基于FPGA的PS2与VGA控制显示设计.docx

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基于FPGA的PS2与VGA控制显示设计

摘要

伴随着嵌入式系统的迅速发展，VGA（视频图形阵列）作为一种标准的显示接口得到广泛的应用，PS/2接口也广泛的应用于鼠标和键盘。

文中在依据VGA显示的原理和PS／2鼠标通信协议的基础上，在讨论EDA软件工具平台下的FPGA设计流程的前提下，基于模块化、层次化的设计思想，利用VHDL作为逻辑描述的手段，在Altera公司的QuarmsII软件环境下完成VGA模块和PS/2接口模块的设计。

本设计在利用VGA模块和PS/2接口模块的基础上，实现了鼠标控制VGA显示，完成了一个小游戏的设计，并给出了顶层逻辑框图和各个模块的设计思路。

通过软件和FPGA的结合,可以将VGA接口要显示的数据直接送到显示器，保证了PS/2接口收发数据的精确性和可移植性,加快了数据的处理速度，节约了硬件成本。

关键字FPGA/VHDL/VGA/PS/2

DesignofPS/2andVGADisplayControlBasedonFPGA

ABSTRACT

Asthefastdevelopmentofembededsystem，Asastandarddisplayinterface，VGAhasbeenwidelyused,PS/2moduleisalsowidelyusedinthemouseandkeyboard.Inthisarticle，accordingtotheprincipleofVGAdisplayandtheanalysisofthecommunicationprotocolofmouse，completedthedesignofVGAmodulebasedonQuartuslIsofterwareenvironmentandthedesignideaaboutmodularization、hiberarchywhileusingVHDLasameansoflogicdescriptionaswellasdiscussedtheprocessofthedesignofFPGAbasedonEDAsofterwareplatform．AlsogavetheideasofVGAmoduleandPS/2moduledesignandthetoplogicdiagramofthismodular．ThisdesignisbasedonVGAmoduleandPS/2interfacemodules.Itfulfillsthemouse-controlVGAdisplay,andcompletesthedesignofasimplegame.Italsogivesatop-levellogicblockdiagramandthedesignofeachmodule.ThroughthecombinationofcertainsoftwareandFPGA,itispossibletosenddatawhichwillbedisplayedbyVGAinterfacedirectlytothemonitor.ItensurestheaccuracyandthepossibilityoftransplantwhenadoptingthePS/2transceiverinterface.Meanwhile,itspeedsupthedataprocessingrateandcutdownhardwarecosts.

KEYWORDSFPGA,VHDL,VGA,PS/2

目录

中文摘要I

英文摘要II

目录III

第一章绪论1

1.1研究的背景1

1.2研究目的和意义2

1.3研究的内容2

第二章相关的原理3

2.1VGA的显示原理3

2.1.1显示标准分类3

2.1.2显示原理3

2.2PS/2接口的通信协议4

2.2.1PS/2硬件接口4

2.2.2PS/2通信协议5

第三章系统的设计与实现10

3.1系统的整体连接与实现10

3.2VGA显示控制模块的设计11

3.3PS/2鼠标接口的设计12

3.4游戏图像生成模块14

3.4.1frame模块14

3.4.2board模块14

3.4.3ball模块15

3.4.4target模块和count64模块15

3.5系统的FPGA验证15

3.5.1系统的时序仿真15

3.5.2系统的硬件验证17

3.5.3系统的验证结果17

结束语20

致谢21

参考文献22

附录23

第一章绪论

1.1研究的背景

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL,GAL,CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的。

随着EDA技术的发展，可编程逻辑器件的逻辑门密度的不断提高和设计工具软件的不断加强与优化，FPGA能够实现越来越多的功能，目前已经能够将RISC处理器内核、DSP算法、数字ASIC器件以及其他数字IPCore等诸多逻辑器件嵌入到FPGA中。

随着处理器等嵌入式构件以IP核的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊。

并且因ASIC设计周期长，更新投资大，灵活性差等缺陷制约了它的应用范围。

硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要在实验室就能设计出更大规模的数字逻辑，研制自己的ASIC并马上投入使用。

这就是可编程逻辑器件提出的基本思想。

未来的某些板级系统可能只有两部分—模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。

Altera等公司的新一代FPGA——CycloneII,HardCopyII,StratixII的推出，使我们有理由相信，可编程片上系统盛行的时代己经不远了。

当前嵌入式系统技术已得到了广泛应用，但传统嵌入式系统的人机接口多采用小键盘操作的文本菜单方式，用户操作较为不便。

本设计利用FPGA实现对PS/2接口鼠标的控制，是在以VGA作为输出设备的单片机系统上初步实现图形化用户界面的方案，它成本低、效果好，并且有很强的实用性。

在许多图像处理系统中，需要将经过处理的图像显示出来，如果采用传统的办法将图像数据传回电脑并通过显示器显示出来，那么在传输的过程中就需要嵌入式系统的CPU不断的对所传输的图像数据信号进行控制，这样就造成了就CPU资源的浪费，同样系统还需要依赖电脑，降低了系统的灵活性.如果采用FPGA对显示器的VGA接日进行设计，数据流只需要在整个系统的内部流动，而不需要依靠计算机，实现了系统的最小化大大减少了电路板的尺寸，增强了系统的可靠性和设计的灵活性.VGA接口同样也是CRT液晶显示设备的标准接日，通过VGA控制CRT可以使整个系统变得小巧和便携，使得应用的范围大大扩展.作者所在的全景视觉图象处理项目中，正是击要把经过处理的图像实时地直接地显示出来，撇开对计算机的击求，以满足各种不同应用环境的需要。

1.2研究目的和意义

随着人们对视频显示业务的需求日益增加，对视频处理速度的要求也越来越高。

对于视频信号，由于其数据量大，对实时处理也有了更高的要求。

当今主流的LED大屏幕视频显示接口电路一般采用单片机及复杂的外围电路，或者采用单片机和简单的AS工C共同实现电路功能。

为了进行实时、高质量的图文显示，在图像显示前必须对原图像进行预处理，以抑制噪声，增强图像显示效果，提高信噪比，为后续工作打好基础。

这就要求预处理电路的速度要快，而图像处理的数据量很大，如果采用单片机利用软件编程实现算法，有较高的灵活性，但在进行较复杂的工作时处理速度跟不上，时序性较差，因此采用并行处理技术最适合。

要解决这个问题，FPGA是能满足要求的，FPGA有足够大的逻辑密度（可达百万门以上），比较高的速度（可达200MHz以上），可以满足电路规模和速度的要求。

因此本课题采用FPGA芯片作为LED大屏幕与VGA同步显示接口电路的控制核心来对降}像进行采集和显示，并在此基础上研究了一定的视频信号处理算法和与之相对应的处理器并行结构。

该系统具有图像位置精度高、功能扩展灵活、性价比高等特点，对LED大屏幕视频系统的设计有一定的参考价值，同时也为图像的实时传输、实时显示和实时处理奠定了基础。

1.3研究的内容

本论文的开发工作分为三个部分:

PS/2鼠标输入，游戏图像生成，VGA显示控制。

◆第一章绪论部分，介绍了该课题的研究背景，研究意义等

◆第二章介绍了VGA显示原理和PS/2通信协议的一些相关知识，将重点介绍协议体系结构、通信规范等。

◆第三章是详细介绍了本设计的软硬件结构、数据处理流图、具体设计和实现，以及系统仿真结果等。

◆最后为结论，对论文的研究工作进行了总结，指出了研究工作的创新点和意义。

并对未来的工作进行展望。

第二章相关的原理

2.1VGA的显示原理

2.1.1显示标准分类

随着计算机显示技术的快速发展，计算机业界制定了许多种显示接口协议，从最初的MDA接口协议到日前主流的VGA接口协议。

在VCA接口协议框架中，根据不同的分辨率和刷新频率，又分为不同的显示模式:

VGA（640*480）,XGA（800*600）和SVGA（1024*768）。

VGA（VideoGraphicsArray），信号类型为模拟类型，显示卡端的接口为15针母插座.VGA（VideoGraphicsArray）作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用。

VGA在任何时刻都必须工作在某一显示模式之下，其显示模式分为字符显示模式和图形显示模式。

而在应用中，讨论的都是图形显示模式。

VGA的图形模式分为二类:

CGA,EGA兼容的图形模式;标准的VGA图形模式;VGA扩展图形模式。

后两种图形模式统称为VGA图形模式。

文中基于标准VGA模式来实现。

工业标准的VGA显示模式为:

640*480*16色*60Hz。

2.1.2显示原理

常见的彩色显示器一般都是CRT（阴极射线管）构成，其引出线共含5个信号:

R,G,B（3基色信号）,HS（行同步信号）,VS（场同步信号）.由R,G,B3种基色可以组合出任意所要的颜色.在实验的验证阶段可以仅利用R,G,B3种基色的一元化值（0和1）的不同组合来验证设计的正确性。

每一个像素的色彩由R（红，Red）.G（绿，Green）.B（蓝，Blue）三基色构成。

显示时采用的是逐行扫描的方式。

由VGA显示模块产生的水平同步信号和垂直同步信号控制阴极射线管中的电子枪产生电子束，轰击涂有荧光粉的屏幕，产生RGB三基色，于显示屏上合成一个彩色像素点。

LCD显示器虽然显示原理与CRT不同，但是控制方式和控制信号却是相同的，所以针对CRT设计的控制器也可以应用到LCD显小器中。

电子束扫描一幅屏幕图像上的各个点的过程称为屏幕扫描。

现在显示器都是通过光栅扫描方式来进行屏幕扫描。

在光栅扫描方式下，电子束按照固定的路径扫过整个屏幕，在扫描过程中通过电子束的通断强弱来控制电子束所经过的每个点是否显示或显示的颜色，电子枪在VGA显示模块产生的行同步、场同步等控制信号的作用下进行包括水平扫描、水平回扫、垂直扫描、垂直回扫等过程。

光栅扫描的路径通常为:

从上到下扫过每一行