VGA圖像控制器的CPLD/FPGA設計與實現(xiàn)

　　現(xiàn)代電子設計技術的核心是EDA技術。EDA技術依賴功能強大的計算機，在EDA軟件工具平臺上，以硬件描述語言VHDL為系統(tǒng)邏輯描述的主要手段完成系統(tǒng)設計。

　　利用可編程器件CPLD/FPGA實現(xiàn)VGA彩色顯示控制器在工業(yè)現(xiàn)場中有許多實際應用。以硬件描述語言VHDL對可編程器件進行功能模塊設計、仿真綜合，可實現(xiàn)VGA顯示控制器顯示各種圖形、圖像、文字，并實現(xiàn)了動畫效果。

VGA 接口及設計參數(shù)

　　VGA接口是與顯示器進行通信的唯一接口。通過CPLD/FPGA器件對RGB信號、行同步信號、場同步信號等信號的控制，并參照有關標準，可以實現(xiàn)對VGA顯示器的控制。由此可見，了解接口標準，控制時序和設定恰當?shù)膮?shù)是系統(tǒng)設計的關鍵。

　　參照VGA主要參數(shù)的工業(yè)標準，像素輸出頻率為25.175MHz；行頻(線頻率)為31.469KHz；場頻(刷新率)為59.94Hz。參數(shù)設計原理以及行同步信號(Ts)與顯示
　　信號(Tdis)的關系如圖1所示。

VGA 圖像控制器的設計方案

　　VGA圖像控制器是一個較大的數(shù)字系統(tǒng)。采用模塊化設計原則，借鑒自頂而下的程序設計思想，進行功能分離并按層次設計。將VHDL硬件描述語言設計與原理圖設計相結合，逐一對每個功能模塊進行仿真，使頂層VGA圖像控制器的模塊實體仿真綜合得以順利通過。VGA控制器主要由以下模塊組成：消隱模塊，顯示模塊，分頻模塊，網格生成模塊，漢字顯示模塊，圖像控制模塊，動畫生成模塊，LPM-ROM調用模塊，EEPROM調用模塊等。功能模塊的VHDL設計如下。

消隱模塊

　　消隱模塊是整個顯示控制器的關鍵部分，顯示模塊、漢字模塊、彩條模塊、網格模塊、動畫控制模塊、LPM-ROM調用模塊等都由消隱模塊控制，并且行同步信號(HS)和場同步信號(VS)都由該模塊產生。
圖2是消隱模塊的仿真結果。由于CLK頻率相當高，像素速率也很高，為了觀察HS、VS信號，適當縮小了波形比例。其中， C[9..0]為像素坐標值，L[8..0]為掃描線信號，也就是像素的橫坐標。

顯示模塊

　　顯示模塊是整個顯示控制器的重要組成部分。各個模塊的輸出數(shù)據都要經過該模塊處理后送到顯示器。顯示模塊在VGA顯示控制器中起著至關重要的作用。
顯示模塊的VHDL設計如下：

ARCHITECTURE BEHAVE OF DISPLAY IS
SIGNAL GRB: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1);
BEGIN
GRB(2)<=GRBP(2) AND HS AND VS;
GRB(3)<=GRBP(3) AND HS AND VS;
GRB(1)<=GRBP(1) AND HS AND VS;
R<=GRB(2);
G<=GRB(3);
B<=GRB(1);
END BEHAVE;

　　顯示模塊仿真波形如圖3所示。

　　GRBP為三原色數(shù)據信號，由模式控制模塊產生；行同步信號HS由消隱模塊產生；場同步信號VS由消隱模塊產生。輸出的R、G、B信號分別為紅色、綠色、藍色信號。

　　顯示模塊的輸出信號直接連到VGA接口，它是控制器與顯示器進行通信的橋梁。該模塊以VHDL語言實現(xiàn)，該模塊中的結構體描述一共只用了6條語句。而要實現(xiàn)同樣的功能，一般操作系統(tǒng)的視頻卡驅動程序需要冗長的代碼去描述。由此可見，VHDL語言具有很大的優(yōu)越性。

漢字生成模塊

　　漢字生成模塊可實現(xiàn)在顯示器上顯示漢字、字符等。字模信息可以利用字模提取軟件來獲得，得到了漢字的字模信息后，可以通過屏幕上的橫坐標和縱坐標按照字模信息定義像素的顏色，這樣就可以顯示任何字體、任何點陣的漢字，并根據需要決定漢字在屏幕上的位置。至于英文以及其他任何符號的顯示原理與漢字顯示的原理一樣。

網格生成模塊

　　網格生成模塊用來編輯各種圖形。網格生成模塊的實現(xiàn)原理與漢字生成模塊、彩條發(fā)生器類似，在像素的橫坐標和縱坐標控制下，實現(xiàn)各種網格圖形的生成。網格生成模塊所產生的九種圖形送顯示器依次顯示，所以可以看到網格由小到大逐漸變化，雖然不是動畫效果，但每秒一幀畫面的速度依然使圖像連續(xù)變化呈現(xiàn)出動感。網格以及背景的顏色也可以隨意設置。每幀圖像的速率可由時鐘來控制。

　　網格生成模塊的主要功能是編輯各種圖形，因此本模塊可以按照設計方案生成各種各樣的圖形。網格的選擇是一種比較簡單的圖像編輯，該部分雖然名為網格生成模塊，但實際上可以編輯出多種彩色圖像。

LPM-ROM調用模塊

　　LPM是參數(shù)可設置模塊庫。本設計中調用了三個LPM-ROM，其中兩個用來存放漢字信息，另一個用來存放動態(tài)彩條信息。調用LPM-ROM模塊，一個重要的問題就是*.mif文件的生成。這里文件生成借助字模提取軟件和WORD編輯功能。設置好參數(shù)后，生成元件作為自定義元件庫中的元件以供調用。

　　LPM-ROM調用模塊為不使用外掛ROM而建立字庫提供了條件，直接調用LPM模塊，可以大大提高效率。通過LPM-ROM可以在顯示器上顯示漢字、字符等。

EEPROM調用模塊

　　EEPROM調用模塊是設計的難點之一。該模塊實現(xiàn)了對系統(tǒng)外掛的兩個EEPROM(W27E040和W27C020)的訪問，通過該模塊可以使顯示器顯示各種各樣的彩色圖像。

圖像模式控制模塊

　　圖像模式控制模塊也是該數(shù)字系統(tǒng)的關鍵部分，它的主體部分是一個功能齊全的數(shù)據選擇器(32選1)。

　　該模塊由一個32選1數(shù)據選擇器和一個32進制可逆計數(shù)器組成。可逆計數(shù)器控制端為EC、DIR、CLR，MD為計數(shù)時鐘信號。計數(shù)結果(即對應一種模式)是數(shù)據選擇器進行選擇的依據，通過對可逆計數(shù)器的控制，可以實現(xiàn)對模式選擇的控制。

　　圖像控制模塊共產生了32種模式，由計數(shù)器實現(xiàn)了對模式的有效控制。其實圖像控制模塊功能還可以進一步擴展。計數(shù)器輸出為8比特，實際共有255種模式，在輸入的32個信號中，可以將它們其中的任意幾個進行再處理，如疊加、異或(棋盤格生成就是橫彩條與豎彩條的異或而實現(xiàn)的)、相與等等，這樣就可以產生成千上萬種圖形的輸出。

　　VGA控制器中的十余個模塊都采用VHDL語言實現(xiàn)，每個模塊在功能仿真無誤后生成元件，放入元件庫中，由頂層原理圖調用各個模塊(元件)。VGA圖像控制器整體設計經過調試，通過了MAX+PLUSⅡ的功能仿真、時序仿真以及硬件仿真綜合，在VGA顯示器上實現(xiàn)了所設計的各種功能。

結語

　　利用可編程邏輯器件可以很方便地實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設計，基于CPLD/FPGA器件的VGA控制器可以實現(xiàn)顯示器的實時顯示。該系統(tǒng)性能高低取決于系統(tǒng)設計方案，硬件描述語言設計以及開發(fā)工具的性能。