基于FPGA的VGA顯示控制器的設(shè)計(jì)

1.2.2 主控制器模塊
該模塊為顯示控制器的主要控制部分，通過對(duì)輸入緩沖的讀請(qǐng)求信號(hào)和輸出緩沖的寫請(qǐng)求信號(hào)處理，來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)SDRAM的讀、寫切換。上電后，該模塊接收從輸入緩沖中讀出的數(shù)據(jù)并將其寫入到SDRAM 1中，同時(shí)從SDRAM2中讀出數(shù)據(jù)，送入到輸出緩沖中，當(dāng)然最初讀出的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。當(dāng)SDRAM1中寫滿一幀圖像數(shù)據(jù)，即1024×768個(gè)有效數(shù)據(jù)后，該模塊對(duì)兩個(gè)SDRAM進(jìn)行讀、寫切換，即將接收數(shù)據(jù)寫入到SDRAM2中，同時(shí)從SDRAM 1中讀出數(shù)據(jù)，一直按此規(guī)則進(jìn)行讀、寫切換。兩個(gè)SDRAM的讀、寫地址發(fā)生器靠主控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 SDRAM控制器模塊
該模塊首先完成對(duì)SDRAM 的初始化，初始化過程為:上電后等待200 us，然后對(duì)所有BANK發(fā)預(yù)充命令，接著發(fā)出八個(gè)自動(dòng)刷新命令，然后進(jìn)行模式設(shè)置，模式設(shè)置時(shí)將SDRAM設(shè)置成連續(xù)的全頁并發(fā)模式，即512并發(fā)。
初始化結(jié)束后，SDRAM進(jìn)入正常工作狀態(tài)，準(zhǔn)備接收讀、寫命令。當(dāng)SDRAM在空閑狀態(tài)下，為保持其數(shù)據(jù)不丟失，必須對(duì)其進(jìn)行定時(shí)刷新，一般要求64ms內(nèi)刷新4096次，通常根據(jù)時(shí)鐘頻率，用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)鐘脈沖到15.625 us時(shí)，發(fā)自動(dòng)刷新命令，但是當(dāng)SDRAM在進(jìn)行讀、寫進(jìn)發(fā)時(shí)，自動(dòng)刷新命令會(huì)打斷讀、寫，從而造成數(shù)據(jù)丟失。該設(shè)計(jì)中，由于在64ms內(nèi)對(duì)SDRAM至少進(jìn)行4096次讀、寫操作，所以可以不必對(duì)其進(jìn)行刷新。
由于SDRAM被設(shè)置成全頁并發(fā)，預(yù)充命令可停止并發(fā)，所以當(dāng)SDRAM讀、寫到511時(shí)，發(fā)出預(yù)充命令，來停止并發(fā)，同時(shí)關(guān)閉當(dāng)前行，為下一次讀、寫作好準(zhǔn)備。SDRAM初始化后，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 SDRAM初始化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1.2.4 時(shí)序發(fā)生器模塊
該模塊為輸出行、場(chǎng)同步產(chǎn)生模塊，利用FPGA內(nèi)部時(shí)鐘鎖相環(huán)倍頻后的65MHZ的主時(shí)鐘產(chǎn)生符合VESA標(biāo)準(zhǔn)的分辨率為1024×768、幀頻為60HZ的標(biāo)準(zhǔn)XGA格式的行、場(chǎng)同步信號(hào)，同時(shí)在行、場(chǎng)參考信號(hào)都有效時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給輸出緩沖模塊，作為輸出緩沖的讀使能信號(hào)。根據(jù)VESA標(biāo)準(zhǔn)，分辨率為1024×768、幀頻為60HZ的標(biāo)準(zhǔn)XGA信號(hào)的象素時(shí)鐘為65MHZ，行同步信號(hào)的有效時(shí)間相當(dāng)于1024個(gè)象素時(shí)鐘周期，同步頭寬度相當(dāng)于136個(gè)象素時(shí)鐘周期，前肩寬度為相當(dāng)于26個(gè)象素時(shí)鐘周期，后肩寬度為相當(dāng)于162個(gè)象素時(shí)鐘周期。場(chǎng)同步信號(hào)的有效時(shí)間相當(dāng)于768個(gè)行周期長(zhǎng)度，同步頭為6個(gè)行周期長(zhǎng)度，前肩為3個(gè)行周期長(zhǎng)度，后肩為29個(gè)行周期長(zhǎng)度。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)行、場(chǎng)參考信號(hào)都有效時(shí)，一幅圖像可輸出1024×768個(gè)有效數(shù)據(jù)。該模塊的時(shí)序仿真波形如圖4所示。

1.2.5 輸出緩沖模塊
該模塊為深度為1024、寬度為16bit的異步FIFO(先進(jìn)先出)，寫時(shí)鐘和讀時(shí)鐘同為65MHZ的主時(shí)鐘，SDRAM初始化結(jié)束后，該模塊先從SDRAM2中讀出1024個(gè)數(shù)據(jù)，然后才使時(shí)序發(fā)生器模塊開始工作，當(dāng)讀使能有效時(shí)，在讀時(shí)鐘同步下，讀地址計(jì)數(shù)器從0到1023循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到100或700時(shí)，該模塊向主控制器模塊發(fā)寫請(qǐng)求命令，從而每次可從SDRAM中連續(xù)讀出512個(gè)數(shù)據(jù)，由于在輸出行、場(chǎng)消隱期間，讀使能信號(hào)無效，所以，不會(huì)產(chǎn)生讀空現(xiàn)象。

1.2.6 色空間轉(zhuǎn)換模塊
輸出緩沖模塊輸出YCbCr(4:2:2)格式的信號(hào)，其輸出順序如表1所示。本設(shè)計(jì)采用臨近插值法，插值后的YCbCr格式如表2所示。
表1 YCbCr(4:2:2)圖像格式 Y0Cb0 Y1Cr0 Y2Cb2 Y3Cr2 Y4Cb4 Y5Cr4 ……

表2 插值后的YCbCr圖像格式 Y0Cb0Cr0 Y1Cb2Cr0 Y2Cb2Cr2 Y3Cb4Cr2 Y4Cb4Cr2 ……
YCbCr色空間到RGB色空間的轉(zhuǎn)換公式為：

其中Y的范圍是(16，235)，Cb、Cr的范圍是(16，240)，為了防止相減后為負(fù)出現(xiàn)溢出，對(duì)轉(zhuǎn)換公式變形得:

用VHDL語言描述小數(shù)乘法時(shí)，通常是將小數(shù)擴(kuò)大2的整數(shù)冪次方倍后，取整進(jìn)行乘法運(yùn)算，然后將結(jié)果進(jìn)行移位操作。當(dāng)需要對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行四舍五入時(shí)，可以在運(yùn)算時(shí)加0.5，然后對(duì)運(yùn)算結(jié)果取整。下面將對(duì)R的運(yùn)算過程進(jìn)行描述，運(yùn)算精度取11位。
R=(1.164Y+1.596Cr)-222.912+0.5
= (1.164Y+1.596Cr)-222.412
= (1/211) [(2384Y+3296Cr)-455499]
將方括號(hào)中的運(yùn)算結(jié)果右移11位，即可得到R的值。Cb、Cr的運(yùn)算過程與此類似。
色空間轉(zhuǎn)換模塊輸出24bit RGB(8:8:8)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，配合時(shí)序發(fā)生器模塊產(chǎn)生的行、場(chǎng)同步信號(hào)，即可在VGA顯示器上顯示。
色空間轉(zhuǎn)換模塊之所以放在輸出緩沖模塊后，主要是為了減少輸入緩沖和輸出緩沖模塊中的先進(jìn)先出及SDRAM的存儲(chǔ)空間，如在相同精度下，SDRAM存儲(chǔ)一幀圖像將會(huì)占用1024×768×24bit的存儲(chǔ)空間，色空間轉(zhuǎn)換模塊放在輸出緩沖模塊后，將會(huì)減少1/3的存儲(chǔ)空間。

2 顯示控制器的硬件實(shí)現(xiàn)
該顯示控制器是基于Xilinx公司的Spartan-IIE系列FPGA XC2S300E-6-PQ208C設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。此FPGA邏輯資源豐富，其內(nèi)有30萬個(gè)系統(tǒng)門，6912個(gè)邏輯單元(LC)，1536個(gè)可配置邏輯快(CLB)，64Kbit的塊RAM，146個(gè)可用的I/O口，4個(gè)數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DLL)。塊RAM可實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)，延遲鎖相環(huán)可對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行管理，可自動(dòng)調(diào)整并消除輸入時(shí)鐘與FPGA內(nèi)部時(shí)鐘之間的相位偏移，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘的分頻、倍頻和移相。
用于幀緩存的兩個(gè)SDRAM 的型號(hào)為HY57V281620HCST，此SDRAM 為Hynix公司生產(chǎn)的高速存儲(chǔ)器，其內(nèi)有四個(gè)Bank，每個(gè)Bank的存儲(chǔ)空間為2M×16bit，可應(yīng)用于需存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

3 結(jié)論與展望
本文設(shè)計(jì)的顯示控制器具有很強(qiáng)的靈活性，當(dāng)輸入圖像格式改變時(shí)，只需在色空間轉(zhuǎn)換模塊做相應(yīng)修改，便可實(shí)現(xiàn)不同格式圖像的VGA顯示?；谠擄@示控制器而研發(fā)的高分辨率監(jiān)控?cái)z像機(jī)、數(shù)字視頻展臺(tái)等產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用在教育、銀行、煤礦、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。