FPGA学习系列：27. VGA驱动设计

设计背景：

VGA(Video Graphics Array) 即视频图形阵列，是IBM于1987年随PS/2机(PersonalSystem 2)一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。但在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域取得了广泛的应用，是众多制造商所共同支持的一个低标准。

设计原理:

VGA的实体图与接口示意图，如下图所示，它有15个针孔：

在开发板（ZX_1）中，VGA的电路原理图如下图所示：

通过原理图，我们不难发现，VGA需要我们控制的接口只有5个：

显示器的扫描规律是什么？本设计采用逐行扫描，逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点扫描，每扫描完一行，电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行行同步；当扫描完所有的行，形成一帧，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐，开始下一帧。通过这种扫描规律，很容易看出，在设计两个有效范围计数器时，场同步信号计数器是以行同步信号计数器为周期的。

VGA的显示标准如下表所示：

对于普通的VGA显示器都要严格遵循“VGA工业标准”，否则可能会损害VGA显示器，因此我们在设计时VGA控制器时，都需要参考显示器的显示标准，下面是VGA的行扫描时序与场扫描时序：

行扫描时序：

场扫描时序：

根据上述显示器的扫描参数以及扫描时序，例如800*600@60的显示模式，60指得是显示器图像的刷新频率，时钟40MHz指得是一个像素输出的频率。800*600为VGA的分辨率，指有效显示区域为时序中的c段只有800*600，也就是行计数在[216,1016]，列计数在[27,627]，在这个范围内，给RGB色值才会有效。

在VGA 工业标准显示模式要求：行同步、场同步都为负极性，即同步脉冲要求是负脉冲。行同步信号上电拉高，在行同步计数为0时拉低a个时钟周期，即128，之后拉高，在行同步计数到1055时，行同步计数器清零，场同步计数器加1。在行扫描时序中，扫描计数时，周期就是一个像素点的时间。

场同步信号上电拉高，在场同步计数为0时拉低场同步a个时钟周期，即4，之后拉高，在场同步计数到627时，场同步计数器清零。

在VGA控制器中，还需要控制三个接口，即三种基色（R、G、B），它们共专用8位，分别是Red为3位，Green为3位，Blue为3位，所以可以显示256种颜色，RGB数据的格式如下表所示：

设计架构图:

本设计选择的VGA显示标准为800*600@60，实现点亮整个屏幕，并显示为全红。通过分析设计的功能，可以得到如下的顶层架构：

顶层模块端口列表如下：

vga_pll模块是为了满足分辨率800*600@60的时钟为40MHz，而ZX_1开发板的系统时钟为50MHz，通过锁相环，将50MHz转化为40MHz。vga_control模块是为了设定行场同步信号，并标定出有效显示区域，并输出控制颜色的po_rgb信号。为了便于移植，根据800*600@60分辨率下的参数，对其进行参数化定义。

设计代码:

VGA控制器代码：

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

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系统时钟复位

3outputregpo_vs;//VGA场同步信号

4outputregpo_hs;//VGA行同步信号

5output[7:0]po_rgb;//VGA场红绿蓝三基色

6

7//----------------VGA时序-----------------------------------

8// 显示模式 时钟

9// 800*600@60 40MHz

10//行/场 同步(a) 消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(e)

11//hs 128 88 800 40 1056

12//vs 4 23 600 1 628

13

14// 行(Horizontal)扫描 Parameter （像素）

15parameterH_A =128;

16parameterH_B =80;

17parameterH_C =800;

18parameterH_D =40;

19parameterH_E =1056;

20

21

22// 场(Vertical)扫描 Parameter （行数）

23parameterV_A =4;

24parameterV_B =23;

25parameterV_C =600;

26parameterV_D =1;

27parameterV_E =628;

28

29//行扫描计数器，

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))//扫描完一行像素

39hcnt <=11'd0;

40else

41hcnt <=hcnt +1'b1;

42end

43end

44

45//场扫描计数器

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//行同步输出

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//场同步输出

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

顶层文件如下所示：

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

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系统时钟复位

3outputpo_vs;//VGA场同步信号

4outputpo_hs;//VGA行同步信号

5output[7:0]po_rgb;//VGA场红绿蓝三基色

6

7//----------------VGA时序-----------------------------------

8// 显示模式 时钟

9// 800*600@60 40MHz

10//行/场 同步(a) 消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(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

通过编译后生成的RTL视图如下：

为了验证本设计的逻辑正确性，我们先对其进行了仿真，在仿真时，为了减少仿真的时间，先将行、场扫描的对应参数，进行了缩放，这样不仅节约了仿真时间，同时由于扫描数据量变少，更加便于分析观察。其仿真代码所示；

0`timescale1ns/1ps//仿真时间精度时间单位

1

2modulevga_display_pure_tb;

3

4regpi_clk,pi_rst_n;//系统时钟复位

5wirepo_vs;//VGA场同步信号

6wirepo_hs;//VGA行同步信号

7wire[7:0]po_rgb;//VGA场红绿蓝三基色

8

9//初始化数据，并附相应初值

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时钟描述

26

27endmodule

仿真图:

rgb_en信号，只有当po_vs和po_hs同时为高电平时，才有效，并且有po_rgb Red基色信号输出，时序仿真细节图如下所示：

通过观察和分析时序图，可以发现与设计吻合，接下来则可进行管脚分配，并下板验证，验证结果如下：