【從零開(kāi)始走進(jìn)FPGA】 玩轉VGA

　　一、VGA的誘惑

　　首先，VGA的驅動(dòng)，這事，一般的單片機是辦不到的;由于FPGA的速度，以及并行的優(yōu)勢，加上可現場(chǎng)配置的優(yōu)勢，VGA的配置，只有俺們FPGA可以勝任，也只有FPGA可以隨心所欲地配置(當然ARM也可以，應用比較高吧)。

　　初學(xué)者就是喜歡看炫的效果，往往會(huì )忍不住想玩。尤其玩FPGA的，沒(méi)玩VGA就感到跟單片機沒(méi)啥提升，因此VGA的驅動(dòng)也不得不講。Bingo當年也是如此。擋不住VGA的誘惑，初學(xué)者問(wèn)Bingo VGA問(wèn)題的人也是灰常的多，也許一般教科書(shū)理論太強，實(shí)際應用不是很身后，在此Bingo用淺顯易懂的語(yǔ)言來(lái)講述VGA的驅動(dòng)原理，以及通過(guò)設計一個(gè)可移植模塊的應用來(lái)講述。

　　二、VGA驅動(dòng)原理

　　此處Bingo不參考任何資料，用當年已學(xué)的知識，用淺顯易懂的語(yǔ)言講述。

　　1、VGA接口

　　最主要的幾根線(xiàn)：

　　更詳細的資料，請看 http://baike.baidu.com/view/10346.htm

　　2、VGA時(shí)序

　　VGA其實(shí)就是相當于一塊芯片，跟單片機驅動(dòng)IC一樣，滿(mǎn)足一定的時(shí)序，便能驅動(dòng)起來(lái)。

　　(1)掃描軌跡

　　VGA的掃描其實(shí)很簡(jiǎn)單，大致軌跡如下所示：

　　沒(méi)掃描完一行，從新開(kāi)始下一行;每掃完一場(chǎng)，重新開(kāi)始下一場(chǎng)。相信你應該看的懂。

　　(2)行場(chǎng)掃描

　　以下是行掃描，場(chǎng)掃描HS，VS時(shí)序圖

　　如上如所示：VGA一直在掃描，沒(méi)一場(chǎng)的掃描包括了若干行掃描，如此循環(huán)。

　　(3)VS時(shí)序深入分析

　　VS時(shí)序如下所示：

　　可見(jiàn)時(shí)序的循環(huán)，可被劃分為a，b，c，d4個(gè)時(shí)期。這四個(gè)時(shí)期定義如下：

　　A~B：場(chǎng)消隱期 即同步，相當于還原掃描坐標吧

　　B~C：場(chǎng)消隱后肩 相當于準備開(kāi)始掃描吧

　　C~D：場(chǎng)顯示期 掃描中，數據有效區域

　　D~E：場(chǎng)消隱前肩 完成掃描，相當于準備同步

　　(4)HS時(shí)序深入分析

　　可見(jiàn)時(shí)序的循環(huán)，可被劃分為a，b，c，d4個(gè)時(shí)期。這四個(gè)時(shí)期定義如下：

　　A~B：行消隱期 即同步，相當于還原掃描坐標吧

　　B~C：行消隱后肩 相當于準備開(kāi)始掃描吧

　　C~D：行顯示期 掃描中，數據有效區域

　　D~E：行消隱前肩 完成掃描，相當于準備同步

　　綜上描述，我們只要知道每個(gè)時(shí)期的時(shí)間，便可以表示出VGA的時(shí)序。而FPGA的工作是由固定頻率的時(shí)鐘觸發(fā)的，因此某固定時(shí)間可以用n次觸發(fā)來(lái)表示。因此我們很容易就想到了FPGA常用的計數方法：比如說(shuō)行掃描，我們計數0~H_total-1。用另一個(gè)進(jìn)程將其劃分為4個(gè)時(shí)期，安標注分配。其實(shí)這相當于狀態(tài)機。

　　以下是固定分辨率1024*768 60fps下HS,VS的標準：

　　用代碼表示4個(gè)時(shí)期，如下：

　　// VGA_1024_768_60fps_65MHz

　　// Horizontal Parameter( Pixel )

　　parameter H_DISP = 11'd1024,

　　parameter H_FRONT = 11'd24,

　　parameter H_SYNC = 11'd136,

　　parameter H_BACK = 11'd160,

　　parameter H_TOTAL = 11'd1344,

　　// Virtical Parameter( Line )

　　parameter V_DISP = 10'd768,

　　parameter V_FRONT = 10'd3,

　　parameter V_SYNC = 10'd6,

　　parameter V_BACK = 10'd29,

　　parameter V_TOTAL = 10'd806

　　3、VGA電路

　　(1)三原色

　　VGA接口：R,G,B三通道，直接賦給數字信號，RGB，最多產(chǎn)生8種色彩。這是最基本的。電路如下所示：

　　(2)真彩顯示

　　a) 電阻網(wǎng)絡(luò )

　　考慮到成本意識實(shí)現的簡(jiǎn)易方案，用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò )分流模擬DAC替換ADV7123視頻轉換芯片。見(jiàn)以下幾個(gè)方案：

　　DE1 VGA模擬電路

　　小馬哥電路圖

　　具體設計參考Bingo當年總結：

　　http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/07/31/1789323.html

　　或者參考小馬哥設計：

　　http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=3582675&bbs_page_no=1&search_mode=2&search_text=VGA&bbs_id=9999

　　b) 專(zhuān)用視頻轉換芯片

　　利用專(zhuān)用視頻轉換芯片，ADV7120等，將數字信號轉換為VGA RGB的模擬信號。ADV7120為高速D/A芯片，將數字信號轉換為模擬信號輸給VGA，電路如下：

　　三、可移植VGA模塊設計

　　Bingo玩VGA也算是比較早了，當年也是視覺(jué)的誘惑，以及唯FPGA獨尊的優(yōu)勢。于是之后一發(fā)而不可收拾。本章Bingo將自己這些年最終優(yōu)化的VGA驅動(dòng)模塊，發(fā)布至此。本模塊所有代碼均Bingo獨家創(chuàng )造，請尊重版權哈。

　　本設計已經(jīng)封裝成模塊，只要修改時(shí)序參數、掃描時(shí)鐘參數以及在vga_display.v中添加顯示電路，即可。方便移植，希望對大家有用。

　　1、模塊劃分

　　(1)vga_design.v

　　工程頂層文件，例化各個(gè)模塊。

　　(2)sys_ctrl.v

　　PLL時(shí)鐘分配電路。

　　(3)vga_display.v

　　顯示電路，根據時(shí)序，用于描述VGA的顯示電路。

　　(4)vga_driver.v

　　VGA驅動(dòng)電路，對時(shí)序，狀態(tài)的約束。

　　RTL圖如下所示：