基于FPGA的VGA协议实现----条纹-文字-图片
引言：
随着数字电子技术的飞速发展，现场可编程门阵列（FPGA）因其高度的灵活性和并行处理能力，在数字系统设计中扮演着越来越重要的角色。FPGA能够实现复杂的数字逻辑，并且可以快速地进行原型开发和测试，这使得它成为教育和工业应用中的理想选择。
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VGA（Video Graphics Array）是一种视频传输标准，广泛应用于个人计算机显示器、电视和视频投影仪等设备中。VGA协议的实现涉及到同步信号的生成、时序控制以及像素数据的传输，是数字视频处理领域的基础技术之一。
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本实验旨在探索如何利用FPGA实现VGA协议，并在VGA显示器上展示动态内容。通过本实验，参与者将学习到FPGA编程基础、VGA接口原理以及如何设计和实现数字视频信号的生成。实验内容涵盖了从简单的条纹图案显示到复杂的文字和图片显示，逐步引导学习者深入理解数字视频信号的生成和处理过程。
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希望你在本次学习过后，能够有一定的收获！！！
冲啊！！！！ ٩(͡๏̯͡๏)۶ ٩(͡๏̯͡๏)۶ ٩(͡๏̯͡๏)۶
文章目录
- 基于FPGA的VGA协议实现----条纹-文字-图片
- 一、任务介绍
- 二、VGA分析
- 1.VGA原理分析
- 2.VGA接口分析
- 3.VGA时序标准介绍
- 4.VGA 显示模式及相关参数
- 三、实验过程
- 1.添加PLL
- 2.字模提取
- 3.图片转化
- 4.添加ROM
- 5.引脚配置图
- 四、相关代码
- top.v
- key_debounce.v
- data_drive.v
- vga_driver.v
- 五、效果展示
- 按键实现-动态条纹-文字-图片
- 六、总结
一、任务介绍
- 深入了解VGA协议
- 理解不同显示模式下的VGA控制时序参数
- 完成在VGA上显示对应的条纹-文字-图片
二、VGA分析
1.VGA原理分析
VGA 显示器显示图像，并不是直接让图像在显示器上显示出来，而是采用扫描的方式，将构成图像的像素点，在行同步信号和场同步信号的同步下，按照从上到下、由左到右的顺序扫描到显示屏上。VGA 显示器扫描方式，具体见图 1 。
图 1 VGA显示器扫描方式
结合 VGA 显示器扫描方式示意图，我们简要说明一下 VGA 显示器的扫描规律。
(1) 在行、场同步信号的同步作用下，扫描坐标定位到左上角第一个像素点坐标；
(2) 自左上角 ( 第一行 ) 第一个像素点坐标，逐个像素点向右扫描 ( 图中第一个水平方向箭头) ；
(3) 扫描到第一行最后一个数据，一行图像扫描完成，进行图像消隐，扫描坐标自第一行行尾转移到第二行行首( 图中第一条虚线 ) ；
(4) 重复若干次扫描至最后一行行尾，一帧图像扫描完成，进行图像消隐，扫描坐标跳转回到左上角第一行行首( 图中对角线箭头 ) ，开始下一帧图像的扫描。
在扫描的过程中会对每一个像素点进行单独赋值，使每个像素点显示对应色彩信息，当一帧图像扫描结束后，开始下一帧图像的扫描，循环往复，当扫描速度足够快，加之人眼的视觉暂留特性，我们会看到一幅完整的图片，而不是一个个闪烁的像素点。这就是VGA 显示的原理。
2.VGA接口分析
VGA（Video Graphics Array），是模拟信号，只能传输视频信号。接口共有15针，分成3排，每排5个孔，是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接口定义
15个针脚的名称和描述如下：
其对应的接口定义如下：
3.VGA时序标准介绍
为了适应匹配不同厂家的 VGA 显示器， VGA 视频传输接口有自己的一套 VGA 时序标准，只有遵循 VGA 的时序标准，才能正确的进行图像信息的显示。在这里我们以 VESA VGA 时序标准为例，为大家讲解一下 VGA 时序标准，具体见图 2 。
图 2 VESA VGA时序标准图
由 VESA VGA 时序标准图可知， VGA 时序由两部分构成，行同步时序与场同步时序，为了方便大家理解，我们将行同步时序与场同步时序分开讲解。
(1) 行同步时序，具体见图 3 。
图 3 行同步时序图
图中 Video 代表传输的图像信息， HSync 表示行同步信号。 HSync 自上升沿起到下一个上升沿止为一个完整周期，我们称之为行扫描周期。
一个完整的行扫描周期，包含 6 部分： Sync （同步）、 Back Porch （后沿）、 Left Border（左边框）、 “Addressable” Video （有效图像）、 Right Border （右边框）、 Front Porch（前沿），这 6 部分的基本单位是 pixel （像素），即一个像素时钟周期。在一个完整的行扫描周期中，Video 图像信息在 HSync 行同步信号的同步下完成一行图像的扫描显示，Video 图像信息只有在 “Addressable” Video （有效图像）阶段，图像信息有效，其他阶段图像信息无效。
HSync 行同步信号在 Sync （同步）阶段，维持高电平，其他阶段均保持低电平，在下一个行扫描周期的 Sync （同步）阶段， HSync 行扫描信号会再次拉高，其他阶段拉低，周而复始。
(2) 场同步时序，具体见图 4 。
图 4 场同步时序图
理解了行同步时序，场同步时序就更容易理解了，两者相类似，如图 28-8 所示，图中Video 代表传输的图像信息， VSync 表示场同步信号， VSync 自上升沿起到下一个上升沿止为一个完整周期，我们称之为场扫描周期。
一个完整的场扫描周期，也包含 6 部分： Sync （同步）、 Back Porch （后沿）、 Top Border（上边框）、 “Addressable” Video （有效图像）、 Bottom Border （底边框）、 Front Porch（前沿），与行同步信号不同的是，这 6 部分的基本单位是 line （行），即一个完整的行扫描周期。
在一个完整的场扫描周期中，Video 图像信息在 HSync （行同步信号）和 VSync （场同步信号）的共同作用下完成一帧图像的显示，Video 图像信息只有在 “Addressable” Video（有效图像）阶段，图像信息有效，其他阶段图像信息无效。VSync 行同步信号在 Sync （同步）阶段，维持高电平，其他阶段均保持低电平，完成一个场扫描周期后，进入下一帧图像的扫描。
综上所述，将行同步时序图与场同步时序图结合起来就构成了 VGA 时序图，具体见图 5。
图 5 VGA时序图
图中的红色区域表示在一个完整的行扫描周期中，Video 图像信息只在此区域有效，黄色区域表示在一个完整的场扫描周期中，Video 图像信息只在此区域有效，两者相交的橙色区域，就是 VGA 图像的最终显示区域。以上就是对 VGA 时序的讲解，请大家理解掌握。
4.VGA 显示模式及相关参数
行同步时序可分为 6 个阶段，对于这 6 个阶段的参数是有严格定义的，参数配置不正确，VGA 不能正常显示。 VGA 显示器可支持多种分辨率，不同分辨率对应个阶段的参数是不同的，常用 VGA 分辨率时序参数，具体见图 6 。
图 6 VGA不同分辨率参数
下面我们以经典 VGA 显示模式 640x480@60 为例，为读者讲解一下 VGA 显示的相关参数。
(1) 显示模式： 640x480@60
640x480 是指 VGA 的分辨率， 640 是指有效显示图像每一行有 640 个像素点， 480 是
指每一帧图像有 480 行， 640 * 480 = 307200 ≈ 300000 ，每一帧图片包含约 30 万个像素点，之前某品牌手机广告上所说的 30 万像素指的就是这个； @60 是指 VGA 显示图像的刷新频率，60 就是指 VGA 显示器每秒刷新图像 60 次，即每秒钟需要显示 60 帧图像。
(2) 时钟 (MHz) ： 25.175MHz
这是 VGA 显示的工作时钟，像素点扫描频率。
(3) 行同步信号时序 ( 像素 ) 、场同步信号时序 ( 行数 )
行同步信号时序分为 6 段， Sync （同步）、 Back Porch （后沿）、 Left Border （左边
框）、 “Addressable” Video （有效图像）、 Right Border （右边框）、 Front Porch （前沿），这 6 段构成一个行扫描周期，单位为像素时钟周期。
同步阶段，参数为 96，指在行时序的同步阶段，行同步信号需要保持 96 个像素时钟周期的高电平， 其他几个阶段与此相似。
场同步信号时序与其类似，只是单位不再是像素时钟周期，而是一个完整的行扫描周
期，在此不再赘述。
在这里，我们看回图 6，由图可知，即使 VGA 显示分辨率相同，但刷新频率不同的话，相关参数也存在差异，如 640x480@60 、 640x480@75 ，这两个显示模式虽然具有相同的分辨率，但是 640x480@75 的刷新频率更快，所以像素时钟更快，时序参数也有区别。
下面我们以显示模式 640x480@60 、 640x480@75 为例，学习一下时钟频率的计算方法。
行扫描周期 * 场扫描周期 * 刷新频率 = 时钟频率
640x480@60：
行扫描周期：800( 像素 ) ，场扫描周期： 525( 行扫描周期 ) 刷新频率： 60Hz
800 * 525 * 60 = 25,200,000 ≈ 25.175MHz （误差忽略不计）
640x480@75：
行扫描周期：840( 像素 ) 场扫描周期： 500( 行扫描周期 ) 刷新频率： 75Hz
840 * 500 * 75 = 31,500,000 = 31.5MHz
在计算时钟频率时，大家要谨记一点，要使用行扫描周期和场扫描周期的参数进行计算，不能使用有效图像的参数进行计算，虽然在有效图像外的其他阶段图像信息均无效，但图像无效阶段的扫描也花费了扫描时间。
以上就是对 VGA 显示标准中分辨率相关参数的讲解，在编写 VGA 驱动时，我们要根据 VGA 显示模式的不同调整相关参数，只有这样 VGA 图像才能正常显示。
三、实验过程
1.添加PLL
IP核里面找到ALTPLL
基础时钟选择50M
取消勾选输出使能
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
勾选如下选项后finish
2.字模提取
在子模提取工具里面输入需要显示的字符并设置字符大小为 32 * 32，点阵大小为 32 * 32
然后点击文件-另存为，把图片保存为BMP图片
再点击文件-打开，把保存的BMP图片打开得到整体的字符
再点击选项按如下参数设置
最后点击生成字符并保存字符为文本文件
最后得到字符如下
把得到的字符在verilog里面使用即可
注意：char_line[0]这一行全赋值为0，也就是说增加了第一行0，其余不变
3.图片转化
原图：
使用工具BMP2MifV1.0把图片转为HEX文件
在转换图片之前需要先修改图片的格式，使用电脑自带的画图软件打开此图片
点击文件-另存为
注意：保存类型一定要选择为24位位图(.bmp;.dib)，否则加载不成功
然后开始转换
选择输出图像格式RGB565 文件类型Hex
转换完成得到.hex，内容如图
4.添加ROM
由于图片数据太多需要使用ROM来存储数据
设置位宽度为16位，大小为图片大小400×400 = 160000
取消勾选下列选项
找到刚才生成的.hex文件
勾选以下选项后直接finsh即可
数据的读取和使用参考后面的代码部分
5.引脚配置图
四、相关代码
top.v
module top(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire [ 2:0 ] key,
output wire vga_clk,
output wire h_sync,
output wire v_sync,
output wire [ 7:0 ] rgb_r,
output wire [ 7:0 ] rgb_g,
output wire [ 7:0 ] rgb_b,
output reg [ 3:0 ] led);
reg [ 27:0 ] cnt ;
wire [ 11:0 ] addr_h ;
wire [ 11:0 ] addr_v ;
wire [ 23:0 ] rgb_data ;
wire [ 2:0 ] key_flag ;
wire [ 2:0 ] key_value ;
//vga模块
vga_dirve u_vga_dirve(
.clk ( clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.rgb_data ( rgb_data ),
.vga_clk ( vga_clk ),
.h_sync ( h_sync ),
.v_sync ( v_sync ),
.rgb_r ( rgb_r ),
.rgb_g ( rgb_g ),
.rgb_b ( rgb_b ),
.addr_h ( addr_h ),
.addr_v ( addr_v )
);
//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 ),
.key ( {key_value[ 2 ] && key_flag[ 2 ], key_value[ 1 ] && key_flag[ 1 ], key_value[ 0 ] && key_flag[ 0 ] } ),
.rgb_data ( rgb_data )
);
//按键消抖
key_debounce u_key_debounce0(
.clk ( vga_clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.key ( key[ 0 ] ),
.flag ( key_flag[ 0 ] ),
.key_value ( key_value[ 0 ] )
);
key_debounce u_key_debounce1(
.clk ( vga_clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.key ( key[ 1 ] ),
.flag ( key_flag[ 1 ] ),
.key_value ( key_value[ 1 ] )
);
key_debounce u_key_debounce2(
.clk ( vga_clk ),
.rst_n ( rst_n ),
.key ( key[ 2 ] ),
.flag ( key_flag[ 2 ] ),
.key_value ( key_value[ 2 ] )
);
// led
always @( posedge clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
cnt <= 0;
end
else if ( cnt == 50_000_000 - 1 ) begin
cnt <= 0;
end
else begin
cnt <= cnt + 1;
end
end
always @( posedge clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
led <= 4'b0000;
end
else if ( cnt == 50_000_000 -1 )begin
led <= ~led;
end
else begin
led <= led;
end
end
endmodule // vga_top
key_debounce.v
module key_debounce(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire key,
output reg flag,// 0抖动, 1抖动结束
output reg key_value//key抖动结束后的值
);
parameter MAX_NUM = 20'd1_000_000;
reg [19:0] delay_cnt;//1_000_000
reg key_reg;//key上一次的值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
key_reg <= 1;
delay_cnt <= 0;
end
else begin
key_reg <= key;
//当key为1 key 为0 表示按下抖动,开始计时
if(key_reg != key ) begin
delay_cnt <= MAX_NUM ;
end
else begin
if(delay_cnt > 0)
delay_cnt <= delay_cnt -1;
else
delay_cnt <= 0;
end
end
end
//当计时完成,获取key的值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
flag <= 0;
key_value <= 1;
end
else begin
// 计时完成 处于稳定状态,进行赋值
if(delay_cnt == 1) begin
flag <= 1;
key_value <= key;
end
else begin
flag <= 0;
key_value <= key_value;
end
end
end
endmodule
data_drive.v
module data_drive (input wire vga_clk,
input wire rst_n,
input wire [ 11:0 ] addr_h,
input wire [ 11:0 ] addr_v,
input wire [ 2:0 ] key,
output reg [ 23:0 ] rgb_data);
localparam orange = 24'd16750899; // 11111100_11111111_00001000
localparam yellow = 24'd16776960; // 11111111_11111111_10000000
localparam green = 24'd65280; // 00111111_11111111_00000000
localparam blue = 24'd255; // 00000001_11111111_00000000
localparam indigo = 24'd10027161; // 01111100_10000000_00000000
localparam purple = 24'd16738047; // 00001111_11111111_00000000
localparam white = 24'd16777215; // 11111111_11111111_11111111
localparam black = 24'd0; // 00000000_00000000_00000000
localparam red = 24'd16711936; // 11111111_11111111_11110000
// 分辨率为 640*480 时行时序各个参数定义
parameter C_H_SYNC_PULSE = 96 ,
C_H_BACK_PORCH = 48 ,
C_H_ACTIVE_TIME = 640 ,
C_H_FRONT_PORCH = 16 ,
C_H_LINE_PERIOD = 800 ;
// 分辨率为 640*480 时场时序各个参数定义
parameter C_V_SYNC_PULSE = 2 ,
C_V_BACK_PORCH = 33 ,
C_V_ACTIVE_TIME = 480 ,
C_V_FRONT_PORCH = 10 ,
C_V_FRAME_PERIOD = 525 ;
//
reg [11:0] x;
reg [11:0] y;
reg turn_flag_x;
reg turn_flag_y;
//方块的长和宽
parameter LENGTH1 = 200;
parameter WIDTH1 = 200;
reg frame_flag; //帧结束标志
//帧结束标志
always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
frame_flag <= 1'b0;
end
else if ((addr_h == 23) && (addr_v == 23)) begin
frame_flag <= 1'b1;
end
else begin
frame_flag <= 1'b0;
end
end
//变量y
always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
y <= 'd0;
end
else if ((turn_flag_y == 1'b0 && frame_flag == 1'b1 && (y == 480 - WIDTH1 - 1)) || (turn_flag_y == 1'b1 && frame_flag == 1'b1 && (y == 'd0)))begin
y <= y;
end
else if (turn_flag_y == 1'b0 && frame_flag == 1'b1) begin
y <= y + 1'b1;
end
else if (turn_flag_y == 1'b1 && frame_flag == 1'b1) begin
y <= y - 1'b1;
end
end
//位置变量y翻转标志
always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
turn_flag_y <= 1'b0;
end
else if ((y == 480 - WIDTH1 - 1) && frame_flag == 1'b1 && turn_flag_y == 1'b0) begin
turn_flag_y <= 1'b1;
end
else if (y == 'd0 && frame_flag == 1'b1 && turn_flag_y == 1'b1) begin
turn_flag_y <= 1'b0;
end
end
//变量x
always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
x <= 'd0;
end
else if((turn_flag_x == 1'b0 && frame_flag == 1'b1 && x == (640 - LENGTH1 - 1'b1)) || (turn_flag_x == 1'b1 && frame_flag == 1'b1 && x == 'd0)) begin
x <= x;
end
else if (turn_flag_x == 1'b0 && frame_flag == 1'b1) begin
x <= x + 1'b1;
end
else if (turn_flag_x == 1'b1 && frame_flag == 1'b1) begin
x <= x - 1'b1;
end
end
//位置变量x翻转标志
always @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
turn_flag_x <= 1'b0;
end
else if (turn_flag_x == 1'b0 && frame_flag == 1'b1 && x == 640 - LENGTH1 - 1'b1) begin
turn_flag_x <= 1'b1;
end
else if (turn_flag_x == 1'b1 && frame_flag == 1'b1 && x == 'd0) begin
turn_flag_x <= 1'b0;
end
end
//
reg [ 447:0 ] char_line[ 64:0 ];
localparam states_1 = 1; // 彩条
localparam states_2 = 2; // 字符
localparam states_3 = 3; // 图片
parameter height = 400; // 图片高度
parameter width = 400; // 图片宽度
reg [ 1:0 ] states_current ; // 当前状态
reg [ 1:0 ] states_next ; // 下个状态
reg [ 17:0 ] rom_address ; // ROM地址
wire [ 23:0 ] rom_data ; // 图片数据
wire flag_enable_out1 ; // 文字有效区域
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
//状态转移
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
states_current <= states_1;
end
else begin
states_current <= states_next;
end
end
//状态判断
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
states_next <= states_1;
end
else if ( key[ 0 ] ) begin
states_next <= states_1;
end
else if ( key[ 1 ] ) begin
states_next <= states_2;
end
else if ( key[ 2 ] ) begin
states_next <= states_3;
end
else begin
states_next <= states_next;
end
end
//状态输出
always @( * ) begin
case ( states_current )
states_1 : begin
if ( addr_h == 0 ) begin
rgb_data = black;
end
else if(addr_h >= x && addr_h < x + LENGTH1 && addr_v >= y && addr_v < y + WIDTH1)
rgb_data = white;
else if ( addr_h >0 && addr_h <81 ) begin
rgb_data = red;
end
else if ( addr_h >80 && addr_h <161 ) begin
rgb_data = orange;
end
else if ( addr_h >160 && addr_h <241 ) begin
rgb_data = yellow;
end
else if ( addr_h >240 && addr_h <321 ) begin
rgb_data = green;
end
else if ( addr_h >320 && addr_h <401 ) begin
rgb_data = blue;
end
else if ( addr_h >400 && addr_h <481 ) begin
rgb_data = indigo;
end
else if ( addr_h >480 && addr_h <561 ) begin
rgb_data = purple;
end
else if ( addr_h >560 && addr_h <641 ) begin
rgb_data = white;
end
else begin
rgb_data = black;
end
end
states_2 : begin
if ( flag_enable_out1 ) begin
rgb_data = char_line[ addr_v-208 ][ 532 - addr_h ]? white:black;
end
else begin
rgb_data = black;
end
end
states_3 : begin
if ( flag_enable_out2 ) begin
rgb_data = rom_data;
end
else begin
rgb_data = black;
end
end
default: begin
case ( addr_h )
0 : rgb_data = black;
1 : rgb_data = red;
81 : rgb_data = orange;
161: rgb_data = yellow;
241: rgb_data = green;
321: rgb_data = blue;
401: rgb_data = indigo;
481: rgb_data = purple;
561: rgb_data = white;
default: rgb_data = rgb_data;
endcase
end
endcase
end
assign flag_enable_out1 = states_current == states_2 && addr_h > 80 && addr_h < 80+448+1 && addr_v > 208 && addr_v < 273 ;
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 = states_current == states_3 && flag_begin_h && flag_begin_v;
//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 || key[ 2 ] ) 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;
//初始化显示文字
always@( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
if ( !rst_n ) begin
char_line[0] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[1] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[2] = 448'h0000000000010000000000000000000000000000004000000000000000002000000000000001020000000100000000000000000000000000;
char_line[3] = 448'h0000018000038000000000200000002000000000007060000000000000001800000000000001C38000018180000000000000000000000000;
char_line[4] = 448'h00000FC00007C0001FFFFFF01FFFFFF0000000000060E0000000004000001800000000000001830000038300000000000000000000000000;
char_line[5] = 448'h0103FE00000C300000000300000003000000000000E0C0000FFFFFE000201830000000002041831800030300000000000000000000000000;
char_line[6] = 448'h01FC000000300E0000008300000083000000000000C0C00000018000013FFFF8000000001FFFFFFC00820300000000000000000000000000;
char_line[7] = 448'h0180000000E013F800FFC30000FFC3000000000000C18000000180003FB101000000000010C183001FE60200000000000000000000000000;
char_line[8] = 448'h0180C000033FF8F800C0C30000C0C3000000000001818018000180003130C1C00000000010C1830010C40608000000000000000000000000;
char_line[9] = 448'h0100E0001C01800000C0830000C08300000000000103FFFC00018000313081800000000010C1830010C437FC000000000000000000000000;
char_line[10] = 448'h0300C0000001820000C0830000C08300000000000303001800018000313081800000000010C1000010C86418000000000000000000000000;
char_line[11] = 448'h0300C00001FFFF0000C0830000C08300000000000386103000018000313081800000000010C0000010C86418000000000000000000000000;
char_line[12] = 448'h0300C00000218C0000FF830000FF83000000000007840C20000180003130A1900000000010C2010010D0C818000000000000000000000000;
char_line[13] = 448'h0300C0000031883000C0830000C08300000000000D8C084000018000313FFFF80000000010C201C010FF881801C0000001C0000001C00000;
char_line[14] = 448'h0300C0301FFFFFF80100031801000318000000000988080000018018313181800000000010C1038010D1901803F8000003F8000003F80000;
char_line[15] = 448'h07FFFFF800C004003FFFFFFC3FFFFFFC00000000119008007FFFFFFC313181C00000000010C1030010C11418040700180407001804070018;
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char_line[18] = 448'h0000C000060E318000008100000081000000000001830840000180003133B3C00000000010C0860010C40318200007C0200007C0200007C0;
char_line[19] = 448'h0030C4000C06C07801FFC10001FFC1000000000001830820000180003F2297A0000000001FC0C60010CC6198000000000000000000000000;
char_line[20] = 448'h0038C200181300980180C1000180C100000000000186083000018000312685A00700000010C04C001FDF8198000000000000000000000000;
char_line[21] = 448'h0060C18067FC7FC0018081000180810000000000018608180001800030E48DB00F80000010C06C0010CC0118000000000000000000000000;
char_line[22] = 448'h00C0C0C000C80600018081000180810000000000018C081C00018000306C89900F8000001000380010800018000000000000000000000000;
char_line[23] = 448'h0180C0E00FFC06200180810001808100000000000188080C0001800000489198078000001000300010001018000000000000000000000000;
char_line[24] = 448'h0300C07000C9FFF001FF810001FF8100000000000190080C000180000050918C01800000200038001000E018000000000000000000000000;
char_line[25] = 448'h0600C03000CC86400180810001808100000000000190080C0001800000A0A188030000000000EE00000F0018000000000000000000000000;
char_line[26] = 448'h0C00C0300CD8466001808100018081000000000001A008000001800000A081800200000000018700003C0010000000000000000000000000;
char_line[27] = 448'h1010C03006D066C000000100000001000000000001800800000180000100818004000000000301E0001003F0000000000000000000000000;
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char_line[29] = 448'h0003C0003F07FFFC000007000000070000000000018038000001800002008180000000000070003000000060000000000000000000000000;
char_line[30] = 448'h0001000010000000000002000000020000000000010010000001000004010100000000000180000000000000000000000000000000000000;
char_line[31] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[32] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[33] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[34] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[35] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[36] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[37] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[38] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[39] = 448'h03F007C007E0008003C007E0008007C003C0008003C000600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[40] = 448'h0F38186008380180062008380180186006200180062000600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[41] = 448'h1E3C303010181F800C3010181F8030300C301F800C3000E00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[42] = 448'h1C3C3018200C01801818200C0180301818180180181800E00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[43] = 448'h38183018200C01801818200C0180301818180180181801600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[44] = 448'h38003018300C01801808300C0180301818080180180801600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[45] = 448'h78000018300C0180300C300C01800018300C0180300C02600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[46] = 448'h78000018000C0180300C000C01800018300C0180300C04600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[47] = 448'h7FF0003000180180300C001801800030300C0180300C04600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[48] = 448'h7FF8006000180180300C001801800060300C0180300C08600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[49] = 448'h7C3C03C000300180300C0030018003C0300C0180300C08600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[50] = 448'h781E007000600180300C006001800070300C0180300C10600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[51] = 448'h781E001800C00180300C00C001800018300C0180300C30600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[52] = 448'h781E000801800180300C018001800008300C0180300C20600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[53] = 448'h781E000C03000180300C03000180000C300C0180300C40600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[54] = 448'h781E000C02000180300C02000180000C300C0180300C7FFC0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[55] = 448'h781E300C04040180180804040180300C18080180180800600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[56] = 448'h381E300C08040180181808040180300C18180180181800600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[57] = 448'h3C1C300810040180181810040180300818180180181800600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[58] = 448'h1C1C3018200C01800C30200C018030180C3001800C3000600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[59] = 448'h1F7818303FF803C006203FF803C01830062003C0062000600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[60] = 448'h07F007C03FF81FF803C03FF81FF807C003C01FF803C003FC0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[61] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[62] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[63] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[64] = 448'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
end
end
//实例化ROM
ROM1 ROM1_inst (
.address ( rom_address ),
.clock ( vga_clk ),
.q ( rom_data )
);
endmodule // data_drive
vga_driver.v
module vga_dirve (input wire clk, //系统时钟
input wire rst_n, //复位
input wire [ 23:0 ] 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 [ 7:0 ] rgb_r, //红基色
output wire [ 7:0 ] rgb_g, //绿基色
output wire [ 7:0 ] 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
// 800 * 600 72HZ
// localparam H_FRONT = 40; // 行同步前沿信号周期长
// localparam H_SYNC = 120; // 行同步信号周期长
// localparam H_BLACK = 88; // 行同步后沿信号周期长
// localparam H_ACT = 800; // 行显示周期长
// localparam V_FRONT = 37; // 场同步前沿信号周期长
// localparam V_SYNC = 6; // 场同步信号周期长
// localparam V_BLACK = 23; // 场同步后沿信号周期长
// localparam V_ACT = 600; // 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 [ 23:0 ] 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 行周期*场周期*刷新率 = 800 * 525* 60
wire clk_25 ;
// 50M时钟 1040 * 666 * 72
wire clk_50 ;
//
pll pll_inst (
.areset ( ~rst_n ),
.inclk0 ( clk ),
.c0 ( clk_50 ), //50M
.c1 ( clk_25 ), //25M
);
//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 <= 24'h0;
end
else if ( valid_area ) begin
rgb <= rgb_data;
end
else begin
rgb <= 24'b0;
end
end
assign rgb_r = rgb[ 23:16 ];
assign rgb_g = rgb[ 15:8 ];
assign rgb_b = rgb[ 7:0 ];
endmodule // vga_dirve
五、效果展示
- 条纹显示现象：
- 初始状态下，VGA显示器上呈现了均匀分布的垂直彩色条纹。
- 方块移动现象：
- 在屏幕上，一个或多个彩色方块在特定路径上进行移动。
- 方块的移动可以是水平的、垂直的，或者是按照特定的轨迹进行。
- 文字显示现象：
- 在屏幕的指定区域，显示了对应的名称-学号。
- 图片显示现象：
- 显示器上展示了一张静态图片。
- 动态效果现象：
- 实验中实现了方块的动态移动效果，方块在屏幕上的移动流畅，过渡自然。
按键实现-动态条纹-文字-图片
实验-按键-图片-名称-动态条纹
六、总结
通过本次基于FPGA的VGA协议实现实验，我们成功地在VGA显示器上展示了条纹、文字和图片，并且实现了方块的动态移动效果。以下是实验的详细总结：
技术掌握与应用
- VGA协议理解：实验加深了对VGA显示原理的理解，包括同步信号的生成、时序控制和像素数据的传输。
- FPGA编程实践：通过编写Verilog代码，实践了FPGA编程技巧，加深了对数字逻辑设计的认识。
- 时序控制：掌握了如何在FPGA中实现精确的时序控制，以满足VGA显示标准。
实验成果
- 条纹显示：成功实现了在VGA显示器上显示不同颜色的垂直条纹，验证了FPGA生成基本图形的能力。
- 方块移动：实现了方块在屏幕上的水平和垂直移动，展示了FPGA处理动态图形的能力。
- 文字显示：在屏幕上准确显示了预定义的文字信息，证明了FPGA在字符映射方面的应用。
- 图片展示：成功映射并显示了静态图片，展示了FPGA在处理较高层次图像数据方面的能力。
问题解决
- 调试技巧：在实验过程中，遇到了一些技术难题，如信号同步问题、时序配置错误等，通过逐步调试和参数调整，成功解决了这些问题。
- 代码优化：为了提高显示性能和降低资源消耗，对代码进行了优化，学习了如何编写高效且简洁的Verilog代码。
创新与扩展
- 功能扩展：在实验要求的基础上，尝试了更多功能，如不同形状和颜色的图形显示。
- 性能提升：通过调整时钟频率和优化时序参数，提高了系统的显示性能。
实验心得
- 学习曲线：实验初期遇到了一些困难，但随着实验的深入，逐渐掌握了关键技术点，体验了学习的乐趣。
- 团队合作：在实验过程中，与同伴进行了有效的沟通和协作，共同解决了遇到的问题。
- 知识应用：将课堂上学到的理论知识应用到实际中，加深了对数字电路设计的理解。
总体来说，本次实验不仅加深了对FPGA和VGA显示技术的理解，而且提高了解决实际问题的能力，为未来的学习和工作打下了坚实的基础。希望在未来的学习中能够继续探索和创新，不断提升自己的技术水平。
最后感谢大佬友情链接：
- FPGA VGA显示协议-腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)
- 【接口时序】7、VGA接口原理与Verilog实现 - jgliu - 博客园 (cnblogs.com)
- 基于FPGA的VGA显示彩条、字符、图片_基于fpga的vga显示设计-CSDN博客
- 【FPGA入门】第八篇、FPGA驱动VGA实现动态图像移动_基于fpga调整vga显示屏的图像位置-CSDN博客
- VGA显示原理、时序标准及相关参数_vga时序参数-CSDN博客
