【接口协议】FPGA 驱动 VGA 显示实验（一）原理部分

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VGA介绍

VGA 接口管脚

VGA 色彩原理

VGA 工作原理

VGA 时序

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VGA介绍

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 具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点。VGA 接口不但是 CRT 显示设备的标准接口，同样也是 LCD 液晶显示设备的标准接口，具有广泛的应用范围。

VGA 接口管脚

VGA 是如下图的 D 型接口，采用非对称分布的 15pin，共有 15 针， 分成 3 排，每排 5 个孔。这是显卡中应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口，可以传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

VGA 的每个管脚都有相对应的编号，下表为各个管脚对应的含义：

管脚	名称	含义
1	RED	红基色
2	GREEN	绿基色
3	BLUE	蓝基色
4	ID2	地址码 2
5	GND	行同步地
6	RGND	红地
7	GGND	绿地
8	BGND	蓝地
9	KEY	保留管脚
10	GND	场同步地
11	ID0	地址码 0
12	ID1	地址码 1
13	HSYNC	行同步
14	VSYNC	场同步
15	ID3	地址码 3

以上部分的信号为在设计时需要关注的信号，分别为红、绿、蓝基色和行、场同步信号，其余信号在 FPGA 设计中不需要关注，通过 FPGA 进行控制以上信号就可以实现各种图像。

VGA 色彩原理

自然界中的绝大部分彩色，都可以由三种基色按一定比例混合得到；反之，任意一种颜色（三基色除外）均可被分解为三种基色。作为基色的三种彩色，要相互独立，即其中任何一种基色都不能由另外两种基色混合来产生。由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于参与混合的各基色的亮度之和。三基色的比例决定了混合色的色调和色饱和度。

在中学的物理课中我们可能做过棱镜的试验，白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，色依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，这就是可见光谱。其中人眼对红绿蓝三色最为敏感，人的眼睛就像一个三频接收器的体系，任何一种基色都不能由其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。

三基色颜色编码表如下，可以看到通过三基色的不同配比可以得到不同的颜色，这就是 VGA 的颜色显示原理。

颜色	RED	GREEN	BLUE
黑	0	0	0
蓝	0	0	1
红	1	0	0
紫	1	0	1
绿	0	1	0
青	0	1	1
黄	1	1	0
白	1	1	1

VGA 工作原理

一幅图由多个像素组成，比如一张图片的分辨率为 800*600，则此图像由600行，每行800个像素点组合而成的，想要在显示屏上显示这张图片就需要把每个像素扫描上，扫描的方式为逐行扫描，从一行最左边开始扫描，一行的最后一个像素点扫描完成后，扫描下一行的起始点直至扫描完全。

VGA 时序

VGA 的时序可以分为四个阶段：同步脉冲 a、显示后沿 b、显示时序段 c、显示前沿 d。同步脉冲 a 代表新一行的扫描开始， 同时也是上一行扫描的结束。 显示时序 c 是真正图像的显示区域， 在此阶段， 像素逐个显示出来， 即在这一阶段控制红、绿、蓝三基色信号输出对应像素的 RGB 值。 显示后沿 b 和显示前沿 d 这两个阶段是消隐时刻， 此时要求红、绿、蓝三基色信号都为 0。电子束的行进路径是从图像的左上角开始，由左到右一个点一个点的移动。当一行扫描完毕后，电子束则需要从最右边回到最左边开始下一行的扫描，这一移动的时间即为同步脉冲 a。在同步脉冲 a 结束后，信号由 0 变 1 迎来一个上升沿，进入显示信号。 这段显示信号包含显示后沿 b、显示时序 c 和显示前沿 d 三部分，其中只有显示时序 c 是真正可以显示像素的，即在这一段需要输出有效的 RGB 的值，从而保证显示效果。

• 场同步的变化是以“一行” 为单位的。假定一行时间是 800 个时钟，场同步脉冲 a 的值为 2，则场同步脉冲的时间是 2*800=1600 个时钟。
• 真正的显示区域是场同步信号处于显示区域且行同步信号也处于显示区域的部分， 其他区域中红、 绿、 蓝基色都要给低电平。 即场同步信号和行同步信号均处于显示区域的时候， 才是真正的显示区域。

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下图为 VGA 常用分辨率时序参数

• a：同步脉冲
• b：显示后沿
• c：显示区域
• d：显示前沿
• e：帧长

以 800*600/60Hz 为例， 这一指标代表刷新频率为 60Hz， 分辨率为 800X600。 标准 VGA 显示驱动中刷新频率 60 Hz 即为 1 秒显示 60 幅图像。此外， 从上表中可以看出， 在该分辨率下行同步信号的同步脉冲是 128 个基准时钟， 显示后沿是 88 个基准时钟， 显示区域是 800 个基准时钟， 显示前沿是 40 个基准时钟， 通过相加可以得出一行一共有 1056 个基准时钟。 该分辨率下的场同步信号的同步脉冲是 4 行（4*1056 个基准时钟）， 显示后沿是 23 行（23*1056 个基准时钟）， 显示区域为 600 行（600*1056 个基准时钟）， 显示前沿为 1 行（1*1056 个基准时钟）， 共计 623 行（623*1056 个基准时钟） 。那么基准时钟又是多少呢？ 由于 1 秒显示 60 幅图像， 所以一幅图像显示的时间是 1/60 秒。 由于一幅图像占用了 623*1056 个基准时钟， 则基准时钟周期 =（1/60） /（623*1056） 秒， 约为 25.3336ns。 因此， 基准时钟频率约为 39.476 MHz， 在本设计中取 40 M。

在这里将两个信号融合在一起解释一下。 每一行的扫描需要行同步信号， 且每一行中都具有同步脉冲 a， 显示后沿 b， 显示时序 c 和显示前沿 d 四个阶段， 完成一行扫描后再进入到下一行再次重复同样的四个阶段， 这一过程为行同步。 将范围扩大， 点动成线即为行， 线动成面即为场。 场同步中和行同步一样依旧分为四个阶段， 同步脉冲a， 显示后沿 b， 显示时序 c 和显示前沿 d。 因此就有了上面所示的时序图，场同步的单位就为行同步。

这也是最终选取的显示区域需要行同步和场同步都处于显示时序 c 中的原因。 试想一下， 如果行同步处于显示脉冲 c 的位置， 但是场同步还处于同步脉冲 a 的位置， 在这一状态下无法完成图像的显示。 同理， 如果场同步处于显示脉冲 c 的位置， 但是行同步处于同步脉冲 a 的位置， 也同样无法显示图像。 这是一个包含与被包含的关系， 在场同步脉冲 c 位置的时候， 包含了很多个时序四个脉冲的行同步， 而只有在行同步中也处于同步脉冲 c 的位置时才可以真正显示图像。