基于FPGA的VGA显示设计及仿真实现.docx

1、基于FPGA的VGA显示设计及仿真实现本科毕业论文（设计）论文题目 ： 基于FPGA的VGA显示设计及仿真实现姓名：XXX学号：XXX班级：XXX年级：XXX专业：通信工程学院：信息工程学院指导教师：XXX完成时间：XXXX 年 X月 XX 日作者声明本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、剽窃、造假等违背道德、学术标准和其他侵权行为。对本论文（设计）的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引发的法律结果完全由本人承担。毕业论文（设计）功效归XXX所有。特此声明。作者专业：作者学号：作者签名：年 月 日基于FPGA的VGA显示设计

2、及仿真实现XXXThe Design and Implementation of the VGA display based on FPGAXXXX 年 X月 XX 日摘 要本文简述了VGA显示的特点和工作原理，重点介绍了采纳自顶向基层次化、模块化的设计方式，在FPGA上实现VGA的显示设计。显示画图阵列（video graphic array，VGA）接口是LCD液晶显示设备的标准接口，VGA具有分辨率高、显示速度快、颜色丰硕等优势。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此刻大多数设计的经常使用输出设备。在FPGA的设计中能够利用很少的资源，就产生VGA各类信号，再加上VHDL

3、语言灵活的描述方式和与硬件无关的特点，使得利用VHDL语言基于FPGA芯片实现VGA显示操纵成为研究的方向。本文对基于VHDL的VGA的显示操纵进行了研究，并设计了VGA显示器彩条信号发生器。所做的要紧工作为：（1）在设计中采纳了自顶向下的层次化、模块化的设计思想，将整个接口划分为多个模块，利用VHDL语言的描述方式进行了各个功能模块的设计，最终完成了VGA显示的系统设计。（2）运用ISE软件进行仿真。关键词： VHDL；VGA；ISE；彩条信号 AbstractThis paper briefly describes the characteristics and working princ

4、iple of VGA display, focus on using the top-down hierarchical and modular design method, realization of VGA display design on FPGA.Display graphics array (video graphic array, VGA) interface is a standard interface LCD liquid crystal display device, VGA with high resolution, fast display rate, color

5、 rich, etc. Display output because of its large amount of information, the output forms characteristics has become the most commonly used output device design now.In the design of FPGA can use less resources, and produce VGA signals, flexible coupled with VHDL language description method and has not

6、hing to do with the hardware characteristics, make use of VHDL language based on the FPGA chip to realize VGA display control become the direction of research.In this paper, based on VHDL VGA display control is studied, and VGA display color bar signal generator is designed. The main work done as fo

7、llows:(1)In the design USES the top-down hierarchical, modular design thought, will the whole interface is divided into several modules, use of VHDL language description method for the design of each functional module, finally completed the VGA display system design.(2) Using ISE software simulation

8、.Keywords: VHDL ;VGA; ISE; Color bar signal 1 概 述 本选题研究的目的及意义VGA的英文全称是Video Graphic Array，即显示画图阵列。VGA支持在640480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320240分辨率下能够同时显示256种颜色。VGA显示操纵器操纵图像信号通过电缆传输到显示器上并显示出来。目前的显示器技术要紧包括两种：CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）和LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示屏）。CRT通过帧同步信号和行同步信号操纵电子枪的电子束逐行逐点地扫描

9、，将电子打在荧光点上，使之发光。通过视觉暂留的作用，看到的确实是一副完整的画面。LCD与CRT类似，但CRT是模拟方式的，通过电路操纵，电子束能够任意移动；而LCD是数字方式的，只有位置固定的电流通路，因此只能通过电路矩阵逐行扫描，而不能逐点，即一行上所有的点同时工作。VGA接口是一种D型接口，上面共有15针空，分成三排，每排五个。VGA接口是显卡上应用最为普遍的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。有些不带VGA接口而带有DVI(Digital Visual Interface数字视频接口）接口的显卡，也能够通过一个简单的转接头将DVI接口转成VGA接口，通常没有VGA接口的显卡会附赠如此的转

10、接头。目前大多数运算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，运算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变成R，G，B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。关于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处置电路，驱动操纵显像管生成图像。而关于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变成数字信号。在通过D/A和A/D2次转换后，不可幸免地造成了一些图像细节的损失。VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，那么转换进程的图像损失会使显示成效略微下降。显示器因

11、为其输出信息量大，输出形式多样等特点已经成为此刻大多数设计的经常使用输出设备。在FPGA的设计中能够利用很少的资源，就产生VGA各类信号。为了通过VGA端口连接显示器显示前端搜集到的图像数据，本课题在Xilinx公司的SPARTAN-3E开发板上利用VGA接口在显示器上显示简单的彩条，能够作为整个搜集系统显示设计的参考，具有必然的有效价值。本选题国内外研究状况综述自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA历史已经经历了十几年的进展历史。FPGA不仅能够解决电子系统小型化、低功耗、高靠得住性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价钱不断降低，促使F

12、PGA愈来愈多地取代了ASIC的市场，专门是对小批量、多品种的产品需求，是FPGA成为首选。自发明PFGA以来，就不断的推出新器件和开发工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。要紧推出了Virex系列和SparanTM系列的FPGA，Vriex系列冲破了传统FPGA密度和性能限制，使FPGA不单单是逻辑模块，而成为一种系统元件。而Spartan系列为替代ASIC的大容量FPGA树立了一个新的低本钱标准。本课题利用的确实是该公司的SPARTAN-3E开发板。VGA是IBM于1987年提出的一个利用模拟信号的电脑显示标准。在性能上，VGA将16色模式的分辨率提高到了640480，同时VGA新提供了一种

13、具有320200分辨率、256种颜色的图形模式，且所显示的每一种颜色都可从262144(18位)种颜色当选择，VGA的这种色彩显示能力对微机图形/图象软件的进展起到了专门大的增进作用前后别离经历了EGA, EGA, VGA, SVGA, XGA, SXGA, UXGA, QXGA, WQXGA, QSXGA, WQSXGA, QUXGA, WQUXGA, 1080P。19201080分辨率（1080P）是美国电影电视工程师协会(SMPTE)制定的最高品级高清数字电视的格式标准，有效显示格式为：19201080，像素数达到万。美国电影电视协会将数字电视扫描线的不同分为：1080p、1080i和7

14、20p。1080p是逐行扫描下达到19201080分辨率的显示格式，1080i是隔行扫描达到19201080分辨率的意思，720p是1280720分辨率下逐行扫描的意思。原NTSC国家采纳的是108060Hz格式，与NTSC模拟电视场频相同；而欧洲及中国等PAL制国家那么采纳108050Hz的模式。VGA由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在VGA基础上加以扩充，如将显存提高至1M并使其支持更高分辨率如800600或1024768，这些扩充的模式就称之为VESA(Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会)的Super VGA模式，简称S

15、VGA，此刻的显卡和显示器都支持SVGA模式。VGA技术的应用要紧基于VGA显示卡的运算机、笔记本等设备，而在一些既要求显示彩色高分辨率图像又没有必要利用运算机的设备上，VGA技术的应用却很少见到。 本选题研究的要紧内容在撰文之前大量阅读了FPGA和VGA显示的有关资料，学习了相关的硬件知识和原理知识。深切学习和研究了VHDL的应用实例。在了解和对照VGA显示的几种实现方式后，通过试探、比较和讨论，决定以VHDL为VGA显示的描述语言，采纳自顶向基层次化、模块化的设计方式，编写VHDL程序。本文要紧分为5章，章节安排如下：第1章：绪论。要紧介绍了开题的背景和研究意义，和VGA显示的国内外研究现

16、状。第2章：VGA显示的理论研究。要紧介绍VGA显示实现的大体原理。第3章：Xilinx ISE软件的具体利用。要紧描述VHDL硬件语言和介绍Xilinx ISE软件的具体利用。第4章：VGA显示的设计与仿真。VGA显示的VHDL语言实现，并在spartan-3E开发板上实现VGA显示功能，进行综合仿真并验证。第5章：跋文。要紧介绍本文的优势和不足的地方。2 VGA显示的理论研究显示画图阵列（video graphic array，VGA）接口是LCD液晶显示设备的标准接口，大多应用在显示器与显卡之间，同时还能够用在等离子电视输入图像的模数转换上。VGA具有分辨率高、显示速度快、颜色丰硕等优势

17、，同时VGA显示系统还具有本钱低、结构简单、应用灵活的优势。VGA显示输出RGB三原色信号，RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的转变和它们彼此之间的叠加来取得各式各样的颜色，目前在图像显示领域中应用超级普遍。 VGA显示特点 VGA的显示特点是：（1）扫描格式繁多，分辨率从320200一直延伸到12801024，行频70Hz，场频50100Hz。常见的行频有，等，常见场频有50Hz，60Hz，70Hz，100Hz，16700K种颜色之分。（2）显示器的显示方式有两种：A/N显示方式和APA显示方式，即文本显示方式和图形显示方式。A/N方式已淘

18、汰不用，目前微机都采纳APA图形方式。（3）VGA接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是操纵信号。数据信号包括红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）信号，简称RGB信号，操纵信号包括水平同步信号和垂直同步信号。输出不同分辨率时，水平同步信号和垂直同步信号的频率也不相同。 VGA 显示原理 VGA 显示的工作原理常见的彩色显示器一样由CRT(阴极射线管)组成，彩色是由R(红)、G(绿)、B(蓝)3基色组成。显示是采纳逐行扫描的方式，阴极射线枪发出的电子束打在涂有荧光粉的荧光屏上，产生RGB三色基，最后合成一个彩色图像。从荧幕的左上方开始自左向右扫描，每扫完一行图像电子束回到下一

19、行的最左端，每行终止后电子枪回扫的进程中进行消隐。然后从头开始行扫描，消隐，直到扫到荧幕的右下方，电子束回到荧幕的左上方从头开始新的图像扫描，而且在回到荧幕左上方的进程中进行消隐。在消隐进程中不发射电子束。每一行扫描终止时，用HS(行同步)信号进行同步；扫描完所有的行后用VS (场同步)信号进行同步。它的行场扫描时序示用意所示。现以正极性为例，说明CRT的工作进程：R、G、B为正极性信号，即高电平有效。当VS=0，HS=0时，CRT显示的内容为亮的进程，即正向扫描进程约为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的左侧下一行的起始位置（X=

20、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为行显示时刻（约为26us），T3为场同步消隐（两行周期）；T4为场显示时刻（480行周期）。图 行场扫描时序示用意 VGA 时序分析 通过对VGA显示大体工作原理的分析可知，要实现VGA显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现等问题，其中关键仍是如何实现VGA时序。基于像素时钟，VGA时序操纵器必需产生HS和VS时序信号。像素时钟概念了用于显示一个像素信息的时刻，VS信号概念了显示的刷新频率，通常刷新

21、频率在50Hz到120Hz之间。给定刷新频率后即概念了水平扫描频率即HS。VGA的标准参考显示时序如下图。行时序和帧时序都需要产生同步脉冲(Sync)、显示后沿(Back porch)、显示时序段(Display interval)和显示前沿(Front porch)四个部份。其中场频概念了显示的刷新频率，指定场频后所要扫描的行数指定了水平回扫频率即行频。几种经常使用模式的时序参数如表所示。图 VGA时序参考图表 VGA时序参考表图像模式行时序（s）场频（lines）1024*768XGA（75Hz）1332876811024*768XGA（60Hz）6297683800*600XGA（60H

22、z）204236001800*600XGA（75Hz）31648013 ISE工具概述随着运算机软件、硬件和集成电路制造技术的飞速进展，数字电路硬件设计复杂程度的快速增加，和产生的设计功效可继承性的需要，对数字电子系统的设计方式产生了极大的阻碍，传统的以中小规模集成电路为基础模块、以电路图为表达方式的数字电子系统的设计方式正慢慢被EDA技术的设计方式所取代。 硬件描述语言硬件描述语言（HDL，Hardware Description Language）是EDA技术的重要组成部份，经常使用的硬件描述语言有VHDL、Verilog、ABEL等。VHDL是EDA技术的主流硬件描述语言之一，也是本文设

23、计所采纳的硬件描述语言。 VHDL的进展VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。1987年末，VHDL被IEEE和确以为标准硬件描述语言。自IEEE发布了VHDL的标准版本IEEE-1076（简称87版）以后，各EDA公司接踵推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具能够提供VHDL接口。尔后VHDL在电子设计领域慢慢取代了原有的各类非标准硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，并发布了新版本

24、的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本（简称93版）。此刻，VHDL和Verilog HDL作为IEEE的工业标准硬件描述语言，在电子工程领域已成为事实上的通用硬件描述语言。 VHDL的特点VHDL要紧用于描述的结构，行为，功能和接口。除含有许多具有硬件特点的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一样的。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（能够是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部份，及端口）和内部（或称不可视部份）。在对一个设计实体概念了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就能够够直接挪用那个实体。这种将设计实体分成内外

25、部份的概念是VHDL的大体点。VHDL语言能够成为标准化的硬件描述语言并取得普遍应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具有的优势。归纳起来，VHDL语言要紧具有以下优势：（1）VHDL语言功能壮大，设计方式多样VHDL语言具有壮大的语言结构，只需采纳简单明确的VHDL语言程序就能够够描述十分复杂的硬件电路。同时，它还具有多层次的电路设计描述功能。另外，VHDL语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL语言设计方式灵活多样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方式；既支持方式，也支持层次化设计方式。（2）VHDL语言具有壮大

26、的硬件描述能力VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路，也能够描述门级电路；描述方式既能够采纳行为描述、寄放器传输描述或结构描述，也能够采纳三者的混合描述方式。同时，VHDL语言也支持惯性延迟和，如此能够准确地成立硬件电路的模型。VHDL语言的壮大描述能力还体此刻它具有丰硕的。VHDL语言既支持标准概念的，也支持用户概念的数据类型，如此便给硬件描述带来较大的自由度。（3）VHDL语言具有很强的移植能力关于同一个硬件电路的VHDL语言描述，它能够从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。（4）VHDL语言的

27、设计描述与器件无关采纳VHDL语言描述硬件电路时，设计人员并非需要第一考虑选择进行设计的器件。如此，设计人员能够集中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后，VHDL语言许诺采纳多种不同的器件结构来实现。（5）VHDL语言程序易于共享和复用VHDL语言采纳基于库(library)的设计方式。在设计进程中，设计人员能够成立各类可再次利用的模块，将这些模块寄存在库中，就能够够在以后的设计中进行复用。 VHDL程序大体结构一样的VHDL程序能够由实体（Entity）、结构体（Architecture）、配置（Configuration）、程序包和程序包体（Pack

28、age）和库（Library）5个部份组成，它们是VHDL程序的设计单元。其中实体、配置和程序包属于低级设计单元，要紧的功能是进行端口、行为、函数等的概念。结构体和程序包体是次级设计单元，包括了所有行为和函数的实现代码。其中，程序包和程序包体又属于公用设计单元，即它们是被其他程序模块挪用的。库那么是一批程序包的集合。图所示为VHDL 程序设计单元之间的关系。 配置Package Body pb is .End Package Bodypkg.Entity demo is .End Entity demo.Configuration cfg for demo is.End Configurati

29、on demo.Package pkg is .End Package pkg.Architecture arch of demo is.End Entity demo.调用 实体 程序包 低级设计单元 次级设计单元 程序包体 结构体图 VHDL 程序设计单元关系图不管是复杂的仍是简单的数字模块，用VHDL来描述都至少需要包括两个部份，即实体申明（Entity Declaration）和结构体（Architecture）。其中实体申明用于说明模块的端口，而结构体用于描述模块的功能。 VHDL语言的利用（1）实体的申明方式实体是设计的大体模块和设计的低级单元，在分层次设计中，顶层有顶级实体，含在

30、顶级实体中的较低层次的描述为低级实体，通过配置可把顶层实体和底层实体连接起来。实体语句用关键词ENTITY开头，实体名rsff是描述的符号名，在终止实体语句的END rsff之间，实体语句能够用关键词BEGIN把实体语句分成两部份：即BEGIN之前是实体说明，BEGIN以后是实体语句。在ENTITY语句的实体说明部份，经常使用PORT付语描述实体对外界连接的端口（数量、方向和数据类型）。实体rsff有4个端口，Set/Reset是输入IN模式，Q/QB是输出BUFFER（缓冲）模式，都为BIT类型。实体描述的格式如下：ENTITY 实体名 IS GENERIC（常数名：数据类型：设定值 ；常数

31、名：数据类型：设定值 ）； PORT（端口名：端口模式 数据类型；端口名：端口模式 数据类型）；END ENTITY 实体名；其中，GENERIC是用于说明设计实体和其外部环境通信的对象，规定端口的大小、实体中子元件的数量、实体的延时特性等。只能用整数类型表示，如整型、时刻型等，其他类型的数据不能逻辑综合。格式如下：GENERIC (CONSTANT属性名称:IN子类型标识:=静态表达式,);PORT 关键字用于概念模块的端口，它的格式如下：PORT(SIGNAL 端口名称:方向类型标识BUS :=静态表达式,SIGNAL 端口名称:方向 类型标识BUS :=静态表达式,SIGNAL 端口名称:方向 类型标识BUS :=静态表达式);SIGNAL：SIGNAL 是关键字，可是由于PORT 以后必需是信号类，因此一样能够将SIGNAL 关键字省略。端口名称：是该端口的标识，通常由英文字母和数字组成，可是必需是英文字母打头。方向：概