浅谈VGA接口的FPGA实现

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

 

    /* ...... *

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。