至芯入门实验|基于 FPGA 的屏幕自检程序设计

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1.  实验 引言
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VGA (Video Graphics Array，视频图形阵列)：是 IBM 于 1987 年提出的一个使用类比讯号的电脑显示标准。VGA 是最多制造商所共同支持的一个低标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程式之前，都必须支持 VGA 的标准。
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2.  实验 目的
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学习用 FPGA 编写 VGA 驱动，驱动液晶屏分时显示不同的颜色，模拟计算机的屏幕自检程序。

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3 ． 实验内容
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本实验我们用 FPGA 驱动液晶屏分时显示六种不同的颜色，首先编写出一个通用的 VGA 驱动，然后通过状态机每隔一段时间就改变待显示的数据，以此来实现显示不同色彩的功能。
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4.  实验 原理
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1)VGA 扫描方式
显示器扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描：逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点扫描，每扫描完一行，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；当扫描完所有的行，形成一帧，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐，开始下一帧。隔行扫描是指电子束扫描时每隔一行扫一线，扫完一屏后再返回来扫描剩下的线，隔行扫描的显示器闪烁快速，可能会使使用者眼睛疲劳（本实验采用逐行扫描的方式）
2)VGA 行、列同步时序
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说明：VGA 中定义行时序和列时序都需要同步脉冲（a 段），显示后沿（b 段）、显示时序段（c 段）和显示前沿（d 段）四部分。VGA 工业标准显示模式要求：行同步、列同步都为负极性，即同步脉冲要求是负脉冲。
由 VGA 行时序可知：每一行都有一个负极性行同步脉冲（a 段），是数据行的结束标志，同时也是下一行的开始标志。在同步脉冲之后为显示后沿（b 段），在显示时序段（c 段）显示器为亮的过程，RGB 数据驱动一行上的每一个像素点，从而显示一行。在一行的最后为显示前沿（d 段）。在显示时间段之外没有图像投射到屏幕，而是插入消隐信号。同步脉冲、显示后沿和显示前沿都是在行消隐间隔内，当消隐有效时，RGB 信号无效，屏幕不显示数据。VGA 的行时序与列时序基本一致，此处不再赘述。
3)VGA 显示标准
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说明：以本实验的显示标准 640*480*60Hz 为例。(640 为列数，480 为行数，60Hz 为刷新一屏的频率)
行时序：屏幕对应的行数为 525（a+b+c+d=e 段），其中 480（c 段）为显示行；每行均有行同步信号（a 段），为 2 个行周期的低电平；
列时序：每个显示行包括 800 列（a+b+c+d=e 段），其中 640（c 段）为有效显示区，每列均有列同步信号（a 段），为 96 个行周期的低电平。
时钟频率：25MHz

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5.  硬件 设计
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由原理图可知，R、G、B 的位宽分别为 3、3、2。一共可以出现 256 种颜色组合。

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6.  系 统 结构框 图
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系统端口及其意义如下：
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7.  代码解释
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以下代码是根据 640*480*60Hz 显示模式下的具体行、场扫描时序参数而列出的具体各时序范围，由于“C 段”才是像素有效显示区，因此我们可以计算出有效显示区范围内的坐标点。

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由于我们在驱动 VGA 的时候选择的是逐行扫描的方式，因此只有在当前行扫描结束以后，才能开始扫描下一行（场扫描切换），以下代码实现的功能就是从屏幕最左侧开始先扫描第一行，第一行扫描结束再跳转到屏幕最左侧，开始扫描第二行，以此类推，直到扫描结束整个屏幕，实现逐行扫描。
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以下代码中，dat_act 为高电平代表有效显示区域（行、列都处在 C 段），说明可以显示颜色。同时我们需要给出行、场同步信号，根据时序图可知，在 a段范围内，行同步信号 hsync 和场同步信号 vsync 都为低电平，否则为高电平。
程序清单 有效显示区域标定
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以下代码，我们通过一个延时计数器产生 switch 信号，状态机检测到 switch信号为高电平时，状态跳转，同时改变待显示数据的值，驱动液晶显示不同颜色，从而实现颜色切换。
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8.  程序清单
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(1)工程顶层模块（文件名 VGA.v）
该模块为工程顶层模块，负责将时钟分频模块（PLL.v）、VGA 驱动模块（vga_driver.v）按照逻辑关系级联。
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(2) VGA 驱动模块（文件名 vga_driver.v）
该模块为 VGA 驱动模块，负责驱动液晶显示出分时变换的颜色。
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