VGA接口的FPGA实现

sky-Hawk where · 发表于 2013-1-20 16:51:25

VGA 作为通用的显示接口，其可使用的设备非常多。根据 VGA 的文档，我们了解到使用 VGA，只需要在给定的时钟频率下，向 VGA 线发出不同的信号即可。

VGA 输出的信号一共有 5 个有效信号，分别是：

VGA_RED（红色端子），VGA_BLUE（蓝色端子），VGA_GREEN（绿色端子），VGA_HSYNC（水平同步端子），VGA_VSYNC（垂直同步端子）。

如果采用水平扫描的方法，且为 640 x 480 的分辨率，我们需要：

时钟频率为 25MHz（或者也可以采用 28.3MHz，参考 VGA 文档）。

水平同步端子输出信号包含 4 个阶段，每个周期共占用 800 个时钟周期。

脉冲周期（用于同步）：96 周期，输出低电平
前端周期（用于缓冲）：48 周期，输出高电平
显示周期（用于显示）：640 周期，每一个时钟周期显示一个像素点的内容，读取红、蓝、绿色端子的信息作出显示。同步端子输出高电平。
后端周期（用于缓冲）：16 周期，输出高电平
垂直同步端子输出信号也包含 4 个阶段，由于是水平扫描，所以在垂直同步中的显示周期中，水平同步端子将对其正确的进行显示，它包含了 480 个水平同步周期，扫描 480 行的内容。也可以说一个垂直同步周期中，显示出一个屏幕的内容。

垂直同步端子的脉冲周期为 2 个水平同步周期；后端周期为 29 个水平同步周期；显示周期为 480 个水平同步周期；前端周期为 10 个水平同步周期，故总周期数为
[latex]T=(480+2+10+29) * (96+16+640+48) = 416800[/latex]cycles
刷新频率为
[latex]f = frac {25MHz} {416800} = 59.98 Hz[/latex]

即屏幕的刷新频率约为 60Hz。若需采用其它的分辨率，只需改变显示周期长度以及为该模块提供不同的时钟周期即可。显示周期等参数都在 vga_header.v 文件中定义。编写过程中，如果出现屏幕提示类似于“显示超出范围”的提示语，则说明同步周期不正确，改正同步周期长度即可。

为了实现同步信号的准确计时，我们采用了有限状态机对它进行控制。以下源代码可供参考：

always @ (negedge clk)
begin
/* Vertical Sync. Signal */
case (v_state)
0: begin /* TPW 同步脉冲周期*/
if (cv_thres == 0) begin
v_sync <= 0; /* 信号置低*/
cv_en <= 0; /* 计数器继续计数 */
end else begin
v_state <= 1; /* 进入下一状态*/
cv_en <= 1; /* 计数器清零 */
cv_value <= `VGA_SYNC_V_POR_BACK-1; /* 计数器置位 */
v_sync <= 1; /* 同步信号置高 */
end
end
1: begin /* TFP 前端周期 */
if (cv_thres == 0) begin
v_sync <= 1; /* 同步信号置高 */
v_addr <= 0; /* 垂直地址清零 */
cv_en <= 0; /* 计数器计数*/
end else begin
v_state <= 2; /* 进入下一状态 */
cv_value <= `VGA_SYNC_V_DISPLAY-1; /* 计数器置位 */
cv_en <= 1; /* 计数器清零 */
v_sync <= 1; /* 垂直同步信号置高 */
h_state <= 0; /* 置水平同步状态 */
end
end
2: begin /* TDISP显示周期 */
if (cv_thres == 0) begin
v_sync <= 1; /* 垂直同步信号置高 */
cv_en <= 0; /* 计数器计数 */
end else begin
v_state <= 3; /* 进入下一状态 */
cv_value <= `VGA_SYNC_V_POR_FRONT-1; /* 计数器置位 */
cv_en <= 1; /* 计数器清零 */
v_sync <= 1; /* 垂直同步信号置高 */
end
end
3: begin /* TBP后端周期 */
if (cv_thres == 0) begin
v_addr <= 0; /* 垂直地址清零 */
v_sync <= 1; /* 垂直同步信号置高 */
cv_en <= 0; /* 计数器计数 */
end else begin
v_state <= 0; /* 进入下一状态，即状态0 */
cv_value <= `VGA_SYNC_V_PUL_WIDTH-1; /* 计数器置位 */
cv_en <= 1; /* 计数器清零 */
v_sync <= 0; /* 垂直同步信号置低 */
end
end
endcase
/* ...... *

复制代码

通过该模块生成了水平、垂直同步信号和对应的水平地址和垂直地址后，使用垂直地址和水平地址读取对应的像素点信息，分为两种：
a. 图形模式：图形模式是一个一个的像素点，我们采用了 BlockRAM 来保存这些像素点信息。由于空间有限，我们只能保存 320 x 240 个像素点，并扩大输出范围，进行单色 640 x 480 输出，否则将因为空间不够而编译不通过。如果我们可以采用板上内置的 DDR 模块就可以拓展其规模，而且板上的 DDR SDRAM 具有 64M，是镁光生产的模块，在 Xilinx 提供的 IPCore 中有对应的模块，只需要提供建立后提供相对应的管脚即可完成输出。由于 D/A 模块无法做到（见下面），这个修改并没有太大的意义，所以我们没有做到这个工程中去。
b. 文字模式：文字模式支持的是 80 x 30 个文字的显示，我们依然采用了 BlockRAM 来保存这些文字，每个文字占用 3 个字节，分别表示其 ASCII 码（1 B）和 16位 RGB 信息（5-6-5格式，2B），文字后，再通过字库 TextFontROM 模块生成对应的像素点信息。读出某一行中应该显示的字符，而后显示在屏幕上。由于内存占用并不像图形模式那么大，我们采用了 640 x 480 格式的输出。

sblpp · 发表于 2013-5-18 10:52:51

谢谢楼主分享！
好资料！

sblpp · 发表于 2013-5-18 10:54:06

楼主能分享下 SDRAM相关的源码吗？
谢谢啦！

libing64 · 发表于 2013-5-18 16:25:42

sblpp 发表于 2013-5-18 10:54
楼主能分享下 SDRAM相关的源码吗？
谢谢啦！

SDRAM的源码都是ISE（Xilinx）或者QuartusII（Altera）自动生成的，ISE你可以添加IP，QuartusII下你可以使用megaWizard生成，直接调用即可～

sblpp · 发表于 2013-5-20 14:56:05

libing64 发表于 2013-5-18 16:25
SDRAM的源码都是ISE（Xilinx）或者QuartusII（Altera）自动生成的，ISE你可以添加IP，QuartusII下你可以 ...

谢谢楼主热心回复
是使用MIG生成的吗？
但是能选择的SDRAM型号是固定的而且比较少。

libing64 · 发表于 2013-5-26 14:36:39

sblpp 发表于 2013-5-20 14:56
谢谢楼主热心回复
是使用MIG生成的吗？
但是能选择的SDRAM型号是固定的而且比较少。 ...

MIG指的是megaWizard吗？

VGA接口的FPGA实现

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