摘  要： 利用FPGA設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種VGA圖形控制器。根據(jù)VGA顯示原理，利用VHDL作為邏輯描述語(yǔ)言，在Xilinx的開(kāi)發(fā)板Nexys2上完成了設(shè)計(jì)的功能。通過(guò)按動(dòng)開(kāi)發(fā)板上的按鍵可切換顯示屏顯示的圖形，可實(shí)現(xiàn)橫條紋、豎條紋、方格棋盤(pán)等8 bit彩色圖形的顯示。
關(guān)鍵詞： VGA；FPGA；圖形控制器；8 bit彩色圖形

    隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)字圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，F(xiàn)PGA對(duì)VGA信號(hào)的采集起到了不可忽視的作用[1]。基于FPGA設(shè)計(jì)的VGA圖形控制器有不少便利之處：首先，F(xiàn)PGA以其設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛運(yùn)用到各種功能的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中。以硬件描述語(yǔ)言（Verilog或VHDL）完成的電路設(shè)計(jì)可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局快速燒至到FPGA上進(jìn)行測(cè)試，成為現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主流技術(shù)。其次，VGA作為一種通用的顯示接口，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工作和生活當(dāng)中。傳統(tǒng)的VGA顯示控制主要以專(zhuān)門(mén)的芯片電路和通用處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，體積大且不靈活，但基于FPGA的VGA顯示控制顯著提高了產(chǎn)品的靈活性。最后，基于FPGA設(shè)計(jì)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單，投資小，系統(tǒng)成本較低，使得本VGA圖形控制器在同類(lèi)商品中將更具有價(jià)格上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文著重介紹一種利用Nexys2 FPGA開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)VGA顯示控制的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同圖案的顯示，該方法也可以方便地應(yīng)用于各種嵌入式便攜系統(tǒng)中。
1 Nexys2概述
     現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛運(yùn)用。其配置和編程是通過(guò)軟件進(jìn)行的，通用性和靈活性極強(qiáng)。在產(chǎn)品升級(jí)時(shí)，不需要額外改變?cè)械挠布娐罚恍栊薷某绦颍蟠笏薅塘讼到y(tǒng)設(shè)計(jì)周期。Nexys2作為一款比較經(jīng)典的FPGA開(kāi)發(fā)板，能夠完全兼容嵌入式處理器。特別在VGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因其板上集成了16 MB高速SDRAM和16 MB Flash ROM，不需接外部ROM便可存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)或字符數(shù)據(jù)，使其得到更加廣泛的運(yùn)用。
2 VGA概述及工作原理
2.1 VGA技術(shù)
    計(jì)算機(jī)顯示器的顯示有許多標(biāo)準(zhǔn)，常見(jiàn)的有VGA（視頻圖形陣列）、SVGA（高級(jí)視頻圖形陣列）等。在圖像處理系統(tǒng)中，若是采用傳統(tǒng)辦法將圖像數(shù)據(jù)傳回電腦并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，則整個(gè)傳輸過(guò)程中都需要嵌入式系統(tǒng)的CPU不斷對(duì)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行控制，不僅浪費(fèi)CPU資源并且依賴(lài)計(jì)算機(jī)，顯著降低了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。但如果基于FPGA對(duì)VGA接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)流就只在系統(tǒng)的內(nèi)部流動(dòng)而不依賴(lài)電腦，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的最小化，并且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性[1]。FPGA開(kāi)發(fā)板上集成了很多功能模塊，使得基于FPGA的設(shè)計(jì)還可以根據(jù)用戶(hù)的特定需要設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)的VGA圖形控制器，不僅滿(mǎn)足了多樣化的用戶(hù)需要，而且降低了開(kāi)發(fā)成本，使產(chǎn)品的升級(jí)換代更加快捷、方便。
2.2 VGA顯示原理
    VGA顯示系統(tǒng)如圖1所示，主要由VGA控制器、存儲(chǔ)器（若顯示更大的圖像，可采用外部ROM取代FPGA內(nèi)部的ROM）和顯示器3部分組成。VGA控制器調(diào)用存儲(chǔ)器里儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)并對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時(shí)序信號(hào)傳送給顯示器，顯示器按照接收到的信號(hào)進(jìn)行顯示[2]。

    對(duì)應(yīng)640×480×60 Hz的模式，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的時(shí)鐘頻率為25.175 MHz，行周期Tg為800個(gè)時(shí)鐘，場(chǎng)周期Tg為525個(gè)行周期。由于無(wú)法得到25.175 MHz的時(shí)鐘頻率，因此在設(shè)計(jì)中采用將全局時(shí)鐘50 MHz二分頻得到的25 MHz的頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)行計(jì)數(shù)器。
    當(dāng)VS=0、HS=0時(shí)，CRT顯示的內(nèi)容為亮的過(guò)程。當(dāng)一行掃描完畢，行同步HS=1。期間，CRT掃描產(chǎn)生消隱，電子束回到CRT左邊下一行的起始位置（X=0，Y=1）；當(dāng)掃描完480行后，CRT的場(chǎng)同步VS=1，產(chǎn)生場(chǎng)同步使掃描線回到CRT的第一行第一列（X=0，Y=0）處（約為兩個(gè)行周期）。此程也稱(chēng)光柵掃描[3]，如圖3所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    整個(gè)系統(tǒng)以Nexys2 FPGA開(kāi)發(fā)板為核心，通過(guò)對(duì)其編程可輸出紅、綠、藍(lán)三基色信號(hào)和HS、VS行、場(chǎng)掃描同步時(shí)序信號(hào)。當(dāng)FPGA接收到輸出控制信號(hào)后，內(nèi)部的數(shù)據(jù)選擇器模塊根據(jù)控制信號(hào)選擇相應(yīng)的圖形生成模塊，輸出圖形信號(hào)與行、場(chǎng)掃描時(shí)序信號(hào)一起通過(guò)VGA接口電路傳送至顯示器，在VGA顯示器上便可看到相應(yīng)的彩色圖像[4]。系統(tǒng)采用Nexys2開(kāi)發(fā)板上提供的50 MHz時(shí)鐘作為全局參考時(shí)鐘，由一片晶振提供時(shí)鐘源。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言VHDL對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，產(chǎn)生各模塊所需時(shí)鐘頻率。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言VHDL對(duì)Nexys2開(kāi)發(fā)板上的按鍵進(jìn)行規(guī)定，使得開(kāi)發(fā)板工作時(shí)可以通過(guò)按鍵切換VGA顯示的圖形。系統(tǒng)模塊如圖4所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    本設(shè)計(jì)采用了8 bit數(shù)字信號(hào)線，可產(chǎn)生256種不同的顏色。本彩色條紋模式顯示控制器可通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)橫彩條、豎彩條、棋盤(pán)格等圖案的顯示。橫彩條可根據(jù)場(chǎng)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，在480個(gè)有效數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，每60個(gè)產(chǎn)生一個(gè)彩條，即對(duì)其進(jìn)行8等分；豎彩條則根據(jù)行計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，在640個(gè)有效數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，每80個(gè)產(chǎn)生一個(gè)彩條，也是8等分；棋盤(pán)格可由橫彩條數(shù)據(jù)和豎彩條數(shù)據(jù)“異或”或“同或”而得到。同時(shí)，可通過(guò)按鍵來(lái)控制VGA不同圖案的輸出。
4.1 坐標(biāo)定位
    設(shè)定要全屏顯示圖形，如圖2所示，行、場(chǎng)時(shí)序的Td部分是屏幕所顯示部分，即屏幕從坐標(biāo)第45行、第152個(gè)像素（左上角）開(kāi)始顯示。若顯示橫彩條，則從第45行開(kāi)始，每過(guò)60行給輸出rgbout賦一個(gè)顏色值，直到第525行；豎彩條即從第152個(gè)像素開(kāi)始，每過(guò)80個(gè)像素給輸出rgbout賦予一個(gè)顏色值，直到第792個(gè)像素。
4.2 VGA控制程序設(shè)計(jì)
4.2.1 VGA控制器程序信號(hào)定義
    entity vga is
    Port（clk：in std_logic；//全局時(shí)鐘
     keya：in STD_LOGIC；//控制按鍵
      syncV：inout std_logic；//場(chǎng)同步信號(hào)
     syncH：inout std_logic；//行同步型號(hào)
      rgbout：out std_logic_vector（7 downto 0））；
//8 bit輸出顏色信號(hào)
end vga；
4.2.2 產(chǎn)生彩條圖形的部分VHDL描述
process（clkdiv）//clkdiv為分頻后的時(shí)鐘信號(hào)
 begin    
      if（clkdiv=′1′ and clkdiv′Event）then
        if（HS>=152）and（HS<232）and（VS>=45）and（VS<525）then//橫彩條
          rgbx<="01010101"；
        elsif（HS>=232）and（HS<312）and（VS>=45）and（VS<525）then
          rgbx<="01110101"；
        ……
        elsif（HS>=712）and（HS<792）and（VS>=45）and（VS<525）then
           rgbx<="00010111"；
        else
           rgbx<="00000000"；
        end if；
  end if；
end process；
4.2.3 控制按鍵的VHDL描述
    process（keya）
      begin
        if（keya=′1′and keya′Event）then
      mmd<=mmd+1；//定義的2位邏輯信號(hào)
    end if；
  end process；
process（mmd）
    begin
          case mmd is
       when"00"=>rgbout<=rgbx；
//當(dāng)無(wú)按鍵操作時(shí)，VGA顯示屏顯示橫彩條
       when"01"=>rgbout<=rgby；
//第一次按鍵時(shí)，VGA顯示屏顯示豎彩條
       when"10"=>rgbout<=rgbx xor rgby；
//第二次按鍵時(shí)，VGA顯示第一種棋盤(pán)圖形
       when"11"=>rgbout<=rgbx xnor rgby；
//第二次按鍵時(shí)，VGA顯示第二種棋盤(pán)圖形
          when others=>null；
      end case；
end process；
4.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與結(jié)論
    在Xilinx ISE 13.3中創(chuàng)建項(xiàng)目后，輸入系統(tǒng)的VHDL程序代碼進(jìn)行管腳約束，然后進(jìn)行邏輯綜合、布局布線、時(shí)序分析后生成.bit編程文件，再將編程文件下載到Nexys2 FPGA中，并通過(guò)VGA接口與顯示器相連。系統(tǒng)中的keya可約束為Nexys2開(kāi)發(fā)板中任一按鍵，作為顯示圖形的切換按鍵。通過(guò)按keya鍵，系統(tǒng)的顯示效果如圖5所示。

    本文設(shè)計(jì)的VGA圖形顯示控制器是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的，采用VHDL語(yǔ)言在Xilinx 13.3軟件環(huán)境下完成軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，最終在硬件平臺(tái)Nexys2上實(shí)現(xiàn)了圖形的顯示。與傳統(tǒng)的VGA控制器相比，本設(shè)計(jì)具有以下有點(diǎn)：（1）采用硬件描述語(yǔ)言VHDL進(jìn)行開(kāi)發(fā)，軟件程序簡(jiǎn)單且執(zhí)行效率高，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加快捷方便；（2）脫離了PC控制，減少了控制器的體積，從而擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，對(duì)于各種嵌入式便攜系統(tǒng)具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義及工程實(shí)用價(jià)值。
    本設(shè)計(jì)只做了彩條及棋盤(pán)格圖形的顯示，如果要做字符顯示或真彩圖像顯示，則需將像素點(diǎn)數(shù)據(jù)保存到FPGA內(nèi)部的EAB RAM、外部ROM或RAM中。在接下來(lái)的設(shè)計(jì)中，將會(huì)在此方向上進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和完善。
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