FPGA强化-VGA显示设计与验证

7. vga显示器驱动设计与验证

图像显示设备在日常生活中随处可见，例如家庭电视机、计算机显示屏幕等，这些设备之所以能够显示我们需要的数据图像信息，归功于视频传输接口。常见的视频传输接口有三种：VGA接口、DVI接口和HDMI接口，目前的显示设备都配有这三种视频传输接口。

三类视频接口的发展历程为VGA→DVI→HDMI。其中VGA接口出现最早，只能传输模拟图像信号；随后出现的DVI接口又分为三类：DVI-A、DVI-D、DVI-I，分别可传输纯模拟图像信号、纯数字图像信号和兼容模拟、数字图像信号；最后的HDMI在传输数字图像信号的基础上又可以传输音频信号。

因为FPGA在图像传输、处理方面有不可或缺的作用，所以学习掌握视频传输的相关知识是的非常有必要的，本章节我们就从最简单的VGA接口开始着手学习，了解掌握VGA接口的相关知识，为后续其他视频接口的学习做铺垫。

本章节读者要学习掌握VGA视频接口的基本知识和概念，了解掌握VGA接口时序。根据所学知识设计一个VGA显示控制器，并在VGA显示器上进行多色彩条显示。

7.1. 理论学习

实战之前的理论学习是必不可少的，在本小结中，我们针对VGA的基本知识和概念做一个系统性的介绍，希望读者能够理解掌握，这对后面的实战大有裨益。

7.1.1. VGA简介

VGA，英文全称"Video Graphics Array"，译为视频图形阵列，是一种使用模拟信号进行视频传输的标准协议，由IBM公司于1987年推出，因其分辨率高、显示速度快、颜色丰富等优点，广泛应用于彩色显示器领域。由于VGA接口体积较大，与追求小巧便携的笔记本电脑背道而驰，在笔记本电脑领域，V GA接口已被逐渐淘汰，但对于体积较大的台式机，这种情况并未发生，虽然VGA标准在当前个人电脑市场中已经过时，但因其在显示标准中的重要性和良好的兼容性，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己独特驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。

早期的CRT显示器只能接收模拟信号，不能接收数字信号，计算机内部显卡将数字信号转换成模拟信号，通过VGA接口传给VGA显示器，虽然现如今许多种类的显示器可以直接接收数字信号，但为了兼容显卡的VGA接口，大都支持VGA标准。

7.1.2. VGA接口及引脚定义

在最初的应用中，VGA接口常用于计算机与VGA显示器之间的图像传输，在台式计算机、旧式笔记本电脑和VGA显示器上一般会有标准的VGA接口。VGA接口，具体见图 36‑1。

图 36‑1 VGA接口

VGA接口中以针式引出信号线的称为公头，以孔式引出信号线的称为母头。在计算机和VGA显示器上一般引出母头接口，使用两头均为公头的VGA连接线将计算机与VGA显示器连接起来，两者图像传输时，使用的是VGA图像传输标准，该标准的具体内容在后面小节会详细说明。VGA公头、母头接口和VGA连接线，具体见图 36‑2及图 36‑3。

图 36‑2 VGA接口（左侧为母头、右侧为公头）

图 36‑3 VGA连接线

虽然已经见识过VGA接口的外观，但对接口各引脚功能并没有进一步的认识，下面，我们结合VGA接口引脚图和各引脚定义表格，对VGA接口各引脚做一下简单介绍，具体见图 36‑4及表格 36‑1。

图 36‑4 VGA接口管脚图

表格 36‑1 VGA引脚定义

引脚	定义	引脚	定义
1	红基色(RED)	9	保留(各厂家定义不同)
2	绿基色(GREEN)	10	数字地(GND)
3	蓝基色(BLUE)	11	地址码0(ID BIT0)
4	地址码2(ID BIT2)	12	地址码1(ID BIT1)
5	自测试(各厂家定义不同)	13	行同步(HSYNC)
6	红色地(RGND)	14	场同步(VSYNC)
7	绿色地(GGND)	15	地址码3(ID BIT3)
8	蓝色地(BGND)

结合图 36‑4和表格 36‑1， VGA接口引脚简介如下：

由图可知，VGA接口共有15个引脚，分为3排，每排各5个，按照自上而下、从左向右的顺序排列。其中第一排的引脚1、2、3和第三排的引脚13、14最为重要。

VGA使用工业界通用的RGB色彩模式作为色彩显示标准，这种色彩显示标准是根据三原色中红色、绿色、蓝色所占比例多少及三原色之间的相互叠加得到各式各样的颜色。引脚1红基色(RED)、引脚2绿基色(GREEN)、引脚3蓝基色(BLUE)就是VGA接口中负责传输三原色的传输通道。要注意的是，这3个引脚传输的是模拟信号。

引脚13行同步信号(HSYNC)、引脚14场同步信号(VSYNC)，这两个信号，是在VGA显示图像时，负责同步图像色彩信息的同步信号。在后面小节中，我们会对这两个信号进行详细讲解。

引脚5、9：这两个引脚分别是VGA接口的自测试和预留接口，不过不同生产厂家对这两个接口定义不同，在接线时，两引脚可悬空不接。

引脚4、11、12、15：这四个是VGA接口的地址码，可以悬空不接。

引脚6、7、8、10：这四个引脚接地，无需解释。

7.1.3. VGA显示原理

VGA显示器显示图像，并不是直接让图像在显示器上显示出来，而是采用扫描的方式，将构成图像的像素点，在行同步信号和场同步信号的同步下，按照从上到下、由左到右的顺序扫描到显示屏上。VGA显示器扫描方式，具体见图 36‑5。

图 36‑5 VGA显示器扫描方式示意图

结合VGA显示器扫描方式示意图，我们简要说明一下VGA显示器的扫描规律。

在行、场同步信号的同步作用下，扫描坐标定位到左上角第一个像素点坐标；
自左上角(第一行)第一个像素点坐标，逐个像素点向右扫描(图中第一个水平方向箭头)；
扫描到第一行最后一个数据，一行图像扫描完成，进行图像消隐，扫描坐标自第一行行尾转移到第二行行首(图中第一条虚线)；
重复若干次扫描至最后一行行尾，一帧图像扫描完成，进行图像消隐，扫描坐标跳转回到左上角第一行行首(图中对角线箭头)，开始下一帧图像的扫描。

在扫描的过程中会对每一个像素点进行单独赋值，使每个像素点显示对应色彩信息，当一帧图像扫描结束后，开始下一帧图像的扫描，循环往复，当扫描速度足够快，加之人眼的视觉暂留特性，我们会看到一幅完整的图片，而不是一个个闪烁的像素点。这就是VGA显示的原理。

7.1.4. VGA时序标准

为了适应匹配不同厂家的VGA显示器，VGA视频传输接口有自己的一套VGA时序标准，只有遵循VGA的时序标准，才能正确的进行图像信息的显示。在这里我们以VESA VGA时序标准为例，为大家讲解一下VGA时序标准，具体见图 36‑6。

图 36‑6 VESA VGA时序标准图

由VESA VGA时序标准图可知，VGA时序由两部分构成，行同步时序与场同步时序，为了方便读者理解，我们将行同步时序与场同步时序分开讲解。

行同步时序，具体见图 36‑7。

图 36‑7 VESA标准下的行同步时序图

除去我们不需要关心的参数，我们对行同步时序图进行了精简，以便读者更好地理解，如图 36‑7所示。

图中Video代表传输的图像信息，HSync表示行同步信号。HSync自上升沿起到下一个上升沿止为一个完整周期，我们称之为行扫描周期。

一个完整的行扫描周期，包含6部分：Sync（同步）、Back Porch（后沿）、Left Border（左边框）、"Addressable" Video（有效图像）、Right Border（右边框）、Front Porch（前沿），这6部分的基本单位是pixel（像素），即一个像素时钟周期。

在一个完整的行扫描周期中，Video图像信息在HSync行同步信号的同步下完成一行图像的扫描显示，Video图像信息只有在"Addressable" Video（有效图像）阶段，图像信息有效，其他阶段图像信息无效。

HSync行同步信号在Sync（同步）阶段，维持高电平，其他阶段均保持低电平，在下一个行扫描周期的Sync（同步）阶段，HSync行扫描信号会再次拉高，其他阶段拉低，周而复始。

场同步时序，具体见图 36‑8。

图 36‑8 VESA标准下的场同步时序图

理解了行同步时序，场同步时序就更容易理解了，两者相类似，如图 36‑8所示，图中Video代表传输的图像信息，VSync表示场同步信号，VSync自上升沿起到下一个上升沿止为一个完整周期，我们称之为场扫描周期。

一个完整的场扫描周期，也包含6部分：Sync（同步）、Back Porch（后沿）、Top Border（上边框）、"Addressable" Video（有效图像）、Bottom Border（底边框）、Front Porch（前沿），与行同步信号不同的是，这6部分的基本单位是line（行），即一个完整的行扫描周期。

在一个完整的场扫描周期中，Video图像信息在HSync（行同步信号）和VSync（场同步信号）的共同作用下完成一帧图像的显示，Video图像信息只有在"Addressable" Video（有效图像）阶段，图像信息有效，其他阶段图像信息无效。

VSync行同步信号在Sync（同步）阶段，维持高电平，其他阶段均保持低电平，完成一个场扫描周期后，进入下一帧图像的扫描。

综上所述，将行同步时序图与场同步时序图结合起来就构成了VGA时序图，具体见图 36‑9。

图 36‑9 VGA时序图

图中的红色区域表示在一个完整的行扫描周期中，Video图像信息只在此区域有效，黄色区域表示在一个完整的场扫描周期中，Video图像信息只在此区域有效，两者相交的橙色区域，就是VGA图像的最终显示区域。

以上就是对VGA时序的讲解，读者务必理解掌握，这对接下来的学习至关重要。

7.1.5. VGA显示模式及相关参数

行同步时序可分为6个阶段，对于这6个阶段的参数是有严格定义的，参数配置不正确，VGA不能正常显示。VGA显示器可支持多种分辨率，不同分辨率对应个阶段的参数是不同的，常用VGA分辨率时序参数，具体见图 36‑10。

图 36‑10 VGA不同分辨率相关参数

下面我们以经典VGA显示模式640x480@60为例，为读者讲解一下VGA显示的相关参数。

显示模式：640x480@60

640x480是指VGA的分辨率，640是指有效显示图像每一行有640个像素点，480是指每一帧图像有480行，640 * 480 = 307200 ≈ 300000，每一帧图片包含约30万个像素点，之前某品牌手机广告上所说的30万像素指的就是这个；@60是指VGA显示图像的刷新频率，60就是指VGA显示器每秒刷新图像60次，即每秒钟需要显示60帧图像。

时钟(MHz)：25.175MHz

这是VGA显示的工作时钟，像素点扫描频率。

行同步信号时序(像素)、场同步信号时序(行数)

行同步信号时序分为6段，Sync（同步）、Back Porch（后沿）、Left Border（左边框）、"Addressable" Video（有效图像）、Right Border（右边框）、Front Porch（前沿），这6段构成一个行扫描周期，单位为像素时钟周期。

同步阶段，参数为96，指在行时序的同步阶段，行同步信号需要保持96个像素时钟周期的高电平，其他几个阶段与此相似。

场同步信号时序与其类似，只是单位不再是像素时钟周期，而是一个完整的行扫描周期，在此不再赘述。

在这里，我们看回图 36‑10，由图可知，即使VGA显示分辨率相同，但刷新频率不同的话，相关参数也存在差异，如640x480@60、640x480@75，这两个显示模式虽然具有相同的分辨率，但是640x480@75的刷新频率更快，所以像素时钟更快，时序参数也有区别。

下面我们以显示模式640x480@60、640x480@75为例，学习一下时钟频率的计算方法。

行扫描周期 * 场扫描周期 * 刷新频率 = 时钟频率

640x480@60：

行扫描周期：800(像素)，场扫描周期：525(行扫描周期) 刷新频率：60Hz

800 * 525 * 60 = 25,200,000 ≈ 25.175MHz （误差忽略不计）

640x480@75：

行扫描周期：840(像素) 场扫描周期：500(行扫描周期) 刷新频率：75Hz

840 * 500 * 75 = 31,500,000 = 31.5MHz

在计算时钟频率时，读者要谨记一点，要使用行扫描周期和场扫描周期的参数进行计算，不能使用有效图像的参数进行计算，虽然在有效图像外的其他阶段图像信息均无效，但图像无效阶段的扫描也花费了扫描时间。

以上就是对VGA显示标准中分辨率相关参数的讲解，在编写VGA驱动时，我们要根据VGA显示模式的不同调整相关参数，只有这样VGA图像才能正常显示。

7.2. 实战演练

在上一小节中，我们对VGA接口及接口定义、VGA显示原理、时序标准、显示模式及相关参数做了详细讲解，望读者认真揣摩，理解掌握，这些理论基础对后面的实战至关重要，纸上谈兵之后，我们进入实战演练，在实战中加深对概念的理解。

7.2.1. 实验目标

实验目标：编写VGA驱动，使用FPGA开发板驱动VGA显示器显示十色等宽彩条， VGA显示模式为640x480@60。

实验效果，具体见图 36‑11。

图 36‑11 VGA彩条实验效果图

7.2.2. 硬件资源

在前文中我们提到，VGA只能识别模拟信号，而FPGA输出的图像信息为数字信号，在VGA的图像显示中，想要将数字图像信号转换为VGA能够识别的模拟信号有两种方法。其一，使用专业的转换芯片，如常用的转换芯片AD7123，这种方式更为稳定，但成本稍高；其二，使用权电阻网络实现数模转换，这种方式可以有效降低成本，征途Pro就是使用这种方法。

征途Pro开发板VGA部分原理图，如图 36‑12所示。

图 36‑12 VGA部分原理图

由图可知，征途Pro使用的RGB565图像模式，位宽为16bit，高5位表示红色，低5位表示蓝色，中间6位表示绿色。根据位宽不同，RGB图形格式还包括RGB232、RGB888等，数据位宽越大，表示颜色种类越多，显示图像越细腻。

VGA_D $15:0$ 表示FPGA传入权电阻网络的数字图像信号，经过权电阻网络的数模转换，生成能够被VGA识别的模拟图像信号VGA_R、VGA_G、VGA_B。

这三路模拟信号的电压范围为0V ~ 0.714V，0V代表无色，0.714V代表满色，电压高低由输入的数字信号决定。输入的R、G、B数字信号不同，输出的三原色红、绿、蓝电压不同，颜色深浅不同，三原色相结合可以产生多种颜色。

7.2.3. 程序设计

硬件资源介绍完毕，我们开始实验工程的程序设计。在本小节，我们采用先整体概括，再局部说明的方式对实验工程的各个模块进行讲解，详细内容如下。

7.2.3.1. 整体说明

注：本实验选用经典VGA显示模式640x480@60，理论时钟频率应为25.175MHz，为了便于时钟生成，我们使用25MHz的时钟代替25.175MHz的时钟，不会对实验造成影响，读者无需担心；接下来讲解中的相关参数与此显示模式相对应，事先告知，后续不再声明。

在本小节，我们先要对整个实验工程有一个整体认识，首先来看一下VGA彩条显示实验工程的整体框图，具体见图 36‑13。

图 36‑13 VGA彩条显示实验整体框图

由上图可知，本实验工程包括4个模块，各模块简介，具体见表格 36‑2。

表格 36‑2 VGA彩条显示工程模块简介

模块名称	功能描述
vga_colorbar	顶层模块
clk_gen	时钟生成模块，生成VGA驱动时钟
vga_ctrl	VGA时序控制模块，驱动VGA图像显示
vga_pic	图像数据生成模块，生成VGA待显示图像

结合图 36‑13和表格 36‑2，我们来说一下VGA彩条显示工程的工作流程。

系统上电后，板卡传入系统时钟(sys_clk)和复位信号(sys_rst_n)到顶层模块；
系统时钟由顶层模块传入时钟生成模块(clk_gen)，分频产生VGA工作时钟(vga_clk)，作为图像数据生成模块(vga_pic)和VGA时序控制模块(vga_ctrl)的工作时钟；
图像数据生成模块以VGA时序控制模块传入的像素点坐标(pix_x,pix_y)为约束条件，生成待显示彩条图像的色彩信息(pix_data)；
图像数据生成模块生成的彩条图像色彩信息传入VGA时序控制模块，在模块内部使用使能信号滤除掉非图像显示有效区域的图像数据，产生RGB色彩信息(rgb)，在行、场同步信号(hsync、vsync)的同步作用下，将RGB色彩信息扫描显示到VGA显示器，显示出彩条图像。

本小节以全局视角，对整个实验工程进行了概括，对各子功能模块做了简单介绍，简要说明了实验工程的工作流程，相信读者对实验工程有了整体了解。在后文中，我们将采取分述的方式，从设计、实现、仿真验证等方面，对各子功能模块进行详细介绍。

在此给读者留下一个思考问题：

思考题：实验工程中图像数据生成模块vga_pic，接收VGA时序控制模块vga_ctrl传入的像素点坐标(pix_x,pix_y)信号，并以此为约束条件产生并回传像素点色彩信息pix_data，为何VGA时序控制模块不直接在内部生成pix_data信号，而要多此一举，设计独立模块产生pix_data 信号？

读者请先独立思考该问题，在后文中我们会对该问题进行讲解。

7.2.3.2. 时钟生成模块

本小节先来介绍一下时钟生成模块(clk_gen)。

由上文可知，本次实验工程中，VGA显示模式为640*480@60，时钟频率为25MHz，而板卡晶振传入时钟频率为50MHz。时钟生成模块的作用就是将50MHz晶振时钟分频为25MHz的VGA工作时钟。

实现时钟分频有两种方法；一是使用IP核，可通过配置相关参数分频或倍频产生多种频率的时钟信号；二是编写逻辑代码实现时钟分频。这两种方法在前面章节均有详细介绍，读者若有遗忘，可返回查阅。

本模块采用第一种方法，调用IP核实现时钟分频。时钟生成模块框图，具体见图 36‑14。

图 36‑14 时钟生成模块框图

由图可知，本模块包括2路输入信号和2路输出信号。对模块输入输出信号的功能描述，具体见表格 36‑3。

表格 36‑3 时钟生成模块输入输出信号功能描述

信号	位宽	类型	功能描述
areset	1Bit	Input	复位信号，高电平有效
inclk0	1Bit	Input	50MHz晶振时钟输入
c0	1Bit	Output	输出分频后25MHzVGA工作时钟
locked	1Bit	Output	输出稳定时钟信号的指示信号

四路输入输出信号中，需要重点强调的信号有两路，输入复位信号areset和输出时钟锁定信号locked。

输入复位信号areset为整个PLL IP核的复位信号，要注意的是，该复位信号为高电平有效，故将系统复位信号sys_rst_n取反输入；

输出时钟锁定信号locked，作为输出稳定时钟信号的指示信号，因为IP核分频产生的分频时钟在信号初始位置会出现震荡，在时钟震荡过程中，locked保持低电平；震荡结束，分频时钟稳定后，locked信号赋值高电平，表示输出时钟稳定且可被其他模块使用。

因为本模块是调用内部IP核生成，无需进行波形图绘制和仿真验证。

7.2.3.3. VGA时序控制模块

本小节中我们开始VGA时序控制模块(vga_ctrl)的介绍，接下来我们会通过模块框图、波形图绘制、代码编写、仿真分析这几个部分，对本模块的设计、实现、仿真验证过程做一下详细介绍。

模块框图

VGA时序控制模块，作用是驱动VGA显示器，将输入模块的彩条图形像素点信息，按照VGA时序扫描显示到VGA显示器上。模块框图，具体见图 36‑15。

图 36‑15 VGA时序控制模块框图

由图 36‑15可知，VGA时序控制模块包含3路输入、5路输出，共8路信号，输入输出信号简介，具体见表格 36‑4。

表格 36‑4 VGA时序控制模块输入输出信号信号功能描述

信号	位宽	类型	功能描述
vga_clk	1Bit	Input	工作时钟，频率25MHz
sys_rst_n	1Bit	Input	复位信号，低电平有效
pi_data	16Bit	Input	彩条图像像素点色彩信息
pix_x	10Bit	Output	VGA有效显示区域像素点X轴坐标
pix_y	10Bit	Output	VGA有效显示区域像素点Y轴坐标
hsync	1Bit	Output	行同步信号
vsync	1Bit	Output	场同步信号
rgb	16Bit	Output	RGB图像色彩信息

输入信号中，时钟信号vga_clk，频率为25MHz，为VGA显示器工作时钟，由分频模块产生并输入；复位信号sys_rst_n为顶层模块的rst_n信号输入，低电平有效；pix_data为彩条图像像素点色彩信息，由图像数据生成模块产生并传入，在VGA有效图像显示区域赋值给信号RGB图像色彩信息(rg b)。

输出信号(pix_x,pix_y)为VGA有效显示区域像素点坐标，由VGA时序控制模块生成并传入图像数据生成模块；hsync、vsync为VGA行、场同步信号，通过VGA接口传输给VGA显示器；rgb为显示器要显示的图像色彩信息，传输给VGA显示器。

波形图绘制

在模块框图部分，我们对VGA时序控制模块的具体功能做了说明，对输入输出信号做了简单介绍，那么如何利用模块输入信号实现模块功能，输出我们想要得到的数据信号呢？在波形图绘制部分，我们会通过绘制波形图，对各信号做详细讲解，带领读者学习掌握模块功能的实现方法。

VGA时序控制模块参考波形图，具体见图 36‑16。

图 36‑16 VGA时序控制模块参考波形图

图 36‑16是我们最终绘制生成的VGA时序控制模块参考波形图，下面我们分部分讲解一下波形图绘制的具体思路。

**第一部分：**行同步信号(hsync)、场同步信号(vsync)的波形绘制思路

VGA显示器想要正确显示图像，行、场同步信号必不可少，前面小节我们对行、场同步信号的时序进行了详细讲解，由时序图可知，行同步信号为周期性信号，信号变化周期为完整的行扫描周期，信号在同步阶段保持高电平，在其他阶段保持低电平，那么如何实现行同步信号的周期性变化呢？

我们想到了前文学过的计数器，因为一个完整行扫描周期为800个像素时钟周期(640*480@60)，我们可以利用计数器以像素时钟周期进行计数，每一个像素时钟周期自加1，计数范围为0-799，共计数800次，与完整行扫描周期数相吻合。只要在行同步阶段(计数范围0-95)赋值hsync信号为高电平，其他阶段为低电平，就可以实现符合时序要求的行同步信号hsync。根据此设计思路，声明并绘制行扫描周期计数器cnt_h、行同步信号hsync信号波形如下：

图 36‑17 cnt_h、hsync信号波形图

同理，参考行同步信号波形的绘制思路，我们可以进行场同步信号波形的绘制，不过读者要注意的是，场扫描周期单位不是像素时钟周期，而是完整的行扫描周期，所以要添加场扫描周期计数器对行扫描周期进行计数，声明并绘制场扫描周期计数器cnt_v、场同步信号vsync信号波形如下：

图 36‑18 cnt_v、vsync信号波形图

**第二部分：**图像显示有效信号(rgb_valid)波形绘制思路

由上文可知，VGA只有在有效的显示区域内送入图像数据，图像才会被正确显示，那么在什么时候可以送入图像数据呢？

我们可以声明一个有效信号，在图像有效显示区域赋值高电平，在非图像有效显示区域赋值低电平，以此信号为约束条件，控制图像信号的正确输入，定义此信号为图像显示有效信号(rgb_valid)。

信号已经声明，那么问题来了，如何控制其电平变化，实现预期波形呢？

这里我们可以利用上一部分声明的cnt_h、cnt_v两个计数器，以其为约束条件，当两个计数器计数到图像有效显示区域时，rgb_valid赋值高电平，否则赋值低电平。绘制图像显示有效信号(rgb_valid)波形如下：

图 36‑19 rgb_valid信号波形图

**第三部分：**图像信息请求信号(pix_data_req)、VGA有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)波形绘制思路

在前面小节，我们为读者留下一个思考题，在此我们对问题进行解答。

因为我们在对功能模块进行设计时，不仅要考虑到模块功能的实现，模块的复用性也是考虑内容之一。在本实验工程中，如果VGA时序控制模块直接在内部生成pix_data信号，那么VGA时序控制模块只能显示彩条图像，想要显示其他图像需要重新编写代码或做较大改动，模块复用性大大降低，如果将图像数据生成功能独立出来，当想要显示其他图像时，只需要将要显示图像数据直接输入VGA时序控制模块即可，模块改动较小或不需要改动，模块复用性提高。

为了提高模块复用性，我们将图像数据生成功能独立出来，设计为图像数据生成模块vga_pic，虽然模块复用性提高，但这样就产生一个问题，怎样保证pix_data传输的图像数据与VGA时序相吻合呢？

结合之前学习的知识，我们知道只有在VGA有效显示区域，pix_data传输的图像数据才会传输给VGA显示器，那么我们可以只在VGA有效显示区域对pix_data进行赋值，如何实现这一想法呢？

我们可以使用cnt_h、cnt_v信号来确定VGA有效显示区域，将有效显示区域使用坐标法表示，针对不同坐标点对pix_data进行赋值，所以我们声明VGA有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)。

上面两个问题解决了，新的问题又来了，VGA有效显示区域为640*480，如何使像素点坐标(pix_x,pix_y)实现(0,0) -- (640,480)的坐标计数？

读者可能会想到使用已经声明的图像显示有效信号(rgb_valid)，但在此处不能使用该信号。

因为本次实验是VGA多色彩条的显示，图像数据生成模块vga_pic需要以坐标(pix_x,pix_y)为约束条件对pix_data信号进行赋值，只能使用时序逻辑的赋值方式，那么pix_data的赋值时刻会滞后条件满足时刻一个时钟周期，显示图像会出现问题。

为了解决这一问题，我们需要声明新的图像数据请求信号pix_data_req，该信号要超前图像显示有效信号(rgb_valid)一个时钟周期，以抵消pix_data时序逻辑赋值带来的问题。

综上所述，我们需要声明图像信息请求信号pix_data_req、VGA有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)这三路信号来解决之前提到的若干问题。对于pix_data_req信号的电平控制可参考rgb_valid信号的控制方式，以cnt_h、cnt_v信号为约束条件；坐标(pix_x,pix _y)则以新声明的pix_data_req信号为约束条件控制生成，三路信号绘制波形图如下：

图 36‑20 pix_data_req、 pix_x、pix_y信号波形图

**第四部分：**RGB色彩信息(rgb)波形绘制思路

这一部分就比较简单了，VGA图像显示是在行、场同步信号的作用下，将图像色彩信息以扫描显示的方式显示出来，所以RGB色彩信息必不可少，只要在有效显示区域写入正确图像数据即可。信号rgb绘制波形如下：

图 36‑21 rgb信号波形图

各信号波形绘制思路讲解完毕，将所有信号整合后，就是本小节开始部分展示的模块波形图。

本设计思路只做参考，并非唯一方法，读者可利用所学知识，按照自己思路进行设计。

代码编写

参照绘制波形图，编写模块参考代码。模块参考代码，具体见代码清单 36‑1。

代码清单 36‑1 VGA时序控制模块参考代码(vga_ctrl.v)

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| | module vga_ctrl( input wire vga_clk , //输入工作时钟,频率25MHz input wire sys_rst_n , //输入复位信号,低电平有效 input wire [15:0] pix_data , //输入像素点色彩信息 output wire [9:0] pix_x , //输出有效显示区域像素点X轴坐标 output wire [9:0] pix_y , //输出有效显示区域像素点Y轴坐标 output wire hsync , //输出行同步信号 output wire vsync , //输出场同步信号 output wire [15:0] rgb //输出像素点色彩信息 ); //// //\* Parameter and Internal Signal \// //// //parameter define parameter H_SYNC = 10'd96 , //行同步 H_BACK = 10'd40 , //行时序后沿 H_LEFT = 10'd8 , //行时序左边框 H_VALID = 10'd640 , //行有效数据 H_RIGHT = 10'd8 , //行时序右边框 H_FRONT = 10'd8 , //行时序前沿 H_TOTAL = 10'd800 ; //行扫描周期 parameter V_SYNC = 10'd2 , //场同步 V_BACK = 10'd25 , //场时序后沿 V_TOP = 10'd8 , //场时序上边框 V_VALID = 10'd480 , //场有效数据 V_BOTTOM = 10'd8 , //场时序下边框 V_FRONT = 10'd2 , //场时序前沿 V_TOTAL = 10'd525 ; //场扫描周期 //wire define wire rgb_valid ; //VGA有效显示区域 wire pix_data_req ; //像素点色彩信息请求信号 //reg define reg [9:0] cnt_h ; //行同步信号计数器 reg [9:0] cnt_v ; //场同步信号计数器 //// //\* Main Code \// //// //cnt_h:行同步信号计数器 always@(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) if(sys_rst_n == 1'b0) cnt_h <= 10'd0 ; else if(cnt_h == H_TOTAL - 1'd1) cnt_h <= 10'd0 ; else cnt_h <= cnt_h + 1'd1 ; //hsync:行同步信号 assign hsync = (cnt_h <= H_SYNC - 1'd1) ? 1'b1 : 1'b0 ; //cnt_v:场同步信号计数器 always@(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) if(sys_rst_n == 1'b0) cnt_v <= 10'd0 ; else if((cnt_v == V_TOTAL - 1'd1) && (cnt_h == H_TOTAL-1'd1)) cnt_v <= 10'd0 ; else if(cnt_h == H_TOTAL - 1'd1) cnt_v <= cnt_v + 1'd1 ; else cnt_v <= cnt_v ; //vsync:场同步信号 assign vsync = (cnt_v <= V_SYNC - 1'd1) ? 1'b1 : 1'b0 ; //rgb_valid:VGA有效显示区域 assign rgb_valid = (((cnt_h >= H_SYNC + H_BACK + H_LEFT) && (cnt_h < H_SYNC + H_BACK + H_LEFT + H_VALID)) &&((cnt_v >= V_SYNC + V_BACK + V_TOP) && (cnt_v < V_SYNC + V_BACK + V_TOP + V_VALID))) ? 1'b1 : 1'b0; //pix_data_req:像素点色彩信息请求信号,超前rgb_valid信号一个时钟周期 assign pix_data_req = (((cnt_h >= H_SYNC + H_BACK + H_LEFT - 1'b1) && (cnt_h<H_SYNC + H_BACK + H_LEFT + H_VALID - 1'b1)) &&((cnt_v >= V_SYNC + V_BACK + V_TOP) && (cnt_v < V_SYNC + V_BACK + V_TOP + V_VALID))) ? 1'b1 : 1'b0; //pix_x,pix_y:VGA有效显示区域像素点坐标 assign pix_x = (pix_data_req == 1'b1) ? (cnt_h - (H_SYNC + H_BACK + H_LEFT - 1'b1)) : 10'h3ff; assign pix_y = (pix_data_req == 1'b1) ? (cnt_v - (V_SYNC + V_BACK + V_TOP)) : 10'h3ff; //rgb:输出像素点色彩信息 assign rgb = (rgb_valid == 1'b1) ? pix_data : 16'b0 ; endmodule |

模块参考代码是参照绘制波形图进行编写的，在波形图绘制小节已经对模块各信号有了详细的说明，本小节不再过多叙述。

仿真代码编写

编写仿真代码，对VGA时序控制模块参考代码进行仿真验证。仿真参考代码，具体见代码清单 36‑2。

代码清单 36‑2 VGA时序控制模块仿真参考代码(tb_vga_ctrl.v)

仿真波形分析

配置好仿真文件，使用ModelSim对参考代码进行仿真，仿真结果如下。

图 36‑22 VGA时序控制模块整体仿真波形图

图 36‑22为模块传输一帧图像的仿真波形图，因为信号线过于密集，不便讲解说明，我们将列出各信号局部截图进行讲解。

图 36‑23 局部仿真波形图（一）

图 36‑24 局部仿真波形图（二）

图 36‑25 局部仿真波形图（三）

由图 36‑23、图 36‑24、图 36‑25可知，行扫描周期计数器cnt_h在计数范围0-799循环计数，计数周期为像素时钟周期；场扫描周期计数器在计数范围0-524循环计数，计数周期为完整的行扫描周期。

图 36‑26 局部仿真波形图（四）

图 36‑27 局部仿真波形图（五）

图 36‑28 局部仿真波形图（六）

由图 36‑26、图 36‑27、图 36‑28可知，rgb_valid信号只有在图像显示有效区域保持高电平，其他区域为低电平；pix_data_req信号超前rgb_valid信号一个时钟周期；pix_x信号在图像显示有效区域循环计数，计数周期为像素时钟周期，计数范围0-639，计数640次，与图像行显示有效区域参数一致；rgb信号在rgb_valid信号有效时，被赋值为pix_data，rgb_valid信号无效时，赋值为0。

图 36‑29 局部仿真波形图（八）

图 36‑30 局部仿真波形图（九）

由图 36‑29、图 36‑30可知，pix_y信号在图像显示有效区域循环计数，计数周期为完整的pix_x计数周期，计数范围0-479，计数480次。与图像显示场有效区域参数一致。

图 36‑31 局部仿真波形图（十）

图 36‑32 局部仿真波形图（十一）

图 36‑33 局部仿真波形图（十二）

图 36‑34 局部仿真波形图（十三）

由图 36‑31、图 36‑32、图 36‑33、图 36‑34可知，行同步信号只有在行同步阶段保持高电平，其他阶段均保持低电平；场同步信号只有在场同步阶段保持高电平，其他阶段均保持低电平。

由仿真波形图可知，各信号仿真波形与绘制波形一致，模块通过仿真验证。

7.2.3.4. 图像数据生成模块

本小节中我们开始图像数据生成模块(vga_pic)的介绍，接下来我们会通过模块框图、波形图绘制、代码编写、仿真分析这几个部分，对本模块的设计、实现、仿真验证过程做一下详细介绍。

模块框图

图像数据生成模块，设计本模块的目的是，以VGA时序控制模块传入的图像有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)为约束条件，产生VGA彩条图像像素点色彩信息并回传给VGA时序控制模块。模块框图，具体见图 36‑35。

图 36‑35 图像数据生成模块框图

由图 36‑35可知，图像数据生成模块包含4路输入、1路输出，共5路信号，输入输出信号简介，具体见表格 36‑5。

表格 36‑5 图像数据生成模块输入输出端口功能描述

信号	位宽	类型	功能描述
vga_clk	1Bit	Input	工作时钟，频率25MHz
sys_rst_n	1Bit	Input	复位信号，低电平有效
pix_x	10Bit	Input	VGA有效显示区域像素点X轴坐标
pix_y	10Bit	Input	VGA有效显示区域像素点Y轴坐标
pix_data	16Bit	Output	彩条图像像素点色彩信息

输入信号中，时钟信号vga_clk，频率为25MHz，为VGA显示器工作时钟，由分频模块产生并输入；复位信号sys_rst_n为顶层模块的rst_n信号输入，低电平有效；(pix_x,pix_y)为VGA有效显示区域像素点坐标，由VGA时序控制模块生并输入。

输出信号pix_data为彩条图像像素点色彩信息，在VGA有效显示区域像素点坐标(pix_x,pix_y)约束下生成，传输到VGA时序控制模块。

波形图绘制

在模块框图部分，我们介绍了图像数据生成模块的具体功能，对输入输出信号做了简单介绍，那么如何利用模块输入信号实现模块功能，输出我们想要得到的数据信号呢？在波形图绘制部分，我们会通过绘制波形图，并对各信号做出讲解，带领读者学习掌握模块功能的实现方法。

图像数据生成模块波形图，具体见图 36‑36。

图 36‑36 图像数据生成模块波形图

本模块设计较为简单，根据输入像素点坐标(pix_x,pix_y)，在有效显示区域，将pix_x计数范围十等分，在不同的计数部分给pix_data赋值对应的色彩信息，因为采用时序逻辑的赋值方式，pix_data滞后pix_x、pix_y信号一个时钟周期。

代码编写

模块波形图绘制完毕后，参照绘制波形图进行参考代码的编写。模块参考代码，具体见代码清单 36‑3。

代码清单 36‑3 图像数据生成模块参考代码(vga_pic.v)

模块参考代码是参照绘制波形图进行编写的，在波形图绘制小节已经对模块各信号有了详细的说明，对各信号介绍不再过多叙述。

本模块不再单独仿真，在后文直接对实验工程整体进行仿真，届时再对本模块信号波形进行分析。

7.2.3.5. 顶层模块

代码编写

实验工程的各子功能模块均已讲解完毕，在本小节对顶层模块做一下介绍。vga_colorbar顶层模块主要是对各个子功能模块的实例化，以及对应信号的连接。代码编写较为容易，无需波形图的绘制。顶层参考代码，具体见代码清单 36‑4。

代码清单 36‑4 顶层模块参考代码(vga_colorbar.v)

顶层模块参考代码理解起来较为简单，在此不再过多叙述。但有一点需要重点说明，由代码可知，vga_ctrl模块和vga_pic模块的复位信号是由信号rst_n信号作为输入，这是为何？

原因在于，调用IP生成时钟，只有在locked信号为高电平时输出的才是稳定时钟，将板卡复位信号sys_rst_n和locked信号作为约束条件，产生新的复位信号rst_n作为功能模块复位信号的输入，是为了防止时钟不稳定状态对实验工程产生影响。

RTL视图

实验工程通过仿真验证后，使用Quartus软件对实验工程进行编译，编译完成后，我们查看一下RTL视图， RTL视图展示信息与顶层模块框图一致，各信号正确连接，具体见图 36‑37。

图 36‑37 实验工程RTL视图

7.2.3.6. 仿真验证

仿真代码编写

顶层模块参考代码介绍完毕，开始对顶层模块进行仿真，对顶层模块的仿真就是对实验工程的整体仿真。顶层模块仿真参考代码，具体见代码清单 36‑5。

代码清单 36‑5 顶层模块仿真参考代码(tb_vga_colorbar.v)

顶层模块仿真参考代码内部实例化各子功能模块，连接各子功能模块对应信号，模拟产生50MHz时钟信号和复位信号，理解较为容易，不再讲解。

仿真波形分析

使用ModelSim软件对代码进行仿真，vga_ctrl模块已经通过赋值验证，clk_gen为调用IP核，无需仿真，在顶层模块的仿真波形分析，我们只查看rst_n信号和vga_pic模块的相关信号，仿真结果如下。

图 36‑38 rst_n信号仿真波形图

由图 36‑38可知，rst_n信号正确生成，仿真波形与代码描述一致。

图 36‑39 vga_pic模块仿真波形图（一）

图 36‑40 vga_pic模块仿真波形图（二）

图 36‑41 vga_pic模块仿真波形图（三）

图 36‑42 vga_pic模块仿真波形图（四）

由图 36‑39、图 36‑40、图 36‑41、图 36‑42可知，pix_x信号在图像有效显示区域的完整计数周期被均分为十等份，pix_data在pix_x不同的计数范围内赋值不同的颜色信息。

7.3. 上板验证

7.3.1. 引脚约束

仿真验证通过后，准备上板验证，上板验证之前先要进行引脚约束。工程中各输入输出信号与开发板引脚对应关系如表格 36‑6所示。

表格 36‑6 引脚分配表

信号名	信号类型	对应引脚	备注
sys_clk	Input	E1	输入系统时钟
sys_rst_n	Input	M15	复位信号
hsync	Output	C2	行同步信号
vsync	Output	D1	场同步信号
rgb $15$	Output	A5	RGB色彩信息（红）
rgb $14$	Output	E6	RGB色彩信息（红）
rgb $13$	Output	E7	RGB色彩信息（红）
rgb $12$	Output	B8	RGB色彩信息（红）
rgb $11$	Output	A8	RGB色彩信息（红）
rgb $10$	Output	F8	RGB色彩信息（绿）
rgb $9$	Output	E8	RGB色彩信息（绿）
rgb $8$	Output	B7	RGB色彩信息（绿）
rgb $7$	Output	A7	RGB色彩信息（绿）
rgb $6$	Output	F7	RGB色彩信息（绿）
rgb $5$	Output	F6	RGB色彩信息（绿）
rgb $4$	Output	B6	RGB色彩信息（蓝）
rgb $3$	Output	A6	RGB色彩信息（蓝）
rgb $2$	Output	B5	RGB色彩信息（蓝）
rgb $1$	Output	A2	RGB色彩信息（蓝）
rgb $0$	Output	B4	RGB色彩信息（蓝）