VGA接口原理与Verilog实现编程案例解析

一、 软件平台与硬件平台,软件平台>
1、操作系统：Windows-8.1,2、开发套件：ISE14.7,3、仿真工具：ModelSim-10.4-SE,硬件平台>
1、 FPGA型号：Xilinx公司的XC6SLX45-2CSG324,2、 VGA接口,3、 液晶显示器,二、 原理介绍,VGA（Video Graphics Array）即视频图形阵列，是IBM在1987年推出的使用模拟信号的一种视频传输标准，在当时具有分辨率高、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。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己的特殊驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。
VGA接口实物所示
左边带针的叫VGA公头，右边带槽的叫VGA母头。
VGA接口的特点>
1、 VGA接口不支持热插拔,VGA接口跟HDMI接口一样是不支持热插拔的。热插拔是指一般带电状态下对于接插件的插入或是拔除，并不只是针对有电源接口或者带供电的接口的接插件，而是所有。在运行状态时，插拔会产生耦合电流，电流不稳造成硬件烧坏，导致笔记本的接口端的保护受到冲击。就像U盘不能再一个时间段多次在一个端口插拔使用一样。各种电器的外露端子都会有金属的部分，它们都是要求接地的，但是不同的电器之间的地并不一定相同，比如一台DVD的地和一台电视机的接地都是相对于本身系统而言。
当端子插入时，首先要建立共同的地来对传输的信号作参考，这就要依靠端子和传输线上的金属部分了，金属部分接地同时也是对信号的屏蔽和保护。两个地相接触一瞬间，会有很高的尖峰脉冲产生，这种脉冲如果不加以滤除可能会直达芯片并将其损坏。另外还有一种是ESD，即静电损坏，这种更难以避免，因为在电子产品上，只能去防护，ESD的持续时间会更短US级别。所以正规的电子产品对于金属端子的接地有比较高的要求，同时在信号线上增加ESD防护器件来避免热插拔的损坏。但实际上很多厂家为了节省成本而偷工减料，或者是对热插拔的防护意识不够导致设计不合理，使得用户会出现热插拔损坏电器的现象产生。
2、  VGA不能传输音频,因为视频是VGA信号，而音频信号不是，所以VGA不能传输音频，只能传输视频。相信这就是为什么这几年极度的需求创新转换器的原因。VGA不支持音频传输也是给很多消费者带来烦恼，这最好的办法其实就是购买一款转换器，VGA转HDMI或者HDMI转VGA，达到视频传输的同时还支持音频信号的输出，一举两得。但是不要只想着转换器的输入与输出成问题，同时想想音频输出口，3.5mm是音频输出信号的重要连接线。购买时可以考虑想转换器有没有带3.5mm的音频输出口，然后另外购买一条音频线。
3、 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。其引脚编号图如下图所示>


其中每个管脚的详细定义如下表所示
VGA接口时序详解,VGA 显示器扫描方式从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点扫描，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。完成一行扫描的时间称为水平扫描时间，其倒数称为行频率；完成一帧（整屏）扫描的时间称为垂直扫描时间，其倒数称为场频率，即屏幕的刷新频率，常见的有 60Hz，75Hz 等等，但标准的 VGA 显示的场频 60Hz。其扫描示意图如下图所示,
在对VGA扫描方式有一个直观的感受以后接下来在看一看VGA接口的详细时序与各个参数的定义。VGA的详细时序如下图所示>

总的来说，VGA的时序主要包括行时序与场时序两个部分。
其中行时序主要包括：行同步(Hor Sync) 、行消隐(Hor Back Porch) 、行视频有效(Hor Active Video)和行前肩(Hor Front Porch)这四个参数，行时序的时序图如下图所示,
而场时序主要包括：场同步(Ver Sync) 、场消隐(Ver Back Porch) 、场视频有效(Ver Active Video)和场前肩(Ver Front Porch)这四个参数，场时序的时序图如下图所示,
需要注意的有三点>
1、行时序是以”像素”为单位的， 场时序是以”行”为单位的。
2、VGA 工业标准显示模式要求：行同步，场同步都为负极性，即同步脉冲要求是负脉冲。
3、VGA 行时序对行同步时间、 消隐时间、 行视频有效时间和行前肩时间有特定的规范， 场时序也是如此。常用VGA 分辨率时序参数如下表所示,
其中:,Pixel Clock = (Screen Refresh Frequency)*(Hor Active Video + Hor Front Porch + Hor Synv Pulse + Hor Back Porch)* (Ver Active Video + Ver Front Porch + Ver Synv Pulse + Ver Back Porch),以640x480,60Hz这种分辨率格式来说，25.175MHz = 25175000Hz = 60*(640 + 16 + 96 + 48)*(480 + 11 + 2 + 31) = 60 * 800 * 525,三、 目标任务,1、编写VGA驱动代码，并用ModelSim对时序进行仿真，然后下载到开发板中使屏幕产生彩色条纹,2、在上个任务的基础上，把一张存在ROM里面的图片数据显示到显示器上,四、 设计思路与Verilog代码编写,4.1、 VGA驱动模块的接口定义与整体设计,Verilog编写的VGA模块除了Red，Green，Blue三基色、行同步HS以及场同步VS以外还要包括时钟、复位信号。其框图如下所示,
其中>
I_clk是系统时钟；,I_rst_n是系统复位；,O_hs是行同步信号；,O_vs是场同步信号；,O_red是红色分量；,O_green是绿色分量；,O_blue是蓝色分量；,上面的模块框图中没有看到测试数据(彩条或者图片)的输入端口，原因是由于VGA的逻辑比较简单，所以我准备把发送测试图案(彩条或者图片)的逻辑也直接集成到vga_driver模块中，这样可能更加方便理解。但是对于实际一个比较复杂的项目来说，最好还是把各个模块独立开来，这样更加方便二次移植。在写代码之前，先了解一个关于图片的分辨率与位深度的知识点。
4.2、 图片的分辨率、图片的尺寸与位深度,图片的分辨率指图像中存储的信息量，是每英寸图像内有多少个像素点，它决定了位图图像细节的精细程度。描述分辨率的单位有：dpi(dots per inch)点每英寸、lpi(line per inch)线每英寸和ppi(pixel per inch)像素每英寸。
图片的尺寸是指一幅图片长度和宽度各占多少像素，我们平常说的一张640×480的图片指的就是这张图片的长度有640个像素点，宽度有480个像素点,位深度是指图片的每个像素是用多少位(bit)来表示的。比如黑白二色的图像是数字图像中最简单的一种，它只有黑、白两种颜色，也就是说它的每个像素只有1位颜色，位深度是1，用2的零次幂来表示；考虑到位深度平均分给R, G, B和Alpha，而只有RGB可以相互组合成颜色。所以4位颜色的图，它的位深度是4，只有2的4次幂种颜色，即16种颜色或16种灰度等级 )。8位颜色的图，位深度就是8，用2的8次幂表示，它含有256种颜色 ( 或256种灰度等级 )。24位颜色可称之为真彩色，位深度是24，它能组合成2的24次幂种颜色，即：16777216种颜色 ( 或称千万种颜色 )，超过了人眼能够分辨的颜色数量。当我们用24位来记录颜色时，实际上是以2^（8×3），即红、绿、蓝 ( RGB ) 三基色各以2的8次幂，256种颜色而存在的，三色组合就形成一千六百万种颜色。除了上面这几种情况以外，有的图片的位深度是16位，其中红基色占5位，绿基色占6位，蓝基色占5位，他们一共可以组成2^16中颜色。
在电脑上用选中图片以后，然后鼠标右键在菜单中点击属性，然后在详细信息选项卡中就能查看图片的各个详细信息了，上面这张图片的信息如下图所示,
由上面的信息可知这张图片的大小为128*128。水平分辨率与垂直分辨率为96dpi(dots per inch)，位深度为24-bit。
4.3、 原理图分析,在写代码之前，先来分析一下我的开发板的VGA接口原理图。由于FPGA输出的RGB数据为数字信号，而VGA接口的RGB数据为模拟信号，所以需要一个数模转换器把FPGA输出的数字信号转化为VGA接口的模拟RGB数据输出。一般情况下，为了保证输出数据的保真度，都会使用一个专用的数模转换芯片(比如ADV7123)来实现这个数模转换的功能，但是在我的开发板上为了简单起见，设计了一个电阻匹配网络来实现这个数模转换的功能，FPGA输出的RGB三基色数字信号一共占16-bit，其中Red分量占5-bit，Green分量占6-bit，Blue分量占5-bit。下面是VGA接口部分的原理图,
4.4、 vga_driver模块显示彩条Verilog代码编写,有了上面的基础之后就可以开始着手编写代码，现在在回过头去看行时序与场时序，其实可以发现VGA的时序真的是非常简单。
对行时序来说，只需要定义一个计数器，当计数器在像素时钟的作用下计满一行的总点数后清零，然后利用assign语句在计数值为Hor Sync期间把行时序信号拉低产生一个低脉冲就可以了。场时序与行时序非常类似，当行计数器计满一行了场计数器才加1，当计满一场的时间后，计数值清零，然后利用assign语句在Ver Sync期间把场时序信号拉低产生一个低脉冲就OK了。
有了行时序与场时序以后，接下来就是在Hor Active Video和Ver Active Video均有效的期间往Red,Green,Blue三个分量送数据，数据就会在在屏幕上显示出来了。而Hor Active Video有效的期间正是行计数器的计数值在大于(Hor Sync + Hor Back Porch)，小于(Hor Sync + Hor Back Porch + Hor Active Video)的时候，而Ver Active Video有效的期间正是场计数器的计数值在大于(Ver Sync + Ver Back Porch)，小于(Ver Sync + Ver Back Porch + Ver Active Video)的时候，所以在代码里面可以利用assign语句产生一个激活标志，当激活标志为高的时候给Red,Green,Blue三个分量送数据，数据就会在屏幕显示出来了。
下面以分辨率为640x480为例来编写vga_driver的代码，由前面的分辨率时序参数表可知，640x480分辨率的像素时钟为25.175Hz，但实际并不需要这么精确的时钟频率，我们取25MHz就可以了，我的开发板的时钟频率为50MHz，所以只需要简单的写一个二分频逻辑就可以得到这个像素时钟了。如果你想显示其他分辨率的图片，比如800x600分辨率的时钟频率是40MHz，这时候就需要用FPGA内部的Clocking Wizard IP核来得到这个40MHz的时钟，Clocking Wizard IP核内部回调用FPGA的PLL资源对输入频率进行处理来得到想要的输出频率。
下面是VGA接口产生彩条的完整代码,整个代码的编写思路与上面的分析基本一致。除了显示彩条以外，还可以显示黑白格子，代码在上面也已经给出。更多更有趣的图案大家可以自己多试一下。在下载到开发板之前先用ModelSim对整个逻辑进行一下仿真，在测试激励文件里面只需要给时钟和复位加上激励就可以了，非常简单，我就不贴激励文件的代码了，下图是ModelSim仿真图,
具体的时序细节大家可以自己仿的试一下，整个时序都是没问题的。
下面是代码下载到我的开发板中显示器显示的彩条图案,
4.5、 如何把一张图片转化为存放在ROM中的.coe文件,显示完彩条以后，接下来就是把一张图片显示在液晶显示器上。完成这个任务的第一步就是要把一张图片转化为ROM可以导入的.coe文件，第二部就是把ROM中的图片数据在有效区域输出出来，这样就可以在图片上显示一张图片了。由于我的FPGA型号为XC6SLX45-2CSG324，它内部的BRAM资源十分有限，无法存储一张完整640*480分辨率的图片数据，所以接下来的实验我会把上文那张128x128的圣诞老人的图片显示在液晶显示器上。如果你的FPGA内部资源足够的话，你可以以我这个例子作为参考把你想显示的图片显示出来。
为了把图片转化为.coe文件存放在ROM，这时可以利用Matlab软件先把图片转化为一个三维矩阵，然后把三维矩阵中的Red，Green，Blue分量的颜色数据提取出来按照5-bit Red，6-bit Green， 5-bit Blue的格式进行拼接，最后写入到.coe文件中，Matlab的完整代码如下>
基本上每行我都做了详细的注释，最后我在强调几点>
1、运行这段代码的时候必须把图片文件和Matlab的.m文件放在同一目录。imread()函数的参数是一个字符串，这个字符串是图片的名字。如果图片与Matlab的.m文件不再同一个目录，则imread()里面需要填写图片的绝对路径。
2、在Matlab对矩阵进行转置只需要在矩阵的右边打一个单引号就可以了,3、Matlab执行循环的效率非常低，所以我在数据进行重组与拼接之前把数据用reshape函数转化为1维矩阵并用uint32函数扩大了数据的范围，这样的好处是重组拼接的时候只需要一个for循环就ok。如果你觉得用reshape和uint32这两个函数对数据进行预处理太麻烦了，那么你可以使用一个二维for循环进行处理对128*128的矩阵的行和列分别处理。因为这里数据量不算大，所以用单个for循环和二维for循环区别不太大。
4、如果你的开发板硬件支持显示24-bit真彩色图片，那么上面的代码中你就不需要对RGB分量分别右移进行截取操作，直接左移位并相加(拼接)就可以了,4.6、 vga_driver模块显示图片Verilog代码编写,有了之前显示彩条的基础以后，这个实验就非常简单了，只要在把显示彩条的逻辑修改为从ROM读数据就可以了。而ROM的配置过程如下所示>
1、选择Block Memory Generator,
2、选择类型为Single Port ROM,
3、选择ROM的Read Width为16，Read Depth为16384(128*128=16384),
4、导入用Matlab生成的.coe图片文件,
5、其他的所有参数我都保持默认，如果你需要有其他特殊需求的话可以按需修改。
配置好ROM就可以修改发送RGB数据的逻辑了，完整的代码如下>
绑定管脚生成bit文件以后下载到开发板中液晶显示器上就出现了圣诞老人的图片,
至此，整个VGA的实验全部完成。
五、 进一步思考,5.1、 如何修改屏幕背景为其他颜色(比如蓝色),上面已经可以让一张图片正常在屏幕上显示出来了，而图片以外的区域是黑色的，如果我们想把图片以外的区域改成蓝色的其实很简单，只需要图片以外区域的RGB分量的Red，Green分量给0，Blue分量给1就可以了,5.2、如何让128*128圣诞老人的图片在屏幕中间,上图的圣诞老人图片显示在屏幕的左上角，如果我们想把他显示在图片中间位置只需要在
 
 
 
这个判断语句中加上一个固定的C_H_OFFSET与C_V_OFFSET偏移分量就可以了，当然这个偏移分量不能太大，否则会使图片跑到屏幕外面,5.3、 如何让128*128圣诞老人的图片在屏幕上动起来，并且碰到显示器边框以后就反弹,上面已经知道修改图片的位置的方法以后，我们可以把图片的行和列的偏移量设置成一个reg变量，然后在每一帧结束以后修改这个偏移量就可以了，而场脉冲的下降沿可以看做每一帧结束的标志位，所以为了实现这个功能需要写一个检测场脉冲下降沿的逻辑。
至于碰到屏幕以后产生“反弹”的效果实际上就是一个状态机，这个状态机一共有四个状态>
状态2’b00：图片向右下方移动,状态2’b01：图片向右上方移动,状态2’b10：图片向左下方移动,状态2’b11：图片向左上方移动,这个状态机很容易就抽象出来了，但关键是状态的跳变一定要理清楚了，下面这个状态机的状态跳变图,
上面这个状态转换图清晰的描述了图片在屏幕上运动的状态切换图，其中每次状态切换都是在场脉冲的下降沿触发，这样才能保证图片在运动过程中不会闪烁。
完整的代码如下>
代码里面碰到左边框和碰到上边框的判决方式为 if(R_h_pos == 1) 和if(R_h_pos == 1)，我之所以设置为1而不设置为0是因为我发现设置为0的时候当图片碰到左边框和上边框会闪烁一下，具体原因大家自己分析一下。
六、 总结,VGA的时序是非常适合初学者入门的，相对于其他接口时序来说，VGA时序确实是最简单的，所以初学者最好能自己把代码从头到尾敲一遍，然后用ModelSim仿一下，看一看中间变量的波形以加深对VGA时序的理解。