尝试用Verilog驱动VGA

本文有些地方是从

http://www.eepw.com.cn/article/275552.htm

或http://www.cnblogs.com/spartan/archive/2011/08/16/2140546.html

直接搬运过来的，这些博客都写的很详细，可以去看下。

VGA原理

VGA驱动显示器用的是扫描的方式，一般是逐行扫描。

逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左像右逐点扫描，每扫描完一行,电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行同步；

当扫描完所有的行，形成一帧后，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐,开始下一帧。

以下是vs 和 hs的时序简图。



可以看出，VGA一直在扫描，每一场的扫描包括了若干行扫描，如此循环。

综上我们可以知道，一个标准的VGA接口应该有以下的端口：

红色信号 r

绿色信号 g

蓝色信号 b

行同步信号 hs

场同步信号 vs

以及很多的地屏蔽



需要注意的是，r g b信号都是模拟信号，而 hs 和 vs 则是数字信号。

一般而言如果要用数字电路驱动rgb模拟信号端口的话，可以有如下几种办法：

直接用0/1数字信号驱动



因为虽说rgb都是模拟信号驱动的，但是数字信号也是有电压的，可以看做是一个要么恒定不变，要么就跳变的模拟信号。我用的开发板就是这样做的，因为开发板的核心甚至不是FPGA，只是个CPLD，不过胜在不要钱→_→，直接找师兄要的。

这么做的好处是，不需要在数字电路输出端和VGA接口之间加入模拟电路；

而坏处则是，这样的输出只能有8种（2种电压，3个端口，共8个组合）。

在数字信号输出和VGA接口之间加入一段简单的DA电路



利用不同的阻值电阻分压，把数字信号转化为模拟信号，然后再输入到VGA的端口。上图是Digilent公司的Basys3 FPGA开发板原理图的VGA部分。

这样做的好处是，可以用多个数字信号端口输出，组合出更多的模拟信号，增加可输出的颜色种类；

而这样做的坏处是，……反正除了要多搭几个电阻之外我想不到有什么麻烦的地方。

说完颜色信号，就该是同步信号了。

完成一行扫描的时间称为水平扫描时间，其倒数称为行频率；完成一帧（整屏）扫描的时间称为垂直扫描时间，其倒数称为场频率，即刷新一屏的频率，常见的有60Hz，75Hz等等。标准的VGA显示的场频60Hz,行频31.5KHz。

　　行场消隐信号:是针对老式显像管的成像扫描电路而言的。电子枪所发出的电子束从屏幕的左上角开始向右扫描，一行扫完需将电子束从右边移回到左边以便扫描第二行。在移动期间就必须有一个信号加到电路上，使得电子束不能发出。不然这个回扫线会破坏屏幕图像的。这个阻止回扫线产生的信号就叫作消隐信号,场信号的消隐也是一个道理。

　　显示带宽:带宽指的显示器可以处理的频率范围。如果是60Hz刷新频率的VGA,其带宽达640x480x60=18.4MHz,70Hz的刷新频率1024x768分辨率的SVGA,其带宽达1024x768x70=55.1MHz。

　　时钟频率：以640x480@59.94Hz(60Hz)为例，每场对应525个行周期(525=10+2+480+33),其中480为显示行。每场有场同步信号,该脉冲宽度为2个行周期的负脉冲，每显示行包括800点时钟,其中640点为有效显示区,每一行有一个行同步信号，该脉冲宽度为96个点时钟。由此可知：行频为525*59.94=31469Hz,需要点时钟频率：525*800*59.94约25MHz.

所以并不是分辨率多高，我们就需要扫描多少行/场；实际上我们需要扫描的比分辨率数值大，示意图见下图：



最坑的是。。。我并没有找到消隐区大小跟分辨率之间有什么数学关系，虽然每个分辨率都有对应唯一的消隐区大小，但是总觉得很坑。。。如果要改变分辨率的话怎么办？

Verilog代码

第一次接触VGA，并没有任何头绪，于是先跑板子的例程，结果发现我那1440*900的联想屏幕并不能显示，倒是感应到了有数据，证明确实有输出，但是一直提示“输入信号超出范围”。结果后来换了个1024*768的BENQ的小屏幕，虽然还是提示“输入信号超出范围”，但是能看到提示框后面显示出了例程输出的色块，但是输出不全。现在想来应该也是消隐区的问题，例程代码并不能看懂，但是貌似并没有考虑消隐的问题，一直在做分频处理，分出好一些时钟驱动同步端口和数据端口。一开始我以为是板子上的12MHz晶振跟例程里写的50MHz频率不符，后来发现板子自带PLL，输入的原始时钟确实是50MHz，反正一直调参数，调了一整天，调得也很盲目，现在想想自己简直就是个傻缺= =||

后来上github找了很多人的开源代码，好不容易终于找到了一个能用的，readme里说这个分辨率是800*600，但是在1440*900屏下也没有出现问题，可能是屏幕能自动适应分辨率吧。代码如下：

效果是在屏幕上显示8个宽度相等的竖条色块，颜色各不相同，反正直接驱动能输出的也就8种颜色。

module Main(
CLK,
VGA_HS,
VGA_VS,
VGA_R,
VGA_G,
VGA_B
);

input CLK;
output VGA_HS,VGA_VS, VGA_R, VGA_G, VGA_B;

reg[10:0] x_counter;
reg[10:0] y_counter;

reg [3:1] GRBX;

initial begin
x_counter = 0;
y_counter = 0;
end

// Always block to drive drawing, {front|back}-doors, and syncs.
always @(posedge CLK) begin
if(x_counter == 1055)
begin
x_counter = 0;

if(y_counter == 627)
y_counter = 0;
else
y_counter = y_counter + 1;
end
else
x_counter = x_counter + 1;

end

always @(x_counter or y_counter)
begin
if (x_counter<100)  GRBX<=3'b111;
else if (x_counter<200)   GRBX<=3'b110;
else if (x_counter<300)   GRBX<=3'b101;
else if (x_counter<400)  GRBX<=3'b100;
else if (x_counter<500)   GRBX<=3'b011;
else if (x_counter<600)   GRBX<=3'b010;
else if (x_counter<700)   GRBX<=3'b001;
else  GRBX<=3'b000 ;
end

assign  VGA_R=GRBX[2];
assign  VGA_G=GRBX[3];
assign  VGA_B=GRBX[1];

assign VGA_HS = x_counter > 839 && x_counter < 968;
assign VGA_VS = y_counter > 600 && y_counter < 605;

endmodule

这是把https://github.com/shiirish/FPGA—VGA里面的main.v改了一下改出来的。令我非常惊喜的是，这个代码真的能动，而且并没有严格要求时钟是多少，也没有试图分频分到60Hz，这里就是考虑了消隐的问题。

后来本来还想用Matlab把一些图片的RGB二值化，生成一系列RGB值放进IP核的ROM里，用 x_counter 和 y_counter 作为地址，输出数据到屏幕，这样就可以显示出图片。

然而。。。CPLD并不能用IP核 T_T，就连ISE的core generator按钮都是灰色的。。。然后心血来潮，用Matlab写了个脚本，生成了四万多行的if。。。强行生成个ROM，就为了显示一张静态图= =||

然而。。。直到现在都还在Synthesize。。。诶都是泪啊。。。