文章目录
- 一 VGA相关介绍
- 二 结果演示
- 三 思路整理
- 四 代码编写
- 3.1 时钟分频
- 3.2 添加ROM IP
- 3.2 VGA驱动
- 3.3 Data驱动
- 源码
- 参考资料
- 总结
一 VGA相关介绍
以下内容来源百度以及https://blog.csdn.net/Learning1232/article/details/131126352?spm=1001.2014.3001.5502博客，详细内容可参考原文！！！
百度：VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，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显示图像使用扫描的方式，从左上角到右下角逐渐填充，通过这种方式形成一帧完整的图像。当扫描速度足够快，就可以看到一副完整的图片，而不是闪烁的像素点。
本次实验选用的分辨率为640*480@60Hz，表示的含义是：
有效画面横向由像素点640个，列像素点由480个，刷新的频率是60Hz，即1s电脑显示60张图片。也就是从左上角到右下角的过程持续了60次。
VGA驱动波形：
直接贴640*480@60Hz的波形图
这个图中表示的含义同下表中对应分辨率的数值：
可以看出Hsync的完整的行扫描周期（扫描完一行的像素点个数）是由同步，后沿，左边框，有效图像，右边框，前沿组成的。VSync同理。最终经过完整的一帧扫描后形成的范围如下：
最后是VGA的时序波形图：
从上述内容可以看出对于640480@60Hz的显示器，实际行扫描周期为800，场扫描周期为525。所以一秒钟下来，总共会经过800525*60=25200000个周期。得到频率为25.2MHz，也就是25MHz。考虑到FPGA的基频为50MHz，需要进行一定的时钟分频。
二 结果演示
三 思路整理
1、时钟分频（50MHz—>25MHz）进行扫描
2、设计Data驱动准备RGB的数据，提供给VGA发送
3、设计VGA驱动（需要对外发送出某行某列的像素值到显示屏处理）
四 代码编写
根据DEC-115数据手册可以判断出采用的是RGB888。
3.1 时钟分频
可以使用quartus中的IP核，直接调用PLL锁相环进行时钟分频
详细了解可参考【锁相环PLL背景意义，原理，介绍，应用】
打开quartus工程项目工作空间，在右侧IP Catalog添加pll
需要一个50MHz的和25MHz，先设定基频为50MHz
设置c0输出50MHz
设置c1输出25MHz
选择生成文件
可以看见文件夹中产生了如下文件：
3.2 添加ROM IP
因为后续要显示图片，需要使用ROM进行存放图片数据
应为RGB888，输出数据位24位，所以从rom中也应该读取出24位，rtl可以从左侧看出来。下面是问需要多少个24bit的空间。就要大于等于你的图片大小（width*height）。在使用过程中我第一张图片有一个参数是奇数，显示出来的图片就很奇怪。所以尽量可以使用偶数参数。
选择你由图片生成的hex或者mif文件（可以使用win10自带的画图转换图片为bitmap，然后再使用BMP2MIF软件转换成hex或者mif）。
可以在工作空间左上看见如下：
后续修改可双击。
3.2 VGA驱动
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
3.3 Data驱动
module data_drive (input wire vga_clk,
input wire rst_n,
input wire [ 11:0 ] addr_h,//当前有效面积处的位置
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 [ 303:0 ] char_line[ 31:0 ];
localparam states_1 = 1; // 彩条
localparam states_2 = 2; // 字符
localparam states_3 = 3; // 图片
parameter height = 286; // 图片高度
parameter width = 300; // 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//显示字符
//第几行，第几列
rgb_data = char_line[ addr_v-208 ][ 385 - 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+304+1 && addr_v > 208 && addr_v < 208+32+1 ;
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] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[1] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
char_line[2] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001000000010000;
char_line[3] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001C0000001C000;
char_line[4] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000200001800000018000;
char_line[5] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000700001800000018000;
char_line[6] = 304'h01E007C007E0008003C01FFC03C001E003C0006007C007E000000FFFFFF00001800000018000;
char_line[7] = 304'h061818600838018006201FFC0620061806200060186008380000000180000001800000018000;
char_line[8] = 304'h0C18303010181F800C3010080C300C180C3000E0303010180000000180000001800000018000;
char_line[9] = 304'h08183018200C01801818301018180818181800E03018200C0000000180000001803000018030;
char_line[10] = 304'h18003018200C01801818201018181800181801603018200C0000000180003FFFFFF83FFFFFF8;
char_line[11] = 304'h10003018300C01801808202018081000180801603018300C0000000180000007C0000007C000;
char_line[12] = 304'h10000018300C0180300C0020300C1000300C02600018300C0000000180000007C0000007C000;
char_line[13] = 304'h30000018000C0180300C0040300C3000300C04600018000C000000018000000DA000000DA000;
char_line[14] = 304'h33E0003000180180300C0040300C33E0300C046000300018000000018000000DA000000DA000;
char_line[15] = 304'h3630006000180180300C0040300C3630300C0860006000180000000180C0001DB000001DB000;
char_line[16] = 304'h381803C000300180300C0080300C3818300C086003C00030000007FFFFE00019900000199000;
char_line[17] = 304'h3808007000600180300C0080300C3808300C1060007000600000000180000031980000319800;
char_line[18] = 304'h300C001800C00180300C0100300C300C300C3060001800C000000001800000318C0000318C00;
char_line[19] = 304'h300C000801800180300C0100300C300C300C20600008018000000001800000618E0000618E00;
char_line[20] = 304'h300C000C03000180300C0100300C300C300C4060000C030000000001800000C1870000C18700;
char_line[21] = 304'h300C000C02000180300C0100300C300C300C7FFC000C02000000000180000181838001818380;
char_line[22] = 304'h300C300C04040180180803001808300C18080060300C0404000000018000010181C0010181C0;
char_line[23] = 304'h180C300C08040180181803001818180C18180060300C0804000000018000020180F0020180F0;
char_line[24] = 304'h1808300810040180181803001818180818180060300810040000000180000401807E0401807E;
char_line[25] = 304'h0C183018200C01800C3003000C300C180C3000603018200C0000000180000801803008018030;
char_line[26] = 304'h0E3018303FF803C00620030006200E300620006018303FF80000000180003001800030018000;
char_line[27] = 304'h03E007C03FF81FF803C0030003C003E003C003FC07C03FF80000000180184001800040018000;
char_line[28] = 304'h00000000000000000000000000000000000000000000000000003FFFFFFC0001800000018000;
char_line[29] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001800000018000;
char_line[30] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001000000010000;
char_line[31] = 304'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
end
end
//实例化ROM
ROM1_port ROM1_inst (
.address ( rom_address ),
.clock ( vga_clk ),
.q ( rom_data )
);
endmodule // data_drive
源码
https://gitee.com/quartfee/de115-vga
参考资料
1.【FPGA入门】第七篇、FPGA实现VGA接口驱动
2. 基于FPGA的VGA显示彩条、字符、图片
总结
通过本次实验了解了VGA协议，如何使用IP核简化开发步骤。图片的颜色显示出现了一些问题，后续需要进一步修改，并且再加上动图的实现。或者从串口发送数据到ROM，再从ROM中读到显示屏上。
