VGA圖形控制器的FPGA實(shí)現

　　由仿真結果波形可以看到，行同步信號的時(shí)鐘周期約為31. 9μs ，場(chǎng)同步信號的時(shí)鐘周期約為16。

　　6ms ,達到了VGA 標準時(shí)序的要求，可以為CRT 顯示器提供準確的行場(chǎng)同步信號。

　　在硬件系統上，通過(guò)彩條圖案的生成驗證了時(shí)序生成的正確性，可產(chǎn)生豎彩條、橫彩條、棋盤(pán)格等多種彩條模式。

　　2. 2 漢字顯示模塊

　　漢字生成模塊可實(shí)現在顯示器上顯示漢字、字符等。字模信息可以利用字模提取軟件來(lái)獲得，得到了漢字的字模信息后，可以通過(guò)屏幕上的橫坐標和縱坐標按照字模信息定義像素的顏色，這樣就可以顯示任何字體、任何點(diǎn)陣的漢字，并根據需要決定漢字在屏幕上的位置。至于英文以及其他任何符號的顯示原理與漢字顯示的原理一樣。

　　顯示器上顯示的漢字精細度取決于顯示屏所分網(wǎng)格的數目多少。設計者可以根據不同要求設定不同的網(wǎng)格數目。Altera 公司的FPGA 器件內均內置— 26 —了嵌入式陣列塊EAB ，通過(guò)調用其中的LPM ROM模塊，可任意設置參數，構成內置的ROM存儲器，存放所必要的字模信息，能與漢字顯示模塊配合，顯示出任意漢字。2. 3 圖形顯示模塊

　　2. 3. 1 ROM讀取控制模塊

　　當VGA 顯示器要顯示一幀圖像，需要比較大的數據量，FPGA 芯片內置的ROM 存儲器難以滿(mǎn)足這么大的數據存儲要求，必須把圖像數據存入外部的存儲器中。

　　外部存儲器可以有多種選擇， 如ROM,、雙口RAM、甚至SDRAM 等，采用何種存儲器將最終決定讀取控制模塊的數據讀取方式。如ROM 可用直接產(chǎn)生地址信號的方式對芯片進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，而SDRAM常常利用DMA 控制方式配合CPU 進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　這里采用型號為28C040 的4M EEPROM 外部存儲器，可以在單片內存儲整屏圖像，同時(shí)考慮到存儲空間的大小，本設計采用每個(gè)像素的顏色位深為3 位，共可顯示8 種顏色。此模塊最終仿真結果如圖4所示。

　　圖4 地址信號仿真圖

　　由圖中的仿真結果可以看到，地址信號每?jì)蓚€(gè)時(shí)鐘脈沖加1 ,而每?jì)蓚€(gè)時(shí)鐘脈沖代表掃描過(guò)一個(gè)像素點(diǎn)，由此可驗證以上設計的正確性。

　　2. 3. 2 BMP 圖像數據存入ROM

　　要把一幅圖像的數據寫(xiě)入ROM,首先必須解決的就是寫(xiě)入文件的格式問(wèn)題。一般的方法是通過(guò)編程器把Intel Hex ,或者二進(jìn)制文件。 bin 逐字節寫(xiě)入ROM。而圖像都具有固定的格式，如BMP , JPEG,GIF 等，其中的BMP 格式圖像是一種很常見(jiàn)的圖像格式，沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮處理，且文件結構相對簡(jiǎn)單，易于處理，在本設計中采用了BMP 圖像作為研究對象。將BMP 文件直接轉化為Intel Hex 文件比較困難，因此可先將BMP 格式文件轉化為mif 格式文件，再由Quartus II 直接將mif 文件轉化為Intel Hex 文件，最后再將圖像數據燒寫(xiě)入ROM中。由于沒(méi)有現成的轉換程序，選擇Visual C ++ 自行編寫(xiě)轉換程序。

　　Memory Initialization File ( . mif) 格式是Quartus II中ROM的初始化數據文件格式，它記錄方式比較簡(jiǎn)單，其中地址和數據都可為十進(jìn)制或十六進(jìn)制，冒號左邊是地址值，右邊是對應的數據，并以分號結尾。

　　相對mif 文件，BMP 格式的位圖文件稍顯復雜，它包括位圖文件頭結構、位圖信息頭結構、位圖顏色表和位圖像素數據四部分。位圖文件的保存順序如下：位圖文件頭→位圖信息頭→位圖顏色表→位圖像素數據。處理位圖時(shí)要根據文件的這些結構得到位圖文件大小、位圖的寬、高、實(shí)現調色板、得到位圖像素值等等。以目前應用較為廣泛的24 位真彩色圖像為例，其特點(diǎn)是：24 位真彩色圖像存儲文件中不帶有圖像顏色表;圖像中每一像素由RGB 三個(gè)分量組成，每個(gè)分量各8 位，每個(gè)像素需24 位;顏色分量值f red , f green , f blue 的取值范圍都為0 ～ 255。

　　對于用到顏色表的位圖，圖像數據就是該像素顏色在調色板中的索引值。對于真彩色圖像，圖像數據就是實(shí)際的R , G ,B 值，一個(gè)像素是由3 個(gè)字節24位組成， 前8 位表示B , 中間8 位表示G , 后8 位表示R 。

　　由于硬件存儲資源的限制，取圖像像素的位深為3 ,總共可顯示8 種顏色。首先把BMP 圖像數據的RGB 分量分別讀出，并且各取1 位，即顏色分量值只能取值‘0’或‘1’。針對24 位真彩色圖像的特點(diǎn)，可對顏色分量值進(jìn)行粗略取樣，當顏色分量值f red >127 ,取f red = 1 ;反之取f red = 0。同理，顏色分量值f green , f blue 可取得相應的0 ,1二值。

　　最后在利用Visual C ++ 編寫(xiě)轉換程序時(shí)應注意，BMP 文件是從左至右，從下至上排列的，即讀文件時(shí)，最先讀到的是圖像最下面一行的左邊第一個(gè)像素，最后讀到的是最上面一行的最右邊一個(gè)像素，這與VGA 顯示器的掃描順序恰好相反。

　　3 結論

　　經(jīng)過(guò)硬件平臺的驗證，基于FPGA 的VGA 圖形顯示器已達到設計要求，可實(shí)現彩條、漢字、小圖像和大圖像的顯示，并可實(shí)現FPGA 器件對顯示器的單片控制。

　　由于受到存儲器件容量的限制，本設計中存儲的圖像數據所采用的像素位深為3 位，共可顯示8種顏色。在實(shí)際應用中，可以使用更大的存儲器，最終實(shí)現256 色圖像，乃至真彩色圖像的顯示。在此設計基礎上，通過(guò)使用SDRAM 等外部存儲器，利用DMA 控制方式，并且配合Altera 的nios 嵌入式軟核CPU ,可以在SOPC 開(kāi)發(fā)平臺上最終實(shí)現兼容SVGA ,TVGA 標準等的更復雜顯示控制器。