一、实验环境

硬件环境

FPGA开发板：EP4CE115F29C7
液晶显示器，VGA传输线

软件环境

Quartus Prime 18.1
VS Code
中文点阵生成网站：https://www.zhetao.com/fontarray.html
图片格式bmp转hex软件：BMP2Mif

二、VGA简介

1、什么是VGA

VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，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。不支持热插拔，不支持音频传输。对于一些嵌入式VGA显示系统，可以在不使用VGA显示卡和计算机的情况下，实现VGA图像的显示和控制。VGA显示器具有成本低、结构简单、应用灵活的优点。对于一名FPGA工程师，尤其是视频图像的方向的学习者，VGA协议是必须要掌握的。

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由电路图可以看到，VGA并没有特殊的外部芯片，我们需要关注的其实只有5个信号：HS行同步信号，VS场同步信号，R红基色，G绿基色，B蓝基色。下面慢慢解释这些信号。

2、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。
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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。
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设计RGB信号时，既可以R信号、G信号和B信号独立的赋值，最后连到端口上，也可以直接用RGB当做一个整体信号，RGB信号在使用时的位宽有三种常见格式，以你的VGA解码芯片的配置有关。

1. RGB_8，R：G：B = 3：3：2，即RGB332

2. RGB_16，R：G：B = 5：6：5，即RGB565

3. RGB_24，R：G：B = 8：8：8，即RGB888

3、扫描方式

VGA显示器扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描：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，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。隔行扫描是指电子束扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后在返回来扫描剩下的线，隔行扫描的显示器闪烁的厉害，会让使用者的眼睛疲劳。因此我们一般都采用逐行扫描的方式。
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三、VGA显示字符

这里使用到了汉字点阵，需要取汉字点阵：

https://www.zhetao.com/fontarray.html
输入需要的字符，取得相应的汉字点阵：

用于代码中的点阵程序如图：删去其中的0x 以及逗号保持此格式，粘贴到代码中。
代码如下：

module VGA_View_name(
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 CLK_to_DAC = CLK_25;
    assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反
    
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'h004000400000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line01=240'h784020a00000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line02=240'h484011100000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line03=240'h57fe1208000018003c003c00180018007e001800180018007e003c000400,
    char_line04=240'h508085f60000240042004200240024004200240024002400400042000c00,
    char_line05=240'h612048000000400042004200420042000400420040004200400042000c00,
    char_line06=240'h512047c40000400002004200420042000400420040004200400002001400,
    char_line07=240'h4a20145400005c000400020042004200080042005c004200780004002400,
    char_line08=240'h4bfc14547e00620018000400420042000800420062004200440018002400,
    char_line09=240'h482027d40000420004000800420042001000420042004200020004004400,
    char_line0a=240'h6928e4540000420002001000420042001000420042004200020002007f00,
    char_line0b=240'h512424540000420042002000420042001000420042004200420042000400,
    char_line0c=240'h422227d40000220042004200240024001000240022002400440042000400,
    char_line0d=240'h4422244400001c003c007e0018001800100018001c00180038003c001f00,
    char_line0e=240'h40a025540000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line0f=240'h404004880000000000000000000000000000000000000000000000000000;


    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

除了代码外还需要PLL IP核，详情见下文。

运行结果如图：

四、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_View_color(
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 CLK_to_DAC = CLK_25;
    assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反


    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

除了代码外还需要配置PLL IP核设置时钟，详情见下文。

运行结果如图：

在这里插入图片描述

五、VGA显示彩色图片

1、图片格式hex

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
Alt

2、ROM IP 核配置

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
Alt
Alt
取消勾选q Alt
加载HEX文件 Alt
Alt

3、PLL IP 核配置

分别使用640×480 60HZ和800×600 72HZ,对应时钟分别为25M和50M,需要使用PLL进行分频时钟频率 = 行帧长 × 列帧长 * 刷新率,640 ×480 60HZ对应时钟频率= 800 ×525 × 60 = 25.2M
ip核里面找到ALTPLL
Alt
基础时钟选择50M
Alt
取消勾选输出使能
Alt
c0默认输出50M即可,c1分频到25M,如需其他时钟频率可以自己进行设置
Alt
勾选如下选项后finish
Alt

结果演示图片：（有问题，未解决）
在这里插入图片描述

六、总结

VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，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。不支持热插拔，不支持音频传输。对于一名FPGA工程师，尤其是视频图像的方向的学习者，VGA协议是必须要掌握的。
通过此次VGA协议的学习，了解到了VGA的显示原理和计算机上图像显示原理。使用FPGA实现显示图片在我的理解中，就像是设计了一个图像显示芯片。使用FPGA的目的便是设计后期可修改的专用芯片，希望在后期的学习中能继续加油，FPGA领域博大精深。

七、参考链接

https://www.cnblogs.com/xianyuIC/p/11128817.html
https://blog.csdn.net/qq_45659777/article/details/124834294
https://blog.csdn.net/qq_47281915/article/details/125134764

FPGA使用VGA协议显示图像

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