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1、 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 1 页 共 2 页 CRT 字符控制器设计 摘 要 本论文介绍了基于 Altera 公司的 Cyclone II 系列 FPGA 的 CRT 字符控制器设计 利用 FPGA 芯片实现对 CRT 显示器扫描轨迹控制 采用 VGA 接口和电阻网络 D A 转换进 行系统互联 在 CRT 显示器上能够显示基本的 ASCII 字符 汉字 图像 图形和 16 位 色彩 同时能够通过指令端口设置显示汉字 图像等大小和对应所在显示器上的位置 该功能包括了对图形 图像的动态显示与控制 完全实现仿点阵液晶的中级显示 毕设的重心放在了显示控制器的系统层面的设计 采用了自
2、顶向下的思路进行设 计 系统的核心为有限状态机 论文中给出了完整的设计思路和过程 并将系统分模 块进行了详细的设计 给出了 VHDL 语言描述 完成了状态机和核心模块以及系统整体 的仿真验证 然后在计算机的 Quartus II 11 0 软件平台上完成设计电路的编辑 编 译 仿真 编程下载到特定目标芯片 最终下载到硬件电路板上测试通过 关键词 FPGA VHDL VGA 接口 状态机 16 位色彩 显示汉字 图形和图像动态显 示 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 2 页 共 2 页 Abstract This paper describes the CRT based on Alte
3、ra s Cyclone II FPGA series character design CRT monitors scan path control using FPGA chip d a conversion system with VGA interface and the resistance network interconnection on CRT monitors capable of displaying basic ASCII characters characters images graphics and 16 bit color While port is set t
4、o display Chinese characters through instruction on display as the image size and position which includes the dynamic display of graphics image and control the full realization of imitation of the intermediate dot matrix LCD display Set focus on the display controller for system level design using t
5、op down design the system core for finite state machines Paper gives the complete set of design and process detailed design and system modules described in VHDL language are given Completed state machine and simulation of the core module and the system as a whole And then in the Quartus II software
6、platform 11 design was completed on the computer editing compilation simulation of a circuit chip download programming to a specific destination ultimately downloaded to the hardware circuit board test passed Key words FPGA VHDL VGA interface 16 bit color Display Chinese characters Dynamic display o
7、f graphics and images 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 1 页 共 1 页 目 录 摘 要 1 ABSTRACT 2 引言 1 1 FPGA 和 VGA 概述 1 1 1 FPGA 的概念 1 1 2 FPGA 的发展 2 1 3 FPGA 的工作原理 2 1 4 VGA 基本概念 3 1 5 VGA 显示原理 4 1 5 1 VGA 接口定义 4 1 5 2 VGA 时序控制 4 2 系统设计 6 2 1 设计思路 6 2 2 系统功能结构设计 6 2 3 系统层次模块划分 7 2 3 1 顶层模块 7 2 3 2 各部分控制模块 7 2 3 3 用户模式底层模
8、块 9 2 4 系统硬件语言描述 11 2 4 1VHDL 描述思路 11 2 4 2 总体电路的描述 11 2 4 3 分块电路的描述 15 2 5 系统仿真验证 28 3 结果与分析 30 3 1 实现功能说明 30 3 2 器件资源分析 31 3 3 故障与问题分析 32 4 总结 33 谢 辞 34 参考文献 35 附 录 36 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 1 页 共 36 页 引言 随着科技的发展 VGA 汉字显示系统的应用范围越来越广泛 传统的 VGA 字符显示 方案是通过通用处理器控制 VGA 接口显示字符信息的 这种显示方案是以通用处理器 为核心的处理系统 整个系
9、统体积大 可靠性不高且灵活性差 不适合便携设备的设 计 而 FPGA 芯片具有可靠性高 编程灵活和体积小等特点 因此用 FPGA 技术来实现 VGA 汉字显示可以有效解决传统技术中的缺点 显示绘图阵列 video graphic array VGA 接口 它作为一种标准的显示接口得 到了广泛的应用 VGA 接口大多应用在显示器与显卡之间 同时还可以应用在彩色等 离子电视输入图像的模数转换上 VGA 接口同样也是 LCD 液晶显示设备的标准接口 可 编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步 早期的器件只能存储少 量的数据 完成简单的逻辑功能 发展到现在 可以完成复杂的逻辑功能 速度更
10、快 规模更大 功耗更低 目前可编程逻辑器件主要有两类 复杂可编程逻辑器件 complex programmable logic device CPLD 和现场可编程逻辑器件 field programmable gate array FPGA FPGA 的运行速度快 管脚资源丰富 容易实现大规模的系统设计 有大量的软核 可用 便于进行二次开发 另外 由于 FPGA 具有可重构能力 抗干扰性强等特点 因此 FPGA 在工业控制等领域越来越受到重视 利用 FPGA 完成 VGA 显示控制 可以使 图像和汉字的显示脱离 PC 机控制 形成体积小 功耗低的各式嵌入式系统 便携式设 备或手持设备 应用于
11、地面勘测 性能监测等方面 具有重要的现实意义 1 FPGA 和 VGA 概述 1 1 FPGA 的概念 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写 即现场可编程门阵列 它 是在 PAL GAL CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物 它是作为专用集成电 路 ASIC 领域中的一种半定制电路而出现的 既解决了定制电路的不足 又克服了 原有可编程器件门电路数有限的缺点 FPGA 现场可编程门阵列 是专用集成电路 ASIC 中集成度最高的一种 用户可对 FPGA 内部的逻辑模块和 I O 模块重新配置 以实现用户的逻辑 因而也被用于对 CPU 的模拟
12、 用户对 FPGA 的编程数据放在 Flash 芯片中 通过上电加载到 FPGA 中 对其进行初始化 也可在线对其编程 实现系统在 线重构 这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的 CPU 这是当今研究的 热门领域 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 2 页 共 36 页 1 2 FPGA 的发展 和其他可编程逻辑器件一样 FPGA 也由未完成的逻辑阵列所组成 通过将这些逻 辑阵列连接到一起来完成一定的功能 像 PAL 一样 各个阵列单元之间的相互连接是 可以编程的 下面介绍 FPGA 的发展过程 1985 年 Xilinx 公司推出了世界上第一款 FPGA 推出的这款 FPGA
13、 包括两个器件和 支持布同布线的设计工具 FPGA 的发展非常快 在不到 10 年的时间里 时钟频率就从 不到 10MHz 提高到 100MHz 设计规则已经达到亚微米级别 FPGA 芯片的规模也从几千 门增加到 2 万多等效门 大量功能强大易用的软件工具也相继推出 使得 FPGA 很快占 领了电子设计领域很大的一块市场 20 世纪 80 年代推出的 FPGA 可以说是 Intel 公司于 1971 年推出第一款商用微处理 器的延续 那个时期 典型的微处理器系统包含微处理器 存储器和一些特殊功能的 中小规模 MSI SSI 器件 为追求更佳的件能 更小的尺寸 更低的成本 更快的错 误恢复能力
14、高可靠性以及更快更易使用的原型 集成电路的设计者都意识到一定会 有一种器件要取代当时的中小规模电路 这个概念的第一个尝试是 Signetics 公司于 1975 年推出的 83S100 FPLA 现场可编程逻辑阵列 这款可编程器件实际上是一款 PLA 结构的器件 它由 16 个输人 48 个乘积项与阵列 8 个输出 48 个乘积项或阵列 构成 通过 Ni Cr 熔丝实现连续的断开或连接 这种方法在以降低速度和增加功耗为 代价的前提下 给了设计师们很大的电路设计空间 但是这款可编程器件需要人工来 设置熔丝的断或合 因此很复杂而且容易出错 1 3 FPGA 的工作原理 为了能让不太熟悉 FPGA
15、的读者能够对 FPGA 有一个整体印象 这里以 Xilinx 4000 系列的 FPGA 为例简单说明它的设汁能力 XC4025 包含大约 1024 个 CLB 它们按 32 32 的矩阵形式排列在 FPGA 芯片里 这相当于 25 000 个等效门 这款 FPGA 包含 422Kbit 的 RAM 主要用于编程 一个 CLB 的运行频率可达 250MHz 但如果将互连线网 络引入的延迟以及像加法器这样更复杂的逻辑考虑进去 还可以获得 20 50MHz 的时钟 频率 直观地讲 加法器这样的逻辑是由大量的 CLB 来构成的 例如一个 32bit 的加 法器要用掉 62 个 CLB FPGA 采用
16、了逻辑单元阵列 LCA Logic Cell Array 这样一个新概念 内部包括 可配置逻辑模块 CLB Configurable Logic Block 输出输入模块 IOB Input Output Block 和内部连线 Interconnect 三个部分 FPGA 的基本特点主要有 1 采用 FPGA 设计 ASIC 电路 用户不需要投片生产 就能得到合用的芯片 2 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片 3 FPGA 内部有丰富的触发器和 I O 引脚 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 3 页 共 36 页 4 FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短 开发费用最低 风险最小的器件之一 5 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺 功耗低 可以与 CMOS TTL 电平兼容 可以说 FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度 可靠性的最佳选择之一 目前 FPGA 的品种很多 有 Xilinx 的 XC 系列 Altera 公司的 FIEX 系列等 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的 因此 工作时需要对片 内的 RAM 进行编
