基于FPGA的VGA显示控制器设计与图像显示.docx

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基于FPGA的VGA显示控制器设计与图像显示

信息工程学院工程实训报告

题目：

基于FPGA的VGA显示控制器设计与图像显示

学　　　　号：

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姓名：

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专业名称：

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2011年05月18日

摘要

该报告简述了QuartusⅡ仿真软件的基本操作方法，同时介绍FPGA逻辑器件的相关知识和Verilog硬件描述语言的相关知识，在基于FPGA逻辑器件、QuartusⅡ仿真软件和Verilog硬件描述语言下，设计了VGA显示控制器。

该VGA图象显示控制器是用模块设计并通过它们的级连实现的，具体是通过硬件电路的设计且能实现的方案来用Verilog语言对硬件电路进行描述，同时把Verilog语言在QuartusⅡ中进行仿真，并在显示器中显示出图像。

关键词：

VGA显示控制；Verilog；QuartusⅡ

目　　录

前言

在电子电路领域中，设计自动化工具已经被广大电子工程师所接受，它必将取代人工设计方法并成为主要的设计手段。

目前，Verilog语言已经成为各家EDA工具和集成电路厂商认同和共同推广的标准化硬件描述语言，随着科学技术的迅猛发展，电子工业界经历了巨大的飞跃。

集成电路的设计正朝着速度快、性能高、容量大、体积小和微功耗的方向发展，这种发展必将导致集成电路的设计规模日益增大。

该实训的设计是用Verilog语言硬件描述语言设计出一个VGA图象显示控制器，用Verilog硬件描述语言进行编程，把Verilog语言描述的VGA图象显示控制器所需的程序在QuartusⅡ软件环境下进行模拟仿真，以此来验证所设计的结果是否满足设计的要求。

在结果符合要求的情况下把Verilog程序下载到FPGA器件上，利用FPGA器件内部存储器存储所需要的数据，再通过VGA接口输出到显示器上，从而达到设计的要求。

VGA显示器因为其输出信息量大，输出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备，FPGA以其结构的优势可以使用很少的资源产生VGA的各种控制信号。

1VGA显示概述

CRT显示器作为一种通用型显示设备，如今已广泛应用于我们的工作和生活中。

与嵌入式系统中常用的显示器件相比，它具有显示面积大、色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点，如果将其应用到嵌入式系统中，可以显著提升产品的视觉效果。

如今随着液晶显示器的出现，越来越多的数字产品开始使用液晶作为显示终端。

但基于VGA标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器[1]。

若驱动此类显示器，需要很高的扫面频率，以及极短的处理时间，正是由于这些特点，所以可以用FPGA来实现对VGA显示器的驱动。

本次专业课程设计即选用FPGA来实现VGA的显示[1-2]。

随着FPGA的不断发展及其价格的不断下降，FPGA的可编程逻辑设计的应用优势逐渐显现出来。

现在,越来越多的嵌入式系统选择了基于FPGA的设计方案。

在基于FPGA的大规模嵌入式系统设计中，为实现VGA显示功能,既可以使用专用的VGA接口芯片如SPX7111A等，也可以设计和使用基于FPGA的VGA接口软核。

虽然使用VGA专用芯片具有更稳定的VGA时序和更多的显示模式可供选择等优点,但设计和使用VGA接口软核更具有以下优势：

（1）使用芯片更少,节省板上资源,减小布线难度；

（2）当进行高速数据传输时，具有更小的高频噪声干扰；（3）FPGA（现场可编程门阵列）设计VGA接口可以将要显示的数据直接送到显示器，节省了计算机的处理过程，加快了数据的处理速度，节约了硬件成本[3]。

1.1VGA显示的发展状况

显示绘图阵列（videographicarray,VGA）接口,他作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用。

VGA接口大多应用在显示器与显卡之间；同时还可以用用在擦二色等离子电视输入图像的模数转换上；VGA接口同样也是LCD液晶显示设备的标准接口。

可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。

早期的器件只能存储少量的数据，完成简单的逻辑功能；发展到现在，可以完成复杂的逻辑功能，速度更块，规模更大，功耗更低。

目前可编程逻辑器件主要有两大类：

复杂可编程逻辑器件（complexprogrammablelogicdevice,CPLD）和现场可编程逻辑器件（filedprogrammablegatearray,FPGA）。

FPGA的运行速度块，管脚资源丰富，容易实现大规模的系统设计，有大量的软核可用，便于进行二次开发。

另外，由于FPGA具有可重构能力、抗看绍兴强等特点，因此，FPGA在工业控制等领域越来越受到重视[4]。

利用FPGA完成VGA显示控制，可以使图像的显示脱离PC机的控制，形成体积小、功耗低的格式嵌入式系统（便携式设备或手持设备），应用于地面勘测、性能检测等方面，具有重要的现实意义。

显示器因为其输出信息量大，输出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备。

在FPGA的设计中可以使用很少的资源，就产生VGA各种信号。

为了通过VGA端口连接显示器显示前端采集到的图像数据，本课题在21EDA—AlteraFPGA开发板上使用VGA接口在显示器上显示彩条及简单的图形，可以作为整个采集系统显示设计的参考，具有一定的实用价值[5]。

1.2VGA显示接口

VGA接口负责向显示器输出相应的显示信号。

VGA接口是一种D型接口，上面共有15个针孔，非对称地分成3排，每排5个，其排列及接口定义如图1.1所示。

图1.1VGA接口图

在基于FPGA的VGA控制中，只需要考虑行同步信号（Hs）、场同步信号（Vs）、蓝基色（R）、绿基色（G）、红基色（B）这5个信号。

如果能从FPGA发出这5个信号到VGA接口，就可以实现对VGA的控制[6]。

1.3VGA显示的原理

VGA显示图像原理：

常见的彩色显示器，一般由CRT（阴极射线管）构成。

彩色是有R,G.B（红：

RED，绿：

GREEN,蓝：

BLUE）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银光粉的荧光屏幕上，产生R,G,B三基色，合成一个彩色像素[7-8]。

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，扫描完所有行，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上方，同时进行场消隐，预备下一场的扫描。

它的行场扫描时序示意图1.2所示。

现以正极性为例，说明CRT的工作过程：

R、G、B为正极性信号，即高电平有效。

当VS=0，HS=0时，CRT显示的内容为亮的过程，即正向扫描过程约为26us。

当一行扫描完毕，行同步HS=1，约需6us，期间，CRT扫描产生消隐，电子束回到CRT的左边下一行的起始位置（X=0,Y=1）；当扫描完480行后，CRT的场同步VS=1，产生场同步是扫描线回到CRT的第一行第一列（C=0,Y=0处，约为两个行周期）。

HS和VS的时序图。

T1为行同步消隐（约为6us）；T2为行显示时间（约为26us），T3为场同步消隐（两行周期）；T4为场显示时间（480行周期）。

图1.2行场扫描示示意图

1.4FPGA简介

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分[9]。

FPGA的基本特点主要有：

　　1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

　　3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

　　4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

　　5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程[10]。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。

这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活。

FPGA（FiledProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD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）领域中的一种半订制电路而出现的，既解决了订制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点[11]。

FPGA的工作机理基于查找（Look-Up-Table，LUT），LUT其实就是一个RAM。

目前很多FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线、大小位16×1的RAM、当用户通过HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA的开发软件会自动计算逻辑电路所有可能的结果，并事先把计算好的结果记入RAM中[12-14]。

这样，每当有信号输入需要进行逻辑运算时，不必再用门去搭电路了，只要把输入作为一个地址进行查表，找出对应地址所存储的内容，然后输出即可。

图1.3所示位一个4输入与门的LUT实现。

这个例子很简单，只需要一个LUT就可以完成。

对于一个LUT无法完成的电路，则需要通过进行逻辑信号将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑了。

图1.3LUT原理图

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输入输出模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分[13]。

图1.4是一般FPGA的结构图。

图1.4FPGA结构

因为LUT主要适合于SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，必须外加一片专用配置芯片，可以是EPROM芯片。

在加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只需通用的EPROM、PROM编程器即可。

由于配置时间很短，因而不会影响系统正常工作。

当然也有少数FPGA采用反熔丝或FLASH工艺，对这种FPGA就不需要外加专用的配置芯片了。

这样，同一片PFGA，不同的编程数据可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活[14]。

随着的不断发展以及用户需求的不断提出，FPGA的技术也在不断地发展。

随着工艺和数字电路技术的不断进步，FPGA芯片的集成度会更高，功能会更强，速度会更快，功耗会更低。

1.5Quartus

软件概述

QuartusII软件是Altera公司最新版本的EDA开发软件，支持APEX系列、Cyclone系列、Stratix系列和Excalibur