VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。不支持热插拔，不支持音频传输。对于一些嵌入式VGA显示系统，可以在不使用VGA显示卡和计算机的情况下，实现VGA图像的显示和控制。VGA显示器具有成本低、结构简单、应用灵活的优点。对于一名FPGA工程师，尤其是视频图像的方向的学习者，VGA协议是必须要掌握的。
一、外部接口
由电路图可以看到，VGA并没有特殊的外部芯片，我们需要关注的其实只有5个信号：HS行同步信号，VS场同步信号，R红基色，G绿基色，B蓝基色。下面慢慢解释这些信号。
二、色彩原理
经过九年义务教育的我们都应该听过三基色，还给老师了的那就在再复习一下。三基色是指通过其他颜色的混合无法得到的“基本色”由于人的肉眼有感知红、绿、蓝三种不同颜色的锥体细胞，因此色彩空间通常可以由三种基本色来表达。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。我们的RGB信号真是三基色的运用，对这三个信号赋予不同的数值，混合起来便是不同的色彩。
设计RGB信号时，既可以R信号、G信号和B信号独立的赋值，最后连到端口上，也可以直接用RGB当做一个整体信号，RGB信号在使用时的位宽有三种常见格式，以你的VGA解码芯片的配置有关。
1. RGB_8，R：G：B = 3：3：2，即RGB332
2. RGB_16，R：G：B = 5：6：5，即RGB565
3. RGB_24，R：G：B = 8：8：8，即RGB888
三、扫描方式
VGA显示器扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描：逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左像右逐点扫描，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。隔行扫描是指电子束扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后在返回来扫描剩下的线，隔行扫描的显示器闪烁的厉害，会让使用者的眼睛疲劳。因此我们一般都采用逐行扫描的方式。
扫描原理如下所示：
四、行场信号
一开始看这个时序图可能看不懂，它是把行场信号绘制在同一张图里，说明行场信号的控制是相似的，只是时间参数不一样而已。如果展开的话，其实时序是这样的：
这样就清楚了，大致是若干个HS信号才组合而成一个VS，如果在一副图片中，那正确的时序表示方式应该如下图这样。
现在稍稍解释一下这些参数。SYNC是“信号同步”，Back proch和Left border常常加在一起称为“显示后沿”，Addressable video为“显示区域”，Right porder和Front porch常常加在一起称为“显示前沿”，一个时序其实就是先拉高一段较短的“信号同步”时间，然后拉低一段很长的时间，这就是一个回合。同时需要注意，其实也可以完全相反。即先拉低一段时间“信号同步”时间，然后拉高一段很长的时间。
具体这些时间参数是怎么来的呢？且看下文。
五、规格参数
直接拿数据手册说话！
以上是常用的几种规格参数表，对着这些表即可确定时间。如果为了嫌麻烦，也可以先计算好写在代码里。下面是我弄好的代码参数，需要用什么规格就用什么，其他注释掉即可。
1 //640x480 @60 25Mhz ------------------------- 2 parameter H_TOTAL = 800 ; //行扫描周期 3 parameter H_SYNC = 96 ; //行同步 4 parameter H_BACK = 48 ; //行显示后沿 5 parameter H_DISP = 640 ; //行有效数据 6 parameter H_FRONT = 16 ; //行显示前沿 7 parameter V_TOTAL = 525 ; //场扫描周期 8 parameter V_SYNC = 2 ; //场同步 9 parameter V_BACK = 33 ; //场显示后沿 10 parameter V_DISP = 480 ; //场有效数据 11 parameter V_FRONT = 10 ; //场显示前沿 12 /* 13 //800x600 @60 40Mhz ------------------------- 14 parameter H_TOTAL = 1056 ; //行扫描周期 15 parameter H_SYNC = 128 ; //行同步 16 parameter H_BACK = 88 ; //行显示后沿 17 parameter H_DISP = 800 ; //行有效数据 18 parameter H_FRONT = 40 ; //行显示前沿 19 parameter V_TOTAL = 628 ; //场扫描周期 20 parameter V_SYNC = 4 ; //场同步 21 parameter V_BACK = 23 ; //场显示后沿 22 parameter V_DISP = 600 ; //场有效数据 23 parameter V_FRONT = 1 ; //场显示前沿 24 25 //1280x960 @60 108Mhz ----------------------- 26 parameter H_TOTAL = 1800 ; //行扫描周期 27 parameter H_SYNC = 112 ; //行同步 28 parameter H_BACK = 312 ; //行显示后沿 29 parameter H_DISP = 1280 ; //行有效数据 30 parameter H_FRONT = 96 ; //行显示前沿 31 parameter V_TOTAL = 1000 ; //场扫描周期 32 parameter V_SYNC = 3 ; //场同步 33 parameter V_BACK = 36 ; //场显示后沿 34 parameter V_DISP = 960 ; //场有效数据 35 parameter V_FRONT = 1 ; //场显示前沿 36 */
六、实例讲解
最近使用的开发板带了一个TFT屏，分辨率为480x272，其显示原理和VGA接口完全相同，因此拿这个屏幕编写一段程序看看。
1 //========================================================================== 2 // --- 名称 : TFT_driver.v 3 // --- 作者 : xianyu_FPGA 4 // --- 日期 : 2019-01-03 5 // --- 描述 : TFT显示屏控制器，分辨率480x272，显示三个竖着的彩条 6 //========================================================================== 7 8 module TFT_driver 9 //=====================<端口声明>=========================================== 10 ( 11 //input ------------------------------------- 12 input wire clk , //时钟，9Mhz 13 input wire rst_n , //复位，低电平有效 14 //user interfaces --------------------------- 15 output wire TFT_req , //输出请求信号 16 input wire [15:0] data , //得到图像数据 17 //output ------------------------------------ 18 output wire TFT_clk , //TFT像素时钟 19 output wire TFT_de , //TFT使能 20 output wire TFT_pwm , //TFT背光控制 21 output wire TFT_hsync , //TFT行同步信号 22 output wire TFT_vsync , //TFT场同步信号 23 output reg [15:0] TFT_rgb //TFT像素输出 24 ); 25 //=====================<参数定义>=========================================== 26 //480x272 @60 9Mhz -------------------------- 27 parameter H_TOTAL = 525 ; //行扫描周期 28 parameter H_SYNC = 41 ; //行同步 29 parameter H_BACK = 2 ; //行显示后沿 30 parameter H_DISP = 480 ; //行有效数据 31 parameter H_FRONT = 2 ; //行显示前沿 32 parameter V_TOTAL = 286 ; //场扫描周期 33 parameter V_SYNC = 10 ; //场同步 34 parameter V_BACK = 2 ; //场显示后沿 35 parameter V_DISP = 272 ; //场有效数据 36 parameter V_FRONT = 2 ; //场显示前沿 37 38 //=====================<信号定义>=========================================== 39 //行场信号 40 reg [9:0] cnt_h ; 41 wire add_cnt_h ; 42 wire end_cnt_h ; 43 reg [9:0] cnt_v ; 44 wire add_cnt_v ; 45 wire end_cnt_v ; 46 reg TFT_en ; 47 wire red_area ; 48 wire green_area ; 49 wire blue_area ; 50 51 //-------------------------------------------------------------------------- 52 //-- 行、场计数 53 //-------------------------------------------------------------------------- 54 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 55 if(!rst_n) 56 cnt_h <= 0; 57 else if(add_cnt_h) begin 58 if(end_cnt_h) 59 cnt_h <= 0; 60 else 61 cnt_h <= cnt_h + 1; 62 end 63 else 64 cnt_h <= cnt_h; 65 end 66 67 assign add_cnt_h = 1; 68 assign end_cnt_h = add_cnt_h && cnt_h==H_TOTAL-1; 69 70 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 71 if(!rst_n) 72 cnt_v <= 0; 73 else if(add_cnt_v) begin 74 if(end_cnt_v) 75 cnt_v <= 0; 76 else 77 cnt_v <= cnt_v + 1; 78 end 79 else 80 cnt_v <= cnt_v; 81 end 82 83 assign add_cnt_v = end_cnt_h; 84 assign end_cnt_v = add_cnt_v && cnt_v==V_TOTAL-1; 85 86 //-------------------------------------------------------------------------- 87 //-- TFT请求信号和使能信号，注意时序的对齐 88 //-------------------------------------------------------------------------- 89 assign TFT_req = (cnt_h >= H_SYNC + H_BACK - 1) && (cnt_h < H_SYNC + H_BACK + H_DISP - 1) && 90 (cnt_v >= V_SYNC + V_BACK ) && (cnt_v < V_SYNC + V_BACK + V_DISP ) 91 ? 1 : 0; 92 93 always @(posedge clk) begin 94 TFT_en <= TFT_req; 95 end 96 97 //-------------------------------------------------------------------------- 98 //-- 行场信号 99 //-------------------------------------------------------------------------- 100 assign TFT_hsync = (cnt_h < H_SYNC) ? 0 : 1; 101 assign TFT_vsync = (cnt_v < V_SYNC) ? 0 : 1; 102 103 //-------------------------------------------------------------------------- 104 //-- 其他信号 105 //-------------------------------------------------------------------------- 106 assign TFT_clk = clk; 107 assign TFT_de = TFT_en; 108 assign TFT_pwm = rst_n; 109 110 //-------------------------------------------------------------------------- 111 //-- rgb信号 112 //-------------------------------------------------------------------------- 113 //assign TFT_rgb = TFT_en ? data : 0; 114 115 always @(*) begin 116 if(TFT_en) begin 117 118 if(red_area) begin //红色区域 119 TFT_rgb <= 16'b11111_000000_00000; 120 end 121 else if(green_area) begin //绿色区域 122 TFT_rgb <= 16'b00000_111111_00000; 123 end 124 else if(blue_area) begin //蓝色区域 125 TFT_rgb <= 16'b00000_000000_11111; 126 end 127 128 end 129 else begin //非显示区域 130 TFT_rgb <= 0; 131 end 132 end 133 134 135 assign red_area = cnt_h >= (H_SYNC + H_BACK) && cnt_h < (H_SYNC + H_BACK + H_DISP*1/3) && 136 cnt_v >= (V_SYNC + V_BACK) && cnt_v < (V_SYNC + V_BACK + V_DISP); 137 assign green_area = cnt_h >= (H_SYNC + H_BACK) && cnt_h < (H_SYNC + H_BACK + H_DISP*2/3) && 138 cnt_v >= (V_SYNC + V_BACK) && cnt_v < (V_SYNC + V_BACK + V_DISP); 139 assign blue_area = cnt_h >= (H_SYNC + H_BACK) && cnt_h < (H_SYNC + H_BACK + H_DISP*3/3) && 140 cnt_v >= (V_SYNC + V_BACK) && cnt_v < (V_SYNC + V_BACK + V_DISP); 141 142 143 144 145 146 endmodule
这个工程还包括顶层top模块，pll分频模块，这些就不展示了。还一点是接口处的user interfaces的信号没有使用到，而是自己通过代码赋的值。工程最终正常运行，显示出从左到右的三个竖彩条，其效果如下所示：
七、后记
这样只是简单的使用了VGA，最终还是要以显示视频或图像为目标，这就涉及到模块之间的交互问题，下次再总结吧！
参考资料：
[1]开源骚客.VGA系列之一：VGA显示驱动篇
[2]NingHeChuan.基于FPGA的VGA显示静态图片
[3]威三学院FPGA教程
[4]袁玉卓, 曾凯锋, 梅雪松. FPGA自学笔记：设计与验证[M]. 北京航空航天出版社, 2017.