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1、1绪论当今社会，我们经进入数字化与信息化时代，各种电子产品广泛运用，更新换 代的速度也随之加快，伴随着计算机、集成电路等科学技术的高速发展，电子系统的 设计愈加趋向于容量大、体积小、重量轻的方向发展，液晶显示器的问世，使越来越 多的电子产品开始采用液晶作为显示终端。但基于VGA标准的显示器仍是当前使用 率较高的显示器。综合以上论述，此次主要讲述完成VGA的驱动主要由可编程器件 FPGA来完成。处理阁像的系统中，我们采用的办法是将输入的阃而通过一定的方式改变成内心 所希冀的图像。在以往，都是将图像的数据输入电脑然后再通过电脑处理将图像在显 示器上显示出来，如果采用以往的方法，就造成了 CPU资源
2、的浪费，因为在图像处 理的期间需要用嵌入式系统的CPU对所处理的图像进行信号的控制，使电脑的运行 速度下降，同时还必须在电脑上实现完成，具有一定的局限性。随着FPGA的不断发展，可编程逻辑设计的应用优势逐渐显现出来，价格下降， 运算速度快，管脚资源丰富，容易实现大规模的系统设计，宥大量的软核可用，抗干 扰能力强等特点。如果想要兑服图像的显示不依靠计算机的控制，实现低功耗，实体 微型化，可以利用FPGA技术对显示器的VGA接口进行设计，数据流只需要在整个 系统的内部流动，提高了系统的灵活性和现实性。此次设计是运用软硬件结合的方式，实现RGB横彩条显示、红绿蓝黄紫青白黑 竖彩条显示、动态字符“TZ
3、”显示。(1) 软件设计，在QuartusII9.0环境下，利用VHDL硬件描述语言编程，包括 VGA时序控制器模块、VGA显示模块、存储读取控制模块等。(2) 软件模块设计完成后进行调试，将程序写进开发板，此次设计是利用液晶 显示器和丌发板，看是否达到任务书所要求的。1.1课题背景及意义现代Hi子技术设计的核心EDA (Electronic Design Automation)技术。伴随这电 子工艺的向前迈进，低价格和功能强大的FPGA/CPLD器件推出，使得FPGA/CPLD 成为当前硬件电路设计首当其冲考虑的方法之一。使用EDA软件工具平台和VHDL 进行设计，利用可编程器件FPGA/C
4、PLD实现的VGA显示控制模块在工业市场中冇 着广泛的实际应用1。采用FPGA实现VGA显示控制，能够使图像的控制不再依赖于计算机的控制， 突破了一定的局限性，实现了体积小，重量轻、低功耗的嵌入式系统，它能够广泛的 应用于实际生活和工作中，如地面的勘测，彩色电视的性能检修等各种方面，具有很 现实的操作性和可用性。由于显示器能够输出各种信息图像并且传播的信息花样繁多更再宥可观性加之 各方面的技术不断更新和成熟，价格也随之降低，所以称为生活中必备的输出器件。 在FPGA的设计中可以使用很少的资源，就产生VGA各种信号。为了使VGA端口 连接示器敁示前端采集到的图像数据，本论文使用Altera公司的
5、MAX II的 EPM240T100C5N芯片上实现VGA时序控制，并实现VGA显示控制器。CJ从1985年Xillinx公司推出第一款可编程逻辑器件，到如今FPGA已经发展了 几十年的历史，在这期间Altera公司和Xillinx公司又陆续推出数百万门FPGA芯片, 将可编程逻辑器件的集成度提高到新的水平。因为FPGA的芯片不仅电子系统微型化、 能耗低、可靠性高并且开发周期短，价格也逐渐下降，所以使得FPGA逐渐取代ASIC 的市场，成为主流。VGA和PS/2是IBM同时推出的一种视频的传输标准，它的分辨率高、显示速率 快、颜色丰富等特点，在彩色显示方面得到了广泛的应用。目前VGA技术主要使
6、用 在计算机、笔记木等设备。此次对FPGA的VGA的显示进行研究，主要需要控制模 块、初始化模块和VGA时序控制模块。800x600的敁示范围是由VGA的时序控制模 块控制的，能够生成水平同步时序信号HS和垂直同步时序信号VS。FPGA耍实现VGA的显示图像的功能，以上模块的功能需使用VHDL语言在QuartusII9.0实施，最后下载到开发板上实现。2专业技术梗概本文主要用到FPGA技术、VHDL语言、VGA敁示技术以及场扫和行扫等方面 的知识综合运用。2. 1 FPGA 技术FPGA运用逻辑单元阵列LCA (Logic Cell Array)的概念，内部是由可配置逻辑 模块 CLB (Co
7、nfigurable Logic Block)，输入/输出模块 IOB (Input/Output Block),内 部连线(Interconnect)和用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成。如图2.1所示 是一般FPGA的结构图。阁2.1 FPGA结构阁现场吋编程门阵列(FPGA)是可编程逻辑器件，M以往的逻辑电路和门阵列(例 如PAL, GAL及CPLD器件)相比，它与传统的逻辑电路具有相异的结构。FPGA使 用小型查找表来表达出逻辑组合，当一个D触发器的输入端连接到每个查找表时，触 发器子是驱动K它的逻辑电路或驱动1/0,所以形成了不仅能够完成逻辑组合功能而II又能够进行时序逻辑功能
8、的基本逻辑中.元模块，这样的模块间利用导体连接线相互 连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储争元加载编程数据来实 现的，逻辑单元的逻辑功能以及各模块之问或模块与I/O问的联接方式是由存储在存 储器单元中的值决定的，并最终决定了 FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的 编程FPGA的构建灵巧，用户可以编写逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元，能够完 成一切逻辑功能，实现各种设计要求。它处理速度快，消耗功率低，适用性强，尤其 适用于繁琐复杂的程序设计。FPGA还具有以下儿个特点：（1） FPGA具有体系结构和 逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，兼容了PLD和通用
9、门阵列的优点， 可实现较大规模的电路，编程也很灵活，与门阵列等其它ASIC相比，它又具宥设计开 发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及吋实 吋在线检验等优点；（2）高性能是实吋性，冈为FPGA芯片内部是经过上百万个逻辑 单元完成硬件实现，并且有并行处理的能力，它的运算速度和对于一般的单片机和DSP 要快速很多；（3）由于FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，所以能够和CMOS、TTL 电平兼容；（4）在ASIC电路中FPGA设计周期最短、开发费用使用最少、风险最低的 器件之一；（5）采用FPGA设计ASIC电路（专用集成电路），用户不需要投片生产，就 能得到合用
10、的芯片3。随着科技的不断进步以及用户需求的不断提升，FPGA的技术也在不断地发展。 伴随着工艺和数字电路技术的不断进步，FPGA芯片的集成度会更高，功能会更强， 速度会更快，功耗会更低。2. 2 VHDL 语言VHDL 的英文名称是 VHSIC （Very High Speed Integrated Circuit）,是 1983年美国 Pl防部创立的，此JiS由IEEE进一步发展并在1987年作为“IEEE标准1076”发布，从 此VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。伴随着VHDL的标准化，VHDL语言作为一个规范语言和建模语言，随即出现Y 一些支持该语言的行为仿真器。由于创建VHDL的
11、最初H的用于标准化文档的建立和 电路功能的模拟，它的基本思想是在高层次上叙述系统和元件的行为，然而后来人们 发现VHDL语言既能够作为系统模拟建模的工爲，而且能够作为电路系统的设计工 具，能够运用软件将VHDL源代码自动转化为文本方式表达的基本逻辑元件连接图。 这样的方式对于电路自动设计显然是一个极大的推进。VHDL拥冇与具体硬件电路无关和设计平台无关的特性，而且拥冇优的电路行 为叙述和系统表述能力，并且语言容易阅读理解和层次化结构化设计方面表现Y强大 的生命力和应用能力。因此VHDL支持各种模式的设计方法：自底而上与自顶而下或 混合方法，尤其而临现今许多电子产品生命周期短，并且需耍汇入新的技
12、术、改善工 艺等方面，VHDL语言拥宥优良的适应性。因此，用VHDL进行电子系统的设计的一 个很大优点是设计者可以专心致力于其它功能的实现，而不是需要对不影响功能的与 工艺有关的冈素花费过多的吋间和精力。与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：（1）功能强大、设计灵活。（2）支持广泛、易于修改。（3）强人的系统硬件描述能力。（4）易于共享和复用。（5）独立于器件的设计、与工艺无关。（6）很强的移植能力。VHDL应进行自上而下的设计，就是使用VHDL模型在所宥综合级别上对硬件设 计进行说明、建模、仿真测试。主系统及子系统最初的功能要求在VHDL里体现为口J* 以被VHDL仿真程序验证的可执
13、行程序。由于综合工具可以将高级别的模型转化生成 为门级模型，所以整个设计过程应由计算机自行完成。自顶而下的设计方法使系统被 分解为各个模块的集合，最后将不同的模块集成为最终的系统模型，并对其进行综合 测试。CJ顶而卜*的设计阶段：（1）提出设计说明书（2）建立VHDL行为模型（3） VHDL行为仿真（4） VHDLRTL级建模（5）前端功能仿真（6）逻辑综合（7）测 试向量生成（8）功能仿真（9）结构综合（10）门级吋序仿真（11）硬件测试。2. 3 VGA显示技术VGA （Video Graphics Array）是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传 输标准，具有分辨率高、显
14、示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广 泛的应用。VGA接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是控制信号。数据信 号包括红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三色信号，简称RGB信号，控制信号包 括水平同步信号和垂直同步信号W。按照VGA接头（15HD）的标准，如图2.2所示各引脚的定义如下（图形近似为个梯形，上面5个从左为1 一5脚，中间从至左是6 10脚，最下面从衣至左是1115 脚）:图2.2 VGA接口的引脚分配5 110 /6J15111 一Red模拟信号“红”2 Green一模拟信号“绿”3 Blue一模拟信号“蓝”4 ID Bit地址码5 N/C一自测
15、试（各家定义不同）6 一R.GND模拟信号“红”的接地端7 一G.GND模拟信号“绿”的接地端8 B.GND模拟信号“蓝”的接地端9 一No保留（各家定义不同）10 GND数子信号的接地端11 ID Bit屏幕与主机之间的控制或地址码12 ID Bit屏幕与主机之问的控制或地址码（用于一个主机多个敁示屏）13 H Sync数字的水f行场信号14 V Sync数字的乖直行场信号15N/C地址码口前市面上大多数显示器都是采用阴极射线管，由三基色组成毎一个像素的色 彩。输出图像的方式一般是逐行扫描或者是隔行扫描的方式，VGA.显示模块所产生 的水平同步信号和垂直同步信号控制电子枪所发射的电子束，电子
16、束轰击附有荧光粉 的荧屏，产生RGB三基色，并显示屏上显示一个合成彩色像素点。图2.3为三基色混 色原理。2.4行场扫描图像输出一般采用逐行扫描或者隔行扫描的方式，电子束轰击荧光屏上的荧光 粉，一次从左至右，从上到下，依次扫描，每扫描完一行，回到T一行接着扫描。在 回扫期间，阴极射线管对电子束进行消隐，当每行扫描结束是用行同步信号HS进行 行同步；扫描完所冇行，再由场同步信号VS进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上 方，同时进行场消隐，准备下一场的扫描。阴极射线管中的电子枪所发射的电子朿是 由兄示控制模块所产生的行扫描信号和场扫描信号所控制，轰击在附有荧光粉的荧光 屏上，得到红绿蓝三基色，同时合成新的颜色的像素。彩色图像信
