FPGA快速入门-VGA显示

FPGA快速入门-VGA显示
设计背景：
    VGA (Video Graphics Array) 即视频图形阵列，是IBM于1987年随PS/2机(PersonalSystem 2)一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。但在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域取得了广泛的应用，是众多制造商所共同支持的一个低标准。

设计原理:
    VGA的实体图与接口示意图，如下图所示，它有15个针孔：

    在开发板（ZX_1）中，VGA的电路原理图如下图所示：

    通过原理图，我们不难发现，VGA需要我们控制的接口只有5个：
信号定义        信号描述
Hsyns（行同步）        扫描一行
Vsync（场同步）        扫描一场
Red        红色
Green        绿色
Blue        蓝色
显示器的扫描规律是什么？本设计采用逐行扫描，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。通过这种扫描规律，很容易看出，在设计两个有效范围计数器时，场同步信号计数器是以行同步信号计数器为周期的。
    VGA的显示标准如下表所示：

对于普通的VGA显示器都要严格遵循“VGA工业标准”，否则可能会损害VGA显示器，因此我们在设计时VGA控制器时，都需要参考显示器的显示标准，下面是VGA的行扫描时序与场扫描时序：
    行扫描时序：

    场扫描时序：


根据上述显示器的扫描参数以及扫描时序，例如800*600@60的显示模式，60指得是显示器图像的刷新频率，时钟40MHz指得是一个像素输出的频率。800*600为VGA的分辨率，指有效显示区域为时序中的c段只有800*600，也就是行计数在[216,1016]，列计数在[27,627]，在这个范围内，给RGB色值才会有效。
在VGA 工业标准显示模式要求：行同步、场同步都为负极性，即同步脉冲要求是负脉冲。行同步信号上电拉高，在行同步计数为0时拉低a个时钟周期，即128，之后拉高，在行同步计数到1055时，行同步计数器清零，场同步计数器加1。在行扫描时序中，扫描计数时，周期就是一个像素点的时间。
场同步信号上电拉高，在场同步计数为0时拉低场同步a个时钟周期，即4，之后拉高，在场同步计数到627时，场同步计数器清零。
在VGA控制器中，还需要控制三个接口，即三种基色（R、G、B），它们共专用8位，分别是Red为3位，Green为3位，Blue为3位，所以可以显示256种颜色，RGB数据的格式如下表所示：


设计架构图:
本设计选择的VGA显示标准为800*600@60，实现点亮整个屏幕，并显示为全红。通过分析设计的功能，可以得到如下的顶层架构：

    vga_pll模块是为了满足分辨率800*600@60的时钟为40MHz，而ZX_1开发板的系统时钟为50MHz，通过锁相环，将50MHz转化为40MHz。vga_control模块是为了设定行场同步信号，并标定出有效显示区域，并输出控制颜色的po_rgb信号。为了便于移植，根据800*600@60分辨率下的参数，对其进行参数化定义。

设计代码:
    VGA控制器代码：
0  0   module vga_control (pi_clk, pi_rst_n, po_hs, po_vs, po_rgb);
1      
2       input pi_clk, pi_rst_n; //系统时钟复位
3       output reg po_vs;  //VGA场同步信号
4       output reg po_hs;   //VGA行同步信号
5       output [7:0] po_rgb;    //VGA场红绿蓝三基色
6      
7       //----------------VGA时序-----------------------------------
8       //      显示模式        时钟     
9       //      800*600@60  40MHz   
10      //行/场   同步(a)   消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(e)
11      //hs        128     88              800         40              1056
12      //vs        4           23              600         1               628
13      
14      //  行(Horizontal)扫描   Parameter （像素）
15      parameter   H_A =   128;
16      parameter   H_B =   80;
17      parameter   H_C =   800;
18      parameter   H_D =   40;
19      parameter   H_E   = 1056;
20      
21      
22      //  场(Vertical)扫描 Parameter （行数）
23      parameter   V_A =   4;
24      parameter   V_B =   23;
25      parameter   V_C =   600;
26      parameter   V_D =   1;
27      parameter   V_E =   628;
28      
29      //行扫描计数器，
30      reg [10:0] hcnt;
31      
32      always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
33      begin
34          if (!pi_rst_n)
35              hcnt <= 11'd0;
36          else
37              begin
38                  if (hcnt == (H_E - 1'b1)) //扫描完一行像素
39                      hcnt <= 11'd0;
40                  else
41                      hcnt <= hcnt + 1'b1;
42              end
43      end
44      
45      //场扫描计数器
46      reg [10:0] vcnt;  
47      
48      always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
49      begin
50          if (!pi_rst_n)
51              vcnt <= 11'd0;
52          else if (vcnt == (V_E - 1'b1))
53              vcnt <= 11'd0;
54          else if (hcnt == (H_E - 1'b1))
55              vcnt <= vcnt + 1;
56      end     
57
58      //行同步输出
59      always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
60      begin
61          if (!pi_rst_n)
62              po_hs <= 1'b1;
63          else if (hcnt < H_A)
64              po_hs <= 1'b0;
65          else
66              po_hs <= 1'b1;
67      end
68      
69      //assign po_hs = (hcnt <= H_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
70      
71      //场同步输出
72      always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
73      begin
74          if (!pi_rst_n)
75              po_vs <= 1'b1;
76          else if (vcnt < V_A)
77              po_vs <= 1'b0;
78          else
79              po_vs <= 1'b1;
80      end
81      
82      //assign po_vs = (vcnt <= V_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
83      
84      wire rgb_en;
85      
86      assign rgb_en = (hcnt >= H_A + H_B  && hcnt < H_A + H_B + H_C) &&
87                          (vcnt >= V_A + V_B  && vcnt < V_A + V_B+ V_C) ? 1'b1 : 1'b0;
88      
89      assign po_rgb = rgb_en ? 8'b111_000_00 : 8'b0000_0000;
90      
91  endmodule
顶层文件如下所示：
0   module vga_display_pure (pi_clk, pi_rst_n, po_hs, po_vs, po_rgb);
1      
2       input pi_clk, pi_rst_n; //系统时钟复位
3       output po_vs;  //VGA场同步信号
4       output po_hs;   //VGA行同步信号
5       output [7:0] po_rgb;    //VGA场红绿蓝三基色
6      
7       //----------------VGA时序-----------------------------------
8       //      显示模式        时钟     
9       //      800*600@60  40MHz   
10      //行/场   同步(a)   消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(e)
11      //hs        128     88              800         40              1056
12      //vs        4           23              600         1               628
13      
14      wire vga_clk;
15      
16      vga_pll vga_pll_dut(
17          .areset(~pi_rst_n),
18          .inclk0(pi_clk),
19          .c0(vga_clk)
20      );
21      
22      vga_control vga_control_dut(
23          .pi_clk(vga_clk),
24          .pi_rst_n(pi_rst_n),
25          .po_hs(po_hs),
26          .po_vs(po_vs),
27          .po_rgb(po_rgb)
28      );
29      
30  endmodule
通过编译后生成的RTL视图如下：

  
为了验证本设计的逻辑正确性，我们先对其进行了仿真，在仿真时，为了减少仿真的时间，先将行、场扫描的对应参数，进行了缩放，这样不仅节约了仿真时间，同时由于扫描数据量变少，更加便于分析观察。其仿真代码所示；
0   `timescale 1ns/1ps  //仿真时间精度时间单位
1
2   module vga_display_pure_tb;
3      
4       reg pi_clk, pi_rst_n; //系统时钟复位
5       wire  po_vs;  //VGA场同步信号
6       wire  po_hs;    //VGA行同步信号
7       wire  [7:0] po_rgb; //VGA场红绿蓝三基色
8      
9       //初始化数据，并附相应初值
10      initial begin
11          pi_clk = 0;
12          pi_rst_n = 0;  
13          #200.1 pi_rst_n = 1;  
14         
15      end
16
17      vga_display_pure vga_display_pure_inst (
18          .pi_clk(pi_clk),
19          .pi_rst_n(pi_rst_n),
20          .po_hs(po_hs),
21          .po_vs(po_vs),
22          .po_rgb(po_rgb)
23      );
24      
25      always #10 pi_clk = ~pi_clk;  //50MHz时钟描述
26
27  endmodule

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