【FPGA实验】VGA显示
一. VGA介绍
VGA的全称是Video Graphics Array，即视频图形阵列，是一个使用模拟信号进行视频传
输的标准。早期的CRT显示器由于设计制造上的原因，只能接收模拟信号输入，因此计算机内
部的显卡负责进行数模转换，而VGA接口就是显卡上输出模拟信号的接口。如今液晶显示器虽
然可以直接接收数字信号，但是为了兼容显卡上的VGA接口，也大都支持VGA标准。
VGA接口定义及各引脚功能说明如图 18.1.2所示，我们一般只用到其中的1（RED）、2
（GREEN）、3（BLUE）、13（HSYNC）、14(VSYNC)信号。引脚1、2、3分别输出红、绿、蓝三原
色模拟信号，电压变化范围为 0~0.714V，0V代表无色，0.714V 代表满色；引脚13、14输出TTL
电平标准的行/场同步信号。
程中的同步时序分为行时序和场时序：
不同分辨率的VGA时序参数
时钟频率 = 行帧长 × 列帧长 * 刷新率,640 ×480 60HZ对应时钟频率= 800 ×525 × 60 = 25.2M，因此需要用分频时钟来做或者手动设置二分频。
颜色显示：
FPGA管脚输出的颜色数据位宽为16bit，数据格式为RGB565，即数据 高5位表示红色，中间6位表示绿色，低5位表示蓝色。RGB565格式的数据一共可表示65536种颜 色，此外常用的颜色数据格式还有RGB888，数据位宽越大，可以表示的颜色种类就越丰富。
VGA接口：
引脚分配：
二. VGA显示彩色条纹
分辨率控制部分：
```c
`define vga_640_480
`define vga_1920_1080
`define vga_1024_768
`ifdef vga_640_480
//执行操作A
`define H_Right_Border 8
`define H_Front_Porch 8
`define H_Sync_Time 96
`define H_Back_Porch 40
`define H_Left_Border 8
`define H_Data_Time 640
`define H_Total_Time 800
`define V_Bottom_Border 8
`define V_Front_Porch 2
`define V_Sync_Time 2
`define V_Back_Porch 25
`define V_Top_Border 8
`define V_Data_Time 480
`define V_Total_Time 525
`elsif vga_1920_1080
//执行操作B
`define H_Right_Border 0
`define H_Front_Porch 88
`define H_Sync_Time 44
`define H_Back_Porch 148
`define H_Left_Border 0
`define H_Data_Time 1920
`define H_Total_Time 2200
`define V_Bottom_Border 0
`define V_Front_Porch 4
`define V_Sync_Time 5
`define V_Back_Porch 36
`define V_Top_Border 0
`define V_Data_Time 1080
`define V_Total_Time 1125
`elsif vga_1024_768
`define H_Right_Border 0
`define H_Front_Porch 24
`define H_Sync_Time 136
`define H_Back_Porch 160
`define H_Left_Border 0
`define H_Data_Time 1024
`define H_Total_Time 1344
`define V_Bottom_Border 0
`define V_Front_Porch 3
`define V_Sync_Time 6
`define V_Back_Porch 29
`define V_Top_Border 0
`define V_Data_Time 768
`define V_Total_Time 806
`else
`endif
```c
VAG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
颜色显示：
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
顶层模块：
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
结果显示：
三 字符显示
这里需要显示字符，需要用到汉字点阵工具，在这里我们使用取模软件“PCtoLCD2002”来获
取汉字“正点原子”的字模
姓名：
另存为bmp文件，再点击文件打开bpm文件，进入图像模式
生成字模：
{0020002000202020FC501020105013FE},
{108882221124422412124A207C100BFC},
{11FC1284100412881008E24810882250},
{1C502220E02024504010248800100906}
最终得到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代码部分：
module vga_driver(
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'h0020002000200000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line01=240'h7E20002020200000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line02=240'h0220FC5010200000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line03=240'h0420105013FE000007F00FE000800FE007E01FFC07E007F007E007F000801FFC,
char_line04=240'h0820108882220000081830180780301818183008181808181818081807803008,
char_line05=240'h08A8112442240000100038180180300C381C2010381C1000381C100001802010,
char_line06=240'h0AA412124A200000300000180180700C300C0020300C3000300C300001800020,
char_line07=240'h0CA47C100BFCFFFF37F000600180301C300C0040300C37F0300C37F001800040,
char_line08=240'h392211FC12840000380C01F00180382C300C0080300C380C300C380C01800080,
char_line09=240'hC922100412880000300C001801800FCC300C0180300C300C300C300C01800180,
char_line0a=240'h0A221008E2480000300C000C0180001C300C0300300C300C300C300C01800300,
char_line0b=240'h0820108822500000300C380C01800018381803003818300C3818300C01800300,
char_line0c=240'h08201C502220000018183018018038301C1003801C1018181C10181801800380,
char_line0d=240'h0820E0202450000007E00FE00FF80FC007E0030007E007E007E007E00FF80300,
char_line0e=240'h28A0401024880000000000000000000000000000000000000000000000000000,
char_line0f=240'h1040001009060000000000000000000000000000000000000000000000000000;
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
结果如下:
四. 图片显示
由于一张640×480的24位的图片的大小超过了芯片的内存，无法把图片保存进去，故采用一张128*78的图片进行显示。
原图：
转换得到HEX文件
调用rom核来完成
设置位宽度为16位，大小为图片大小128×78 = 9984
取消勾选：
找到刚才生成的data1.hex文件
result：
`