VGA接口驱动设计

VGA驱动设计

作者：李西锐校对：陆辉

VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

VGA作为视频接口，具有分辨率高、显示速度快、颜色丰富等优点。随着电子产品以及视频图像处理技术的发展，VGA接口应用越来越广泛。

首先我们先来看一下VGA接口，如下图：

在我们的接口中，有很多针脚，我们在驱动之前，首先要了解每一个针脚的作用。接口原理图如下：

如图，我们可以看出在这15个针脚中，只有5个针脚需要我们去驱动，其他的针脚要么是电源或者地，要么就没有接。所以，在我们驱动时，只需要驱动这5个针脚即可。

首先我们在驱动之前，需要了解一下视频显示的扫描方式。平时大家看到的图片是由一个一个的像素点构成的，显示器显示时也是如此，一个点一个点的显示。在扫描显示时，有两种扫描方式：隔行扫描和逐行扫描。第一种扫描方式控制复杂，而且图像闪烁，人眼易疲劳，所以现在很少使用，基本上主流的扫描方式都是逐行扫描。逐行扫描是从左上角第一个点开始一行一行的进行扫描，直至最后一个点。在扫描时就需要我们确定扫描位置然后进行时序约束。vga_hs和vga_vs这两个信号为行列同步信号，用来同步扫描的。在时序上，要求在a段必须为低电平。

行时序每拉低一次即为一行的开始，场时序每拉低一次即为一帧图片的开始。

另外，在了解完扫描的问题之后，还有一个问题需要解决，那就是我们在扫描到显示区域时，要给出颜色数据，使得屏幕显示出我们想看到的颜色。VGA 显示器上每一个像素点可以很多种颜色，由R、G、B 三种颜色构成。如果每个像素点采用3 位二进制数表示，即R 用1bit 表示，G 用1bit 表示，B 用1bit 表示，则此像素点一共可以显示8种颜色；如果每个像素点采用8 位二进制数表示，即R 用3bit 表示，G 用3bit 表示，B 用2bit 表示，则此像素点一共可以显示256 种颜色。此次实验，采用RGB332 的进行表示。

在进行扫描时，不同的分辨率对应不同的扫描时钟，下图为各个常用分辨率的时序参数。

此次实验，我们选择分辨率为640*480，那么我们需要提供一个25Mhz的时钟，这个时钟我们可以通过锁相环输出，代码如下：

1   module vga_ctrl (
2 
3     input     wire                  clk,
4     input     wire                  rst_n,
5     
6     output    reg                   vga_hs,
7     output    reg                   vga_vs,
8     output    reg       [7:0]       vga_rgb
9   );
10    
11    parameter   HS_A        =       96;
12    parameter   HS_B        =       48;
13    parameter   HS_C        =       640;
14    parameter   HS_D        =       16;
15    parameter   HS_E        =       800;
16    
17    parameter   VS_A        =       2;
18    parameter   VS_B        =       33;
19    parameter   VS_C        =       480;
20    parameter   VS_D        =       10;
21    parameter   VS_E        =       525;
22    
23    reg                 [9:0]       cnt_hs;
24    reg                 [9:0]       cnt_vs;
25    wire                            hs_en;
26    wire                            vs_en;
27    
28    always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
29    if (rst_n == 1'b0)
30      cnt_hs <= 10'd0;
31    else
32      if (cnt_hs < HS_E - 1'b1)
33      cnt_hs <= cnt_hs + 1'b1;
34      else
35      cnt_hs <= 10'd0;
36    end
37    
38    always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
39    if (rst_n == 1'b0)
40      vga_hs <= 1'b1;
41    else
42      if (cnt_hs < HS_A)
43      vga_hs <= 1'b0;
44      else
45      vga_hs <= 1'b1;
46    end
47    
48    always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
49    if (rst_n == 1'b0)
50      cnt_vs <= 10'd0;
51    else
52      if (cnt_hs == HS_E - 1'b1)
53      if (cnt_vs < VS_E - 1'b1)
54        cnt_vs <= cnt_vs + 1'b1;
55      else
56        cnt_vs <= 10'd0;
57      else
58      cnt_vs <= cnt_vs;
59    end
60    
61    always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
62    if (rst_n == 1'b0)
63      vga_vs <= 1'b1;
64    else
65      if (cnt_vs < VS_A)  
66      vga_vs <= 1'b0;
67      else
68      vga_vs <= 1'b1;
69    end
70    
71    assign hs_en = (cnt_hs > HS_A + HS_B - 1'b1) && (cnt_hs < HS_A + HS_B + HS_C);
72    assign vs_en = (cnt_vs > VS_A + VS_B - 1'b1) && (cnt_vs < VS_A + VS_B + VS_C);
73    
74    always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
75    if (rst_n == 1'b0)
76      vga_rgb <= 8'd0;
77    else  
78      if (hs_en == 1'b1 && vs_en == 1'b1)
79      vga_rgb <= 8'b111_000_00;
80      else
81      vga_rgb <= 8'd0;
82    end
83    
84  endmodule

以上代码为显示纯红色的驱动，如果我们想显示不同的纯色，可以修改代码79行的值。

在代码71行和72行分别规定了显示C区，也就是我们能够看到的最大显示区域。如果大家想画出不同形状或者位置的，可以在这两行约束出想要的区域。

审核编辑：汤梓红