【從零開始走進(jìn)FPGA】 玩轉(zhuǎn)VGA

　　一、VGA的誘惑

　　首先，VGA的驅(qū)動(dòng)，這事，一般的單片機(jī)是辦不到的;由于FPGA的速度，以及并行的優(yōu)勢(shì)，加上可現(xiàn)場(chǎng)配置的優(yōu)勢(shì)，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(dāng)然ARM也可以，應(yīng)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，沒玩VGA就感到跟單片機(jī)沒啥提升，因此VGA的驅(qū)動(dòng)也不得不講。Bingo當(dāng)年也是如此。擋不住VGA的誘惑，初學(xué)者問Bingo VGA問題的人也是灰常的多，也許一般教科書理論太強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用不是很身后，在此Bingo用淺顯易懂的語言來講述VGA的驅(qū)動(dòng)原理，以及通過設(shè)計(jì)一個(gè)可移植模塊的應(yīng)用來講述。

　　二、VGA驅(qū)動(dòng)原理

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

　　1、VGA接口

　　最主要的幾根線：

　　更詳細(xì)的資料，請(qǐng)看 http://baike.baidu.com/view/10346.htm

　　2、VGA時(shí)序

　　VGA其實(shí)就是相當(dāng)于一塊芯片，跟單片機(jī)驅(qū)動(dòng)IC一樣，滿足一定的時(shí)序，便能驅(qū)動(dòng)起來。

　　(1)掃描軌跡

　　VGA的掃描其實(shí)很簡(jiǎn)單，大致軌跡如下所示：

　　沒掃描完一行，從新開始下一行;每掃完一場(chǎng)，重新開始下一場(chǎng)。相信你應(yīng)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(dāng)于還原掃描坐標(biāo)吧

　　B~C：場(chǎng)消隱后肩 相當(dāng)于準(zhǔn)備開始掃描吧

　　C~D：場(chǎng)顯示期 掃描中，數(shù)據(jù)有效區(qū)域

　　D~E：場(chǎng)消隱前肩 完成掃描，相當(dāng)于準(zhǔn)備同步

　　(4)HS時(shí)序深入分析

　　可見時(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(dāng)于還原掃描坐標(biāo)吧

　　B~C：行消隱后肩 相當(dāng)于準(zhǔn)備開始掃描吧

　　C~D：行顯示期 掃描中，數(shù)據(jù)有效區(qū)域

　　D~E：行消隱前肩 完成掃描，相當(dāng)于準(zhǔn)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)來表示。因此我們很容易就想到了FPGA常用的計(jì)數(shù)方法：比如說行掃描，我們計(jì)數(shù)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(biāo)注分配。其實(shí)這相當(dāng)于狀態(tài)機(jī)。

　　以下是固定分辨率1024*768 60fps下HS,VS的標(biāo)準(zhǔn)：

　　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(shù)字信號(hào)，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(shí)實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換芯片。見以下幾個(gè)方案：

　　DE1 VGA模擬電路

　　小馬哥電路圖

　　具體設(shè)計(jì)參考Bingo當(dāng)年總結(jié)：

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

　　或者參考小馬哥設(shè)計(jì)：

　　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) 專用視頻轉(zhuǎn)換芯片

　　利用專用視頻轉(zhuǎn)換芯片，ADV7120等，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為VGA RGB的模擬信號(hào)。ADV7120為高速D/A芯片，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸給VGA，電路如下：

　　三、可移植VGA模塊設(shè)計(jì)

　　Bingo玩VGA也算是比較早了，當(dāng)年也是視覺的誘惑，以及唯FPGA獨(dú)尊的優(yōu)勢(shì)。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(qū)動(dòng)模塊，發(fā)布至此。本模塊所有代碼均Bingo獨(dú)家創(chuàng)造，請(qǐng)尊重版權(quán)哈。

　　本設(shè)計(jì)已經(jīng)封裝成模塊，只要修改時(shí)序參數(shù)、掃描時(shí)鐘參數(shù)以及在vga_display.v中添加顯示電路，即可。方便移植，希望對(duì)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(jù)時(shí)序，用于描述VGA的顯示電路。

　　(4)vga_driver.v

　　VGA驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)時(shí)序，狀態(tài)的約束。

　　RTL圖如下所示：