FPGA实验-VGA显示
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接口是一种D型接口，上面共有15针孔，分成三排，每排五个。 其中，除了2根NC（Not Connect)信号、3根显示数据总线和5个GND信号，比较重要的是3根RGB彩色分量信号和2根扫描同步信号HSYNC和VSYNC针。VGA接口中彩色分量采用RS343电平标准。RS343电平标准的峰值电压为1V。VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。有些不带VGA接口而带有DVI(Digital Visual Interface数字视频接口）接口的显卡，也可以通过一个简单的转接头将DVI接口转成VGA接口，通常没有VGA接口的显卡会附赠这样的转接头。
大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。在经过D/A和A/D两次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。
而且可以从接口处来判断显卡是独显还是集成显卡，VGA接口竖置的说明是集成显卡，VGA接口横置说明是独立显卡（一般的台式主机都可以用此方法来查看）。
VGA显示原理：
VGA通过引脚的模拟电压(0V-0.714V)显示红绿蓝三种颜色，不同的电压值对应不同的颜色。
VGA驱动显示器用的是扫描的方式，一般是逐行扫描。
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，形成一帧后，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。
FPGA芯片驱动VGA显示，需要先产生模拟信号，这就要借助数模转换器D/A，利用D/A产生模拟信号，输出至VGA的RED、GREEN、BLUE基色数据线。另一种方法是利用电阻网络分流模拟D/A实现的。
VGA通信协议
VS：帧时序
帧时序的四个部分别是:同步脉冲(Sync o)、显示后沿(Back porch p)、显示时序段(Display interval q)和显示前沿(Front porchr)。其中同步脉冲(Sync o)、显示后沿(Back porch p)和显示前沿(Front porch r)是消隐区，RGB信号无效，屏幕不显示数据。显示时序段(Display interval q)是有效数据区。
HS：行时序
行时序的四个部分分别是:同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)、显示时序(Display interval c)和显示前沿(Front porchd)。其中同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)和显示前沿(Front porch d)是消隐区，RGB信号无效，屏幕不显示数据。显示时序段(Display interval c)是有效数据区。
VGA时序解析
一、VGA显示字符
代码实现
module VGA_test(
OSC_50, //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK, //VGA自时钟
VGA_HS, //行同步信号
VGA_VS, //场同步信号
VGA_BLANK, //复合空白信号控制信号 当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平，此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC, //符合同步控制信号 行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R, //VGA绿色
VGA_B, //VGA蓝色
VGA_G); //VGA绿色
input OSC_50; //外部时钟信号CLK2_50
output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;
output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;
parameter H_FRONT = 16; //行同步前沿信号周期长
parameter H_SYNC = 96; //行同步信号周期长
parameter H_BACK = 48; //行同步后沿信号周期长
parameter H_ACT = 640; //行显示周期长
parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK; //行空白信号总周期长
parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT; //行总周期长耗时
parameter V_FRONT = 11; //场同步前沿信号周期长
parameter V_SYNC = 2; //场同步信号周期长
parameter V_BACK = 31; //场同步后沿信号周期长
parameter V_ACT = 480; //场显示周期长
parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK; //场空白信号总周期长
parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT; //场总周期长耗时
reg [10:0] H_Cont; //行周期计数器
reg [10:0] V_Cont; //场周期计数器
wire [7:0] VGA_R; //VGA红色控制线
wire [7:0] VGA_G; //VGA绿色控制线
wire [7:0] VGA_B; //VGA蓝色控制线
reg VGA_HS;
reg VGA_VS;
reg [10:0] X; //当前行第几个像素点
reg [10:0] Y; //当前场第几行
reg CLK_25;
always@(posedge OSC_50)
begin
CLK_25=~CLK_25; //时钟
end
assign VGA_SYNC = 1'b0; //同步信号低电平
assign VGA_BLANK = ~((H_Cont=H_BLANK) //如果行计数器大于等于行空白总时长
X<=H_Cont-H_BLANK; //X等于行计数器-行空白总时长 （X为当前行第几个像素点）
else X<=0; //否则X为0
end
always@(posedge VGA_HS)
begin
if(V_Cont=V_BLANK) //如果场计数器大于等于场空白总时长
Y<=V_Cont-V_BLANK; //Y等于场计数器-场空白总时长 （Y为当前场第几行）
else Y<=0; //否则Y为0
end
reg valid_yr;
always@(posedge CLK_to_DAC)
if(V_Cont == 10'd32) //场计数器=32时
valid_yr<=1'b1; //行输入激活
else if(V_Cont==10'd512) //场计数器=512时
valid_yr<=1'b0; //行输入冻结
wire valid_y=valid_yr; //连线
reg valid_r;
always@(posedge CLK_to_DAC)
if((H_Cont == 10'd32)&&valid_y) //行计数器=32时
valid_r<=1'b1; //像素输入激活
else if((H_Cont==10'd512)&&valid_y) //行计数器=512时
valid_r<=1'b0; //像素输入冻结
wire valid = valid_r; //连线
wire[10:0] x_dis; //像素显示控制信号
wire[10:0] y_dis; //行显示控制信号
assign x_dis=X; //连线X
assign y_dis=Y; //连线Y
parameter
char_line00=240'h010010400000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line01=240'h010010400000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line02=240'h7FFCFE780000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line03=240'h03801088000007F00FE000800FE007E01FFC07E007F007E00FE000800080,
char_line04=240'h05407C100000081830180780301818183008181808181818301807800780,
char_line05=240'h092011FC0000100038180180300C381C2010381C1000381C381801800180,
char_line06=240'h3118FE240000300000180180700C300C0020300C3000300C001801800180,
char_line07=240'hC10600247FFE37F000600180301C300C0040300C37F0300C006001800180,
char_line08=240'h0FE07DFE0000380C01F00180382C300C0080300C380C300C01F001800180,
char_line09=240'h004044240000300C001801800FCC300C0180300C300C300C001801800180,
char_line0a=240'h00807C240000300C000C0180001C300C0300300C300C300C000C01800180,
char_line0b=240'hFFFE45FC0000300C380C01800018381803003818300C3818380C01800180,
char_line0c=240'h01007C24000018183018018038301C1003801C1018181C10301801800180,
char_line0d=240'h01004420000007E00FE00FF80FC007E0030007E007E007E00FE00FF80FF8,
char_line0e=240'h050054A00000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line0f=240'h020048400000000000000000000000000000000000000000000000000000;
reg[7:0] char_bit;
always@(posedge CLK_to_DAC)
if(X==10'd180)char_bit<=9'd240; //当显示到144像素时准备开始输出图像数据
else if(X>10'd180&&X<10'd420) //左边距屏幕144像素到416像素时 416=144+272（图像宽度）
char_bit<=char_bit-1'b1; //倒着输出图像信息
reg[29:0] vga_rgb; //定义颜色缓存
always@(posedge CLK_to_DAC)
if(X>10'd180&&X<10'd420) //X控制图像的横向显示边界：左边距屏幕左边144像素 右边界距屏幕左边界416像素
begin case(Y) //Y控制图像的纵向显示边界：从距离屏幕顶部160像素开始显示第一行数据
10'd200:
if(char_line00[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000; //如果该行有数据 则颜色为红色
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; //否则为黑色
10'd201:
if(char_line01[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd202:
if(char_line02[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd203:
if(char_line03[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd204:
if(char_line04[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd205:
if(char_line05[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd206:
if(char_line06[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd207:
if(char_line07[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd208:
if(char_line08[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd209:
if(char_line09[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd210:
if(char_line0a[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd211:
if(char_line0b[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd212:
if(char_line0c[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd213:
if(char_line0d[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd214:
if(char_line0e[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd215:
if(char_line0f[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
default:vga_rgb<=30'h0000000000; //默认颜色黑色
endcase
end
else vga_rgb<=30'h000000000; //否则黑色
assign VGA_R=vga_rgb[23:16];
assign VGA_G=vga_rgb[15:8];
assign VGA_B=vga_rgb[7:0];
endmodule
2、VGA显示彩色条纹
代码实现
module VGA_colorbar_test(
OSC_50, //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK, //VGA自时钟
VGA_HS, //行同步信号
VGA_VS, //场同步信号
VGA_BLANK, //复合空白信号控制信号 当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平，此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC, //符合同步控制信号 行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R, //VGA绿色
VGA_B, //VGA蓝色
VGA_G); //VGA绿色
input OSC_50; //外部时钟信号CLK2_50
output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;
output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;
parameter H_FRONT = 16; //行同步前沿信号周期长
parameter H_SYNC = 96; //行同步信号周期长
parameter H_BACK = 48; //行同步后沿信号周期长
parameter H_ACT = 640; //行显示周期长
parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK; //行空白信号总周期长
parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT; //行总周期长耗时
parameter V_FRONT = 11; //场同步前沿信号周期长
parameter V_SYNC = 2; //场同步信号周期长
parameter V_BACK = 31; //场同步后沿信号周期长
parameter V_ACT = 480; //场显示周期长
parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK; //场空白信号总周期长
parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT; //场总周期长耗时
reg [10:0] H_Cont; //行周期计数器
reg [10:0] V_Cont; //场周期计数器
wire [7:0] VGA_R; //VGA红色控制线
wire [7:0] VGA_G; //VGA绿色控制线
wire [7:0] VGA_B; //VGA蓝色控制线
reg VGA_HS;
reg VGA_VS;
reg [10:0] X; //当前行第几个像素点
reg [10:0] Y; //当前场第几行
reg CLK_25;
always@(posedge OSC_50)begin
CLK_25=~CLK_25; //时钟
end
assign VGA_SYNC = 1'b0; //同步信号低电平
assign VGA_BLANK = ~((H_Cont=H_BLANK) //如果行计数器大于等于行空白总时长
X<=H_Cont-H_BLANK; //X等于行计数器-行空白总时长 （X为当前行第几个像素点）
else X<=0; //否则X为0
end
always@(posedge VGA_HS)begin
if(V_Cont=V_BLANK) //如果场计数器大于等于场空白总时长
Y<=V_Cont-V_BLANK; //Y等于场计数器-场空白总时长 （Y为当前场第几行）
else Y<=0; //否则Y为0
end
reg valid_yr;
always@(posedge CLK_to_DAC)begin
if(V_Cont == 10'd32) //场计数器=32时
valid_yr<=1'b1; //行输入激活
else if(V_Cont==10'd512) //场计数器=512时
valid_yr<=1'b0; //行输入冻结
end
wire valid_y=valid_yr; //连线
reg valid_r;
always@(posedge CLK_to_DAC)begin
if((H_Cont == 10'd32)&&valid_y) //行计数器=32时
valid_r<=1'b1; //像素输入激活
else if((H_Cont==10'd512)&&valid_y) //行计数器=512时
valid_r<=1'b0; //像素输入冻结
end
wire valid = valid_r; //连线
assign x_dis=X; //连线X
assign y_dis=Y; //连线Y
// reg[7:0] char_bit;
// always@(posedge CLK_to_DAC)
// if(X==10'd144)char_bit<=9'd240; //当显示到144像素时准备开始输出图像数据
// else if(X>10'd144&&X<10'd384) //左边距屏幕144像素到416像素时 416=144+272（图像宽度）
// char_bit<=char_bit-1'b1; //倒着输出图像信息
reg[29:0] vga_rgb; //定义颜色缓存
always@(posedge CLK_to_DAC) begin
if(X>=0&&X<200)begin //X控制图像的横向显示边界：左边距屏幕左边144像素 右边界距屏幕左边界416像素
vga_rgb<=30'hffffffffff; //白色
end
else if(X>=200&&X<400)begin
vga_rgb<=30'hf00ff65f1f;
end
else if(X>=400&&X<600)begin
vga_rgb<=30'h9563486251;
end
else begin
vga_rgb<=30'h5864928654;
end
end
assign VGA_R=vga_rgb[23:16];
assign VGA_G=vga_rgb[15:8];
assign VGA_B=vga_rgb[7:0];
endmodule
2、VGA显示彩色图片
该部分使用了EP4CE6F17C8
在前面的学习中了解到图像的格式有多种，例如JPEG，BMP，PNG，JPG等，图像的位数也有单色、16色、256色、4096色、16位真彩色、24位真彩色、32位真彩色在这里插入图片描述
这几种。
VGA的驱动程序显示的格式为RGB565，我们先找到一张需要显示的彩色图片，经过处理，将该图片转化为ROM可以存储的格式，然后VGA驱动程序从ROM中读取数据，输出到VGA显示屏显示。尽量选一张小的图片，因为ROM存储空间有限。
使用BMP2Mif软件将bmp格式图片转换为hex文件
新建Quartus工程，产生ROM IP核，将生成的mif文件保存在ROM中
双击选择ROM：1-PORT
代码实现
`define vga_640_480
`include "vga_para.v"
module vga_ctrl(
input clk ,//时钟信号 //25.2MHZ
input rst_n ,//复位信号
output reg vsync ,
output reg hsync ,
output reg [4 :0] vga_r ,
output reg [4 :0] vga_b ,
output reg [5 :0] vga_g
);
//参数定义
parameter H_SYNC_START = 1,
H_SYNC_STOP = `H_Sync_Time ,
H_DATA_START = `H_Sync_Time + `H_Back_Porch + `H_Left_Border,
H_DATA_STOP = `H_Sync_Time + `H_Back_Porch + `H_Left_Border + `H_Data_Time,
V_SYNC_START = 1,
V_SYNC_STOP = `V_Sync_Time,
V_DATA_START = `V_Sync_Time + `V_Back_Porch + `V_Top_Border,
V_DATA_STOP = `V_Sync_Time + `V_Back_Porch + `V_Top_Border + `V_Data_Time;
//信号定义
reg [11:0] cnt_h_addr ;//行地址计数器
wire add_h_addr ;
wire end_h_addr ;
reg [11:0] cnt_v_addr ;//长地址计数器
wire add_v_addr ;
wire end_v_addr ;
reg [13:0] address ;
wire [15:0] q ;
reg vga_clk ;
wire [15:0] data_disp ;
reg [10:0] h_addr ;//数据有效显示区域行地址
reg [10:0] v_addr ;//数据有效显示区域场地址
wire flag_begin_h ;
wire flag_begin_v ;
wire flag_clear_address ;
wire flag_enable_out2 ;
assign vga_sync = 1'b0;
pll pll_inst (
.areset ( !rst_n ),
.inclk0 ( clk ),
.c0 ( c0 ),//50MHZ
.c1 ( c1 ) //25MHZ
);
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
vga_clk <= clk;
end
else begin
vga_clk <= c1;
end
end
always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_h_addr <= 12'd0;
end
else if(add_h_addr)begin
if(end_h_addr)begin
cnt_h_addr <= 12'd0;
end
else begin
cnt_h_addr <= cnt_h_addr + 12'd1;
end
end
else begin
cnt_h_addr <= 12'd0;
end
end
assign add_h_addr = 1'b1;
assign end_h_addr = add_h_addr && cnt_h_addr == `H_Total_Time - 1;
always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_v_addr <= 12'd0;
end
else if(add_v_addr)begin
if(end_v_addr)begin
cnt_v_addr <= 12'd0;
end
else begin
cnt_v_addr <= cnt_v_addr + 12'd1;
end
end
else begin
cnt_v_addr <= cnt_v_addr;
end
end
assign add_v_addr = end_h_addr;
assign end_v_addr = add_v_addr && cnt_v_addr == `V_Total_Time - 1;
//行场同步信号
always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
hsync <= 1'b1;
end
else if(cnt_h_addr == H_SYNC_START - 1)begin
hsync <= 1'b0;
end
else if(cnt_h_addr == H_SYNC_STOP - 1)begin
hsync <= 1'b1;
end
else begin
hsync <= hsync;
end
end
always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
vsync <= 1'b1;
end
else if(cnt_v_addr == V_SYNC_START - 1)begin
vsync <= 1'b0;
end
else if(cnt_v_addr == V_SYNC_STOP - 1)begin
vsync <= 1'b1;
end
else begin
vsync <= vsync;
end
end
//数据有效显示区域定义
always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
h_addr <= 11'd0;
end
else if((cnt_h_addr >= H_DATA_START - 1) &&( cnt_h_addr <= H_DATA_STOP - 1))begin
h_addr <= cnt_h_addr - H_DATA_START - 1;
end
else if(address == 48*48 - 1) begin
h_addr <= 11'd0;
end
end
always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
v_addr <= 11'd0;
end
else if((cnt_v_addr >= V_DATA_START - 1) && (cnt_v_addr <= V_DATA_STOP - 1))begin
v_addr <= cnt_v_addr - V_DATA_START -1;
end
else if(address == 48*48 - 1) begin
v_addr <= 11'd0;
end
end
//显示数据
always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
vga_r <= 5'b0;
vga_g <= 6'b0;
vga_b <= 5'b0;
end
else if((cnt_h_addr >= H_DATA_START - 1) &&( cnt_h_addr <= H_DATA_STOP - 1)
&& (cnt_v_addr >= V_DATA_START - 1) && (cnt_v_addr <= V_DATA_STOP - 1))begin
vga_r <= data_disp[15:11];
vga_g <= data_disp[10: 5];
vga_b <= data_disp[4 : 0];
end
else begin
vga_r <= 5'b0;
vga_g <= 6'b0;
vga_b <= 5'b0;
end
end
assign data_disp = q;
//ROM地址计数器
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
address <= 0;
end
else if ( flag_clear_address ) begin //计数满清零
address <= 0;
end
else if ( flag_enable_out2 ) begin //在有效区域内+1
address <= address + 1;
end
else begin //无效区域保持
address <= address;
end
end
assign flag_clear_address = address == 48 * 48 - 1;
assign flag_begin_h = h_addr > ( ( 640 - 48 ) / 2 ) && h_addr < ( ( 640 - 48 ) / 2 ) + 48 + 1;
assign flag_begin_v = v_addr > ( ( 480 - 48 )/2 ) && v_addr <( ( 480 - 48 )/2 ) + 48 + 1;
assign flag_enable_out2 = flag_begin_h && flag_begin_v;
rom rom_inst (
.address ( address),
.clock ( vga_clk),
.q ( q )
);
endmodule
总结
使用VGA显示，先弄清楚VAG显示原理，将显示屏看为N*M大小的一个坐标系，为每个坐标分配一个RGB三通道的值，也就是每个像素，行场信号扫描的速度很快，就能连成一副完整的图像。图片显示需要用到ROM来存储图片数据，在显示时，从ROM中取出数据赋给相应的RBG通道就能显示了。