文章简介

本系列文章主要针对FPGA初学者编写，包括FPGA的模块书写、基础语法、状态机、RAM、UART、SPI、VGA、以及功能验证等。将每一个知识点作为一个章节进行讲解，旨在更快速的提升初学者在FPGA开发方面的能力，每一个章节中都有针对性的代码书写以及代码的讲解，可作为读者参考。

第十五章：VGA

 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)。

    它具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点。VGA接口不但是CRT显示设备的标准接口，同样也是LcD液晶显示设备的标准接口，具有广泛的应用范围。    

    很多人觉得只有HDMI接口才能进行高清信号的传输，但这是一个大家很容易进入的误区，因为通过VGA的连接同样可以显示1080P的图像，甚至分辨率可以达到更高，所以用它连接显示设备观看高清视频是没有问题的，而且虽然它是种模拟接口，但是由于VGA将视频信号分解为R、G、B三原色和HV行场信号进行传输，所以在传输中的损耗还是相当小的。

首先我们看一下 VGA 接口的电路原理图：

图1 VGA接口原理图

    通过图1可以看出VGA 并没有特殊的外部芯片，也就是说，唯一要关注的就是它的显示原理和时序了。那么接下来我们具体来看一下VGA 的扫描原理是什么。

    VGA扫描方式：

    显示器扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描：①逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点扫描，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。

② 隔行扫描是指电子束扫描时每隔一行扫一线，扫完一屏后再返回来扫描剩下的线。

图2 VGA图像显示扫描示意图

常见的彩色显示器一般由 CRT（阴极射线管）构成，色彩是由 R、 G、 B（红、黄、蓝）三基色组成。显示是用逐行扫描的方式解决，阴极射线枪发出电子束打在涂有荧光粉的荧光屏上，产生 RGB 三基色，合成一个彩色像素。扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下，进行扫描， 每扫完一行，电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这其间 CRT 对电子束进行消隐。每行结束时，用行同步信号进行同步；扫描完所有行，用场同步信号进行同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐，预备下一场的扫描。

    对于普通的 VGA 显示器，共有 5 个信号：R、 G、 B 三基色；HS（行同步信号）；VS（场同步信号）。对于时序驱动， VGA 显示器要严格遵循“VGA”工业标准，即 640x480@60Hz 模式，否则可能会损害 VGA 显示器。

    了解了扫描原理后，紧接着看一下 VGA 的行、列同步时序：

图3 列同步时序

图4 行同步时序

    VGA 中定义行时序和列时序都需要同步脉冲（a 段），显示后沿（b 段）、显示时序段（c 段）和显示前沿（d 段）四部分。VGA 工业标准显示模式要求：行同步、列同步都为负极性，即同步脉冲要求是负脉冲。
    由 VGA 行时序可知：每一行都有一个负极性行同步脉冲（a 段），是数据行的结束标志，同时也是下一行的开始标志。在同步脉冲之后为显示后沿（b 段），在显示时序段（c 段）显示器为亮的过程， RGB 数据驱动一行上的每一个像素点，从而显示一行。在一行的最后为显示前沿（d 段）。在显示时间段之外没有图像
投射到屏幕，而是插入消隐信号。同步脉冲、显示后沿和显示前沿都是在行消隐间隔内，当消隐有效时，RGB 信号无效，屏幕不显示数据。

    各分辨率下，VGA的显示标准参数如图5所示：

图5 VGA标准参数

    本实验以显示标准为 800*600*60Hz 为例。(800 为列数， 600 为行数，60Hz 为刷新一屏的频率)。
   行时序：屏幕对应的行数为 628（a+b+c+d=e 段），其中 600（c 段）为显示行；每行均有行同步信号（a 段），为 4 个行周期的低电平；
    列时序：每个显示行包括 1056 列（a+b+c+d=e 段），其中 800（c 段）为有效显示区，每一行有一个行同步信号（a 段），为 128 个行周期的低电平。
扫描时钟频率：40MHZ。

    原理清楚以后，接下来设计系统模块图如下：

 

图6 系统模块框图

模块说明：
    (1)时钟分频模块
    开发板上使用的晶振为 50MHZ，由于我们的显示标准为 800*600*60HZ，所以需要分频输出 40MHZ 的系统时钟。时钟分频模块，我们可以通过调用锁相环来实现。
    (2)VGA 行列同步控制模块
    VGA 显示标准需要设定行列同步信号，标定出有效显示区域， 这也是整个 VGA驱动模块的核心部分。

    (3)VGA 色彩显示控制模块    

    在图像有效显示区域内，输出控制颜色的 r、 g、 b 信号。接下来学习每个功能模块的具体代码实现，分频模块采用锁相环实现即可。
    VGA 行列同步控制模块具体代码如下：

    VGA 色彩显示控制模块具体代码如下：

 

编写完成各子模块以后，将所有模块连接起来，需要建立顶层文件如下：

    综合编译以后，我们可以查看 RTL 视图，查看电路综合结果和预想是否一致，调用 RTL 视图如下：

图7 RTL视图

通过RTL图可以看出电路模块综合结果和预先设计的系统模块框图相同。接着编写测试代码如下，用来验证我们设计的正确性：

通过Modelsim仿真，查看仿真波形：

    可以看出，当 en 有效时， vga_r 输出 3’ b111，说明设计正确。
    编写管脚约束文件，生成bit文件，将bit文件下载到开发板，实际运行效果图如下：

图8 显示结果