【嵌入式系统应用开发】FPGA——VGA显示基础实验
文章目录
- 前言
- 1 VGA介绍
-
- 1.1 基本定义
- 1.2 VGA的硬件电路介绍
- 1.3 VGA显示原理
- 1.4 VGA通信协议
- 2 VGA显示字符
-
- 2.1 实验准备
- 2.2 代码实现
- 3 VGA显示彩色条纹
- 4 VGA显示彩色图片
-
- 4.1 实验准备
- 4.2
- 总结
前言
文章使用的工具及板子类型
- 工具：Quartus II 13.1
- 开发板：Cyclone IV E EP4CE115F29C7
1 VGA介绍
1.1 基本定义
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。
1.2 VGA的硬件电路介绍
VGA接口是一种D型接口（D-SUB），上面共有三排共15pin。
实物图如下：
常用的专用VGA视频编码芯片有ADV/GM7123，然后通过标准的VGA物理接口输出，实现与VGA显示器通信。
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）。
1.3 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。
具体颜色对应的电压值：
| RED | GREEN | BLUE | 颜色 |
|---|---|---|---|
| 0.714V | 0V | 0V | 红色 |
| 0V | 0.714V | 0V | 绿色 |
| 0V | 0V | 0.714V | 蓝色 |
| 0V | 0V | 0.354V | 暗蓝色 |
| 0V | 0V | 0V | 黑色 |
1.4 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。
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
2 VGA显示字符
2.1 实验准备
这里使用到了汉子点阵，之前学习过OLED的汉字显示，这里会用到同样的汉字点阵提取，可以参考：
https://blog.csdn.net/apple_52030329/article/details/127887444
这里也推荐一个好用的生成字模的网站：
https://www.zhetao.com/fontarray.html
生成的字模格式如下：
0040000008802000
7e407c0028882fbe
404045fc2ef028a2
447c490428842aaa
648449042e84faaa
54885104f07c2aaa
4920490402002514
48204904042078a2
542045fc1fc06880
545045040180affe
645045040610a110
405069043ff82210
40885104010823a0
7e88410411202060
010441fc25102198
0202410442082e04
2.2 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)||(V_Cont<V_BLANK)); //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时，空白信号低电平
assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC; //VGA时钟等于CLK_25取反
assign CLK_to_DAC = CLK_25;
always@(posedge CLK_to_DAC)
begin
if(H_Cont<H_TOTAL) //如果行计数器小于行总时长
H_Cont<=H_Cont+1'b1; //行计数器+1
else H_Cont<=0; //否则行计数器清零
if(H_Cont==H_FRONT-1) //如果行计数器等于行前沿空白时间-1
VGA_HS<=1'b0; //行同步信号置0
if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1
VGA_HS<=1'b1; //行同步信号置1
if(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_TOTAL) //如果场计数器小于行总时长
V_Cont<=V_Cont+1'b1; //场计数器+1
else V_Cont<=0; //否则场计数器清零
if(V_Cont==V_FRONT-1) //如果场计数器等于场前沿空白时间-1
VGA_VS<=1'b0; //场同步信号置0
if(V_Cont==V_FRONT+V_SYNC-1) //如果场计数器等于行前沿+场同步-1
VGA_VS<=1'b1; //场同步信号置1
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'h0040000008802000,
char_line01=240'h7e407c0028882fbe,
char_line02=240'h404045fc2ef028a2,
char_line03=240'h447c490428842aaa,
char_line04=240'h648449042e84faaa,
char_line05=240'h54885104f07c2aaa,
char_line06=240'h4920490402002514,
char_line07=240'h48204904042078a2,
char_line08=240'h542045fc1fc06880,
char_line09=240'h545045040180affe,
char_line0a=240'h645045040610a110,
char_line0b=240'h405069043ff82210,
char_line0c=240'h40885104010823a0,
char_line0d=240'h7e88410411202060,
char_line0e=240'h010441fc25102198,
char_line0f=240'h0202410442082e04;
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)
if(X>10'd144&&X<10'd384) //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'd160:
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'd162:
if(char_line01[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd163:
if(char_line02[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd164:
if(char_line03[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd165:
if(char_line04[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd166:
if(char_line05[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd167:
if(char_line06[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd168:
if(char_line07[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd169:
if(char_line08[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd170:
if(char_line09[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd171:
if(char_line0a[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd172:
if(char_line0b[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd173:
if(char_line0c[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd174:
if(char_line0d[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd175:
if(char_line0e[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
10'd176:
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
运行效果：
3 VGA显示彩色条纹
在上述代码的基础上，通过限制x的取值范围让颜色缓存显示不同的值就能实现显示彩色条纹。
代码如下：
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)||(V_Cont<V_BLANK)); //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时，空白信号低电平
assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC; //VGA时钟等于CLK_25取反
assign CLK_to_DAC = CLK_25;
always@(posedge CLK_to_DAC)begin
if(H_Cont<H_TOTAL) //如果行计数器小于行总时长
H_Cont<=H_Cont+1'b1; //行计数器+1
else H_Cont<=0; //否则行计数器清零
if(H_Cont==H_FRONT-1) //如果行计数器等于行前沿空白时间-1
VGA_HS<=1'b0; //行同步信号置0
if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1
VGA_HS<=1'b1; //行同步信号置1
if(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_TOTAL) //如果场计数器小于行总时长
V_Cont<=V_Cont+1'b1; //场计数器+1
else V_Cont<=0; //否则场计数器清零
if(V_Cont==V_FRONT-1) //如果场计数器等于场前沿空白时间-1
VGA_VS<=1'b0; //场同步信号置0
if(V_Cont==V_FRONT+V_SYNC-1) //如果场计数器等于行前沿+场同步-1
VGA_VS<=1'b1; //场同步信号置1
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
实现效果：
另一种写法
VGA驱动
`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
input [23:0] data_disp ,
output reg [10:0] h_addr ,//数据有效显示区域行地址
output reg [10:0] v_addr ,//数据有效显示区域场地址
output reg vsync ,
output reg hsync ,
output reg [7 :0] vga_r ,
output reg [7 :0] vga_b ,
output reg [7 :0] vga_g ,
output wire vga_blk ,
output wire vga_sync ,
output reg vga_clk //25.2MHZ
);
//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 ;
assign vga_sync = 1'b0;
assign vga_blk = ~((cnt_h_addr<`H_Front_Porch + `H_Sync_Time + `H_Back_Porch)||(cnt_v_addr<`V_Front_Porch + `V_Sync_Time + `V_Back_Porch));
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
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
vga_clk =0;
end
else begin
vga_clk = ~vga_clk;
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 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 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 <= 8'b0;
vga_g <= 8'b0;
vga_b <= 8'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[23:16];
vga_g <= data_disp[15: 8];
vga_b <= data_disp[7 : 0];
end
else begin
vga_r <= 8'b0;
vga_g <= 8'b0;
vga_b <= 8'b0;
end
end
endmodule
生成数据
module data_gen(
input clk ,//时钟信号
input rst_n ,//复位信号
input [10:0] h_addr ,//数据有效显示区域地址
input [10:0] v_addr ,//数据有效显示区域地址
output reg [23:0] data_disp
);
//参数定义
parameter BLACK = 24'h000000,
RED = 24'hFF0000,
GREEN = 24'h00FF00,
BLUE = 24'h0000FF,
YELLOW = 24'hFFFF00,
SKY_BULE = 24'h00FFFF,
PURPLE = 24'hFF00FF,
GREY = 24'hC0C0C0,
WIGHT = 24'hFFFFFF;
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
data_disp <= BLACK;
end
else begin
case(h_addr)
0 : data_disp <= RED;
80 : data_disp <= GREEN;
160: data_disp <= BLUE;
240: data_disp <= YELLOW;
320: data_disp <= SKY_BULE;
400: data_disp <= PURPLE;
480: data_disp <= GREY;
560: data_disp <= WIGHT;
default:data_disp <= data_disp;
endcase
end
end
endmodule
顶层文件
module vga_top(
input clk ,//时钟信号
input rst_n ,//复位信号
output wire vsync ,
output wire hsync ,
output wire [7 :0] vga_r ,
output wire [7 :0] vga_b ,
output wire [7 :0] vga_g ,
output vga_blk ,
output wire vga_sync ,
output vga_clk
);
wire [23:0] data_disp ;
wire [10:0] h_addr ;
wire [10:0] v_addr ;
data_gen u_data_gen(
.clk (vga_clk ),//时钟信号
.rst_n (rst_n ),//复位信号
.h_addr (h_addr ),//数据有效显示区域地址
.v_addr (v_addr ),//数据有效显示区域地址
.data_disp (data_disp )
);
vga_ctrl u_vga_ctrl(
.clk (clk ),//时钟信号 25.2MHZ
.rst_n (rst_n ),//复位信号
.data_disp (data_disp ),
.h_addr (h_addr ),//数据有效显示区域行地址
.v_addr (v_addr ),//数据有效显示区域场地址
.vsync (vsync ),
.hsync (hsync ),
.vga_r (vga_r ),
.vga_b (vga_b ),
.vga_g (vga_g ),
.vga_blk (vga_blk ),
.vga_sync (vga_sync ),
.vga_clk (vga_clk )
);
endmodule
显示效果：
4 VGA显示彩色图片
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。
4.1 实验准备
准备一张彩色图片
用电脑自带的画图打开该图片，并另存为bmp格式
打开BMP2Mif，将bmp格式图片转换为hex文件
4.2
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
取消勾选q
加载HEX文件
ip核调用
一直next到一下这一步
还是next，到下面这一步
接下来弹出的框直接ok就完事，然后检查一下部分，有这个就成功了
从ROM取出图片数据
module data_drive (
input wire vga_clk,
input wire rst_n,
input wire [ 11:0 ] addr_h,
input wire [ 11:0 ] addr_v,
output reg [ 15:0 ] rgb_data
);
localparam black = 16'd0;
parameter height = 48; // 图片高度
parameter width = 48; // 图片宽度
reg [ 13:0 ] rom_address ; // ROM地址
wire [ 15:0 ] rom_data ; // 图片数据
wire flag_enable_out2 ; // 图片有效区域
wire flag_clear_rom_address ; // 地址清零
wire flag_begin_h ; // 图片显示行
wire flag_begin_v ; // 图片显示列
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)begin
rgb_data = black;
end
else if ( flag_enable_out2 ) begin
rgb_data = rom_data;
end
else begin
rgb_data = black;
end
end
//ROM地址计数器
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
rom_address <= 0;
end
else if ( flag_clear_rom_address ) begin //计数满清零
rom_address <= 0;
end
else if ( flag_enable_out2 ) begin //在有效区域内+1
rom_address <= rom_address + 1;
end
else begin //无效区域保持
rom_address <= rom_address;
end
end
assign flag_clear_rom_address = rom_address == height * width - 1;
assign flag_begin_h = addr_h > ( ( 640 - width ) / 2 ) && addr_h < ( ( 640 - width ) / 2 ) + width + 1;
assign flag_begin_v = addr_v > ( ( 480 - height )/2 ) && addr_v <( ( 480 - height )/2 ) + height + 1;
assign flag_enable_out2 = flag_begin_h && flag_begin_v;
//实例化ROM
rom rom_inst (
.address ( rom_address ),
.clock ( vga_clk ),
.q ( rom_data )
);
endmodule
vga驱动程序
module vga_display_pic (
input wire clk, //系统时钟
input wire rst_n, //复位
input wire [ 15:0 ] rgb_data, //16位RGB对应值
output wire vga_clk, //vga时钟 25M
output reg h_sync, //行同步信号
output reg v_sync, //场同步信号
output reg [ 11:0 ] addr_h, //行地址
output reg [ 11:0 ] addr_v, //列地址
output wire [ 4:0 ] rgb_r, //红基色
output wire [ 5:0 ] rgb_g, //绿基色
output wire [ 4:0 ] rgb_b //蓝基色
);
// 640 * 480 60HZ
localparam H_FRONT = 16; // 行同步前沿信号周期长
localparam H_SYNC = 96; // 行同步信号周期长
localparam H_BLACK = 48; // 行同步后沿信号周期长
localparam H_ACT = 640; // 行显示周期长
localparam V_FRONT = 11; // 场同步前沿信号周期长
localparam V_SYNC = 2; // 场同步信号周期长
localparam V_BLACK = 31; // 场同步后沿信号周期长
localparam V_ACT = 480; // 场显示周期长
localparam H_TOTAL = H_FRONT + H_SYNC + H_BLACK + H_ACT; // 行周期
localparam V_TOTAL = V_FRONT + V_SYNC + V_BLACK + V_ACT; // 列周期
reg [ 11:0 ] cnt_h ; // 行计数器
reg [ 11:0 ] cnt_v ; // 场计数器
reg [ 15:0 ] rgb ; // 对应显示颜色值
// 对应计数器开始、结束、计数信号
wire flag_enable_cnt_h ;
wire flag_clear_cnt_h ;
wire flag_enable_cnt_v ;
wire flag_clear_cnt_v ;
wire flag_add_cnt_v ;
wire valid_area ;
// 25M时钟
wire clk_25 ;
// 50M时钟
wire clk_50 ;
wire locked ;
//PLL
pll pll_inst (
.areset ( ~rst_n ),
.inclk0 ( clk ),
.c0 ( clk_50 ), //50M
.c1 ( clk_25 ), //25M
.locked (locked )
);
//根据不同分配率选择不同频率时钟
assign vga_clk = clk_25;
// 行计数
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
cnt_h <= 0;
end
else if ( flag_enable_cnt_h ) begin
if ( flag_clear_cnt_h ) begin
cnt_h <= 0;
end
else begin
cnt_h <= cnt_h + 1;
end
end
else begin
cnt_h <= 0;
end
end
assign flag_enable_cnt_h = 1;
assign flag_clear_cnt_h = cnt_h == H_TOTAL - 1;
// 行同步信号
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
h_sync <= 0;
end
else if ( cnt_h == H_SYNC - 1 ) begin // 同步周期时为1
h_sync <= 1;
end
else if ( flag_clear_cnt_h ) begin // 其余为0
h_sync <= 0;
end
else begin
h_sync <= h_sync;
end
end
// 场计数
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
cnt_v <= 0;
end
else if ( flag_enable_cnt_v ) begin
if ( flag_clear_cnt_v ) begin
cnt_v <= 0;
end
else if ( flag_add_cnt_v ) begin
cnt_v <= cnt_v + 1;
end
else begin
cnt_v <= cnt_v;
end
end
else begin
cnt_v <= 0;
end
end
assign flag_enable_cnt_v = flag_enable_cnt_h;
assign flag_clear_cnt_v = cnt_v == V_TOTAL - 1;
assign flag_add_cnt_v = flag_clear_cnt_h;
// 场同步信号
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
v_sync <= 0;
end
else if ( cnt_v == V_SYNC - 1 ) begin
v_sync <= 1;
end
else if ( flag_clear_cnt_v ) begin
v_sync <= 0;
end
else begin
v_sync <= v_sync;
end
end
// 对应有效区域行地址 1-640
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
addr_h <= 0;
end
else if ( valid_area ) begin
addr_h <= cnt_h - H_SYNC - H_BLACK + 1;
end
else begin
addr_h <= 0;
end
end
// 对应有效区域列地址 1-480
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
addr_v <= 0;
end
else if ( valid_area ) begin
addr_v <= cnt_v -V_SYNC - V_BLACK + 1;
end
else begin
addr_v <= 0;
end
end
// 有效显示区域
assign valid_area = cnt_h >= H_SYNC + H_BLACK && cnt_h <= H_SYNC + H_BLACK + H_ACT && cnt_v >= V_SYNC + V_BLACK && cnt_v <= V_SYNC + V_BLACK + V_ACT;
// 显示颜色
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
rgb <= 16'h0;
end
else if ( valid_area ) begin
rgb <= rgb_data;
end
else begin
rgb <= 16'b0;
end
end
assign rgb_r = rgb[ 15:11 ];
assign rgb_g = rgb[ 10:5 ];
assign rgb_b = rgb[ 4:0 ];
endmodule
顶层模块
module vga_top (
input wire clk,
input wire rst_n,
output wire vga_clk,
output wire h_sync,
output wire v_sync,
output wire [ 4:0 ] rgb_r,
output wire [ 5:0 ] rgb_g,
output wire [ 4:0 ] rgb_b
);
wire [ 11:0 ] addr_h ;
wire [ 11:0 ] addr_v ;
wire [ 15:0 ] rgb_data ;
//模块例化
vga_display_pic (
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.rgb_data (rgb_data ),
.vga_clk (vga_clk ),
.h_sync (h_sync ),
.v_sync (v_sync ),
.addr_h (addr_h ),
.addr_v (addr_v ),
.rgb_r (rgb_r ),
.rgb_g (rgb_g ),
.rgb_b (rgb_b )
);
//数据模块
data_drive u_data_drive(
.vga_clk ( vga_clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.addr_h ( addr_h ),
.addr_v ( addr_v ),
.rgb_data ( rgb_data )
);
endmodule
另一种写法
`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
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。但本次实验，最后图片的显示在实验室时没有实现，很可惜。
参考：
https://cloud.tencent.com/developer/article/2016130
https://blog.csdn.net/junseven164/article/details/125165822
https://blog.csdn.net/u013793399/article/details/51319235