻是非常豐富，遠遠多于8種顏色，這是如何做到的呢？
原因就是對于顯示器來說，RGB三個信號其實是模擬信號，其電平的高低，可以表示顏色的深淺。利用這個原理，我們就可以產生豐富的色彩。為了控制電壓的高低，我們就必須用到DA芯片。例如下圖中，FPGA產生RGB三種信號，這時RGB都是多位的數字信號。DA芯片根據數字信號的值，產生不同電壓的模擬信號rgb。連接框圖如圖2-27
圖2-27 FPGA與顯示器的結構圖
明德揚的第二代開發板，R由3位數字信號組成（VGA_R0，VGA_R1，VGA_R2）；G由3位數字信號組成（VGA_G0，VGA_G1，VGA_G2）；B由2位數字信號組成（VGA_B0，VGA_B1）。并通過電壓進行分壓，而得到不同的電平。實際電路如圖2-28。
圖2-28開發板RGB數模轉換電路圖
2. VGA顯示
（1）顯示原理
通用VGA顯示卡系統主要由控制電路、顯示緩存區和視頻BIOS程序三個部分組成。控制電路主要完成時序發生、顯示緩沖區數據操作、主時鐘選擇和D／A轉換等功能；顯示緩沖區提供顯示數據緩存空間；視頻BIOS作為控制程序固化在顯示卡的ROM中。
實現VGA顯示，除了實現時序控制，還必須有其他功能單元的支持才能實現完整的圖像顯示。
1）控制器：VGA顯示有多種模式，需要通過控制器實現模式間切換，還需要對顯示的內容進行接收、處理和顯示。所以控制器的性能越高，數據更新和顯示效果就越好。顯示數據緩存區：VGA顯示要求顯存速度快、容量大。讀速度要達到65MHz以下，存儲容量至少要2MB。可采用高速SRAM或SDRAM作為顯示數據緩存。
2）數模轉換器DAC：VGA顯示對數模轉換DAC有如下要求：一是高速轉換，轉換的速度應該在80MHz或以上；二是同步性好，能保證 R、G、B三路信號的同步性；三是有相應的精度。可選擇一種包括3路8位高速D／A的專用視頻芯片。
3）數據源及其接口：要提高VGA顯示的效率，就要不斷更新數據，同時還要保證實時性，因此需要非常高的接口速度。VGA顯示卡雖可達到100Mbps的數據更新速度，但是一般設備、特別是嵌入式設備達不到這么高的速度，而且大多數情況下也不需要這么高的數據更新率。目前常用接口為EPP接口、USB接口、 TCP/IP、RS232C/485等。其中TCP/IP、EPP接口和USB接口是基于計算機的，速度較快；TCP/IP、RS232C/485是基于網絡通信的接口，其中RS485速度雖慢，但應用廣泛且容易實現遠程控制。
（2）掃描方式
顯示器采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在CRT屏幕上從左到右（受水平同步信號 HSYNC 控制）、從上到下（受垂直同步信號 VSYNC 控制）做有規律的移動。電子束采用光柵掃描方式，從屏幕左上角一點開始，向右逐點進行掃描，形成一條水平線；到達最右端后，又回到下一條水平線的左端，重復上面的過程；當電子束完成右下角一點的掃描后，形成一幀。此后，電子束又回到左上方起點，開始下一幀的掃描。這種方法也就是常說的逐行掃描顯示。
（3）掃描頻率
完成一行掃描的時間稱為水平掃描時間，其倒數稱為行頻率；完成一幀（整屏）掃描的時間稱為垂直掃描時間，其倒數稱為場頻率，即刷新一屏的頻率，常見的有60Hz，75Hz等等。標準的VGA顯示的場頻60Hz。
（4）數據寬度和格式
如果VGA顯示真彩色BMP圖像，則需要R、G、B三個分量各8位，即24位表示一個像素值，很多情況下還采用32位表示一個像素值。為了節省顯存的存儲空間，可采用高彩色圖像，即每個像素值由16位表示，R、G、B三個分量分別使用5位、6位、5位，比真彩色圖像數據量減少一半，同時又能滿足顯示效果。
（5）讀SRAM地址的產生方法
主時鐘作為像素點計數脈沖信號，同時提供顯存SRAM的讀信號和D／A轉換時鐘，它所驅動的計數器的輸出端作為讀SRAM的低位地址。行同步信號作為行數計數脈沖信號，它所驅動的計數器的輸出端作為讀SRAM的高位地址。由于采用兩片SRAM，所以最高位地址作為SRAM的片選使用。由于信號經過CPLD內部邏輯器件時存在一定的時間延遲，在CPLD產生地址和讀信號讀取數據時，讀信號、地址信號和數據信號不能滿足SRAM讀數據的時序要求。可以利用硬件電路對讀信號進行一定的時序調整，使各信號之間能夠滿足讀SRAM和為DAC輸入數據的時序要求。
3. VGA支持的規格
我們以第一個分辨率640/480來分析，其刷新速率是60Hz，每幅圖像有525行，每行有800個值。也就是說完成一幅圖像約是1s/60=16.6ms，完成一行約為16.6ms/525=31.75us，完成一個像素傳送約來31.75us/800=40ns。因此為了方便設計，接口的時候設為25MHz最方便，每個時鐘送一個數據。
|
|
4. VGA接口項目
屏幕分辨率為640/480，刷新速率為60Hz，要求在屏幕中間顯示一個200*200的綠色方塊，屏幕其他地方均為黑色。
圖2-29 顯示效果圖
（1）明確功能
明確VGA接口的行信號時序圖。
明確VGA接口的場信號時序圖：
圖2-30 VGA接口時序圖
從時序圖我們可以知道，在第33~516個行周期中的第142~787個時鐘周期間，VGA輸入數據有效。另外，根據屏幕分辨率和刷新速率，我們可以得出使用25MHz系統時鐘最適合。
表2.7 信號列表
|
信號名 |
I/O |
位寬 |
說明 |
|
clk |
I |
1 |
系統工作時鐘25MHz |
|
rst_n |
I |
1 |
系統復位信號，低電平有效 |
|
hys |
O |
1 |
行同步信號 |
|
vys |
O |
1 |
場同步信號 |
|
rgb_data |
O |
8 |
輸出顯示的RGB數據 |
（2）功能波形
本項目的功能波形在上一步已經給出，只需要在VGA輸入數據有效期間，根據題目要求把rgb_data變為綠色或黑色即可。
（3）計數結構
圖2-31 計數結構圖
因為從復位后開始，hys與vys不斷循環產生波形，其順序為同步脈沖、顯示后沿、顯示時序段和顯示前沿，所以使用計數器hs_cnt與vs_cnt，分別用于計數clk個數和行周期個數。
（4）加一結束條件
hs_cnt的加一條件：由于hs_cnt在模塊開始工作后不斷計數，因此其加1條件為1；
vs_cnt的加一條件：在hs_cnt計數結束時加1，因此其加1條件為end_hs_cnt；
hs_cnt的結束條件：hs_cnt==800 – 1；
vs_cnt的結束條件：vs_cnt==525 – 1；
（5）定義特殊點
按要求，本題是黑色區域和綠色區域的組合，因此我們要定義好兩個區域的邊界。
圖2-32 特殊點示意圖
圖2-32有幾個特殊點，需要我們記住。
hs_cnt的結束條件：hs_cnt==800-1，定為end_hs_cnt。
vs_cnt的結束條件：vs_cnt==525-1，定為end_vs_cnt。
首先我們從時序圖可知有效區域，為第33~516個行周期中的第142~787個時鐘周期。由于
要在中間顯示綠色，因此先計算屏幕中點位置：
由于綠色方框像素為200*200，即有
除此之外的有效區域其他部分均為黑色。
（6）完整性檢查
1.計數器hs_cnt
hs_cnt的初值：0；
hs_cnt的加1條件：1；
hs_cnt的結束值：計數至hs_cnt==800 - 1；
2.計數器vs_cnt
vs_cnt的初值：0；
vs_cnt的加1條件：end_hs_cnt；
vs_cnt的結束值：計數至vs_cnt==525 - 1；
3.行信號hys
hys的初值：0；
hys由0變1：hs_cnt==10’d95 && add_hs_cnt；
hys由1變0：end_hs_cnt；
4.場信號vys
vys的初值：0；
vys由0變1：vs_cnt==1’d1 && add_vs_cnt；
vys由1變0：end_vs_cnt；
5.RGB數據信號rgb_data
rgb_data的初值：0；
rgb_data有效區域：hs_cnt_add && hs_cnt>=141 && hs_cnt<787 && vs_cnt>=32 && vs_cnt<516；
rgb_data為綠色：在有效區域且hs_cnt>=364 && hs_cnt<564 && vs_cnt>=174 && vs_cnt<374；
rgb_data為黑色：有效區域的其他部分；
（7）至簡設計法計數器代碼
2 if(rst_n==1'b0)begin
3 hs_cnt <= 0;
4 end
5 else if(add_hs_cnt)begin
6 if(end_hs_cnt) begin
7 hs_cnt <= 0;
8 end
9 else begin
10 hs_cnt <= hs_cnt+1;
11 end
12 end
13 end
14
15 assign add_hs_cnt = 1;
16 assign end_hs_cnt = add_hs_cnt&& hs_cnt==800-1;
17
18 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
19 if(rst_n==1'b0)begin
20 vs_cnt <= 0;
21 end
22 else if(add_vs_cnt)begin
23 if(end_vs_cnt) begin
24 vs_cnt <= 0;
25 end
26 else begin
27 vs_cnt <= vs_cnt+1;
28 end
29 end
30 end
31
32 assign add_vs_cnt = end_hs_cnt;
33 assign end_vs_cnt = add_vs_cnt&&vs_cnt==525-1;
34
完整代碼：
2 assign hs_rise = add_hs_cnt && hs_cnt == 10'd95;
3
4 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
5 if(rst_n==1'b0)begin
6 hys <= 1;
7 end
8 else if(hs_rise)begin
9 hys <= 1;
10 end
11 else if(end_hs_cnt)begin
12 hys <= 0;
13 end
14 end
15
16 //按照第六步第4點，寫出vys的代碼
17 assign vs_rise = add_vs_cnt && vs_cnt == 1'd1;
18
19 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
20 if(rst_n==1'b0)begin
21 vys <= 1;
22 end
23 else if(vs_rise)begin
24 vys <= 1;
25 end
26 else if(end_vs_cnt)begin
27 vys <= 0;
28 end
29 end
30
31 //有效區域與顯示綠色區域定義
32 parameter X0 = 141;
33 parameter X1 = 787;
34 parameter Y0 = 32 ;
35 parameter Y1 = 516;
36 parameter X_CENT = 464;
37 parameter Y_CENT = 274;
38 parameter GREEN = 8'b000_111_00;
39 parameter BLACK = 8'b000_000_00;
40
41 assign valid_area = add_hs_cnt&&hs_cnt>=X0 &&hs_cnt<X1&&vs_cnt>=Y0
42 && vs_cnt<Y1;
43 assign green_area = valid_area&&(hs_cnt>=X_CENT-100
44 && hs_cnt<X_CENT+100 && vs_cnt>=Y_CENT-100
45 &&vs_cnt<Y_CENT+100);
46
47 //按照第六步第5點，寫出rgb_data的代碼
48 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
49 if(rst_n==1'b0)begin
50 rgb_data <= 8'h00;
51 end
52 else if(valid_area)begin
53 if(green_area)begin
54 rgb_data <= GREEN;
55 end
56 else begin
57 rgb_data <= BLACK;
58 end
59 end
60 else begin
61 rgb_data <= 8'h00;
62 end
63 end
64
技術交流QQ群：544453837
更多FPGA技術資訊：明德揚科教
了解>>至簡設計法
