FPGA基础设计（一）：VGA显示方法（文字、图形、波形）的全方面解析

概述

  VGA是一种学习FPGA最常见的基础实验。虽然现在的显示屏大多已经采用DVI和HDMI方案，但其实VGA在另一个地方还有应用，那就是大屏的LCD。目前4.3寸以上的TFT基本都是VGA接口，这样在完成一个FPGA系统设计时，选择一个VGA接口的TFT用来显示便是最简单方便的方案。

  现在2017年全国大学生电子设计大赛还有不到一个月，熟练的使用VGA显示各种图形、文字、波形还是很重要的，而不是停留在只能显示彩条的入门实验上。这篇博文便致力于解决这个问题。

---

VGA显示驱动

  目前常见的电路板上的VGA接口是这样的，单独使用R、G、B三条线控制颜色：

  或者是这样的，增加一个电阻网络来使可以控制的颜色更加丰富：

  现在应该很少会看到专门使用VGA驱动芯片的了。使用电阻网络已经能获得不错的显示效果。FPGA需要处理的信号有行同步信号HSYNC和场同步信号VSYNC，以及R、G、B三组颜色控制信号。在驱动VGA之前，我们首先要确定自己的显示参数，分辨率及刷新率，比如800*600@60Hz的显示方式其时序参数如下所示：

  不同的分辨率和刷新率有不同的参数，这个数据可以在www.tinyvga.com这个网页中查到。进下来就进行VGA的时序驱动，我的习惯是先将关键性数据用parameter定义出来：

//-------------------------------------------------////          扫描参数的设定 640*480 60Hz VGA//-------------------------------------------------//    parameter H_SYNC_END   = 96;     //行同步脉冲结束时间    parameter V_SYNC_END   = 2;      //列同步脉冲结束时间    parameter H_SYNC_TOTAL = 800;    //行扫描总像素单位    parameter V_SYNC_TOTAL = 525;    //列扫描总像素单位    parameter H_SHOW_START = 144;    //显示区行开始像素点    parameter V_SHOW_START = 35;     //显示区列开始像素点

  VGA的时序驱动部分是相当固定的，只要我们使用VGA，肯定会加入下面这段代码。主要方法是定义两个计数器，一个管理行扫描，一个管理列扫描；当行扫描计数器扫描完行同步脉冲后置高HSYNC信号；同理，当列扫描计数器扫描完列同步脉冲后置高VSYNC信号。

//水平扫描    always@(posedge clk_25M or negedge RSTn)            if(!RSTn) x_cnt <= 'd0;        else if (x_cnt == H_SYNC_TOTAL) x_cnt <= 'd0;        else  x_cnt <= x_cnt + 1'b1;    //垂直扫描    always@(posedge clk_25M or negedge RSTn)            if(!RSTn) y_cnt <= 'd0;        else if (y_cnt == V_SYNC_TOTAL) y_cnt <= 'd0;        else if (x_cnt == H_SYNC_TOTAL) y_cnt <= y_cnt + 1'b1;        else y_cnt <= y_cnt;    //H_SYNC信号    always@(posedge clk_25M or negedge RSTn)            if(!RSTn) hsync <= 'd0;        else if (x_cnt == 'd0) hsync <= 1'b0;        else if (x_cnt == H_SYNC_END) hsync <= 1'b1;        else  hsync <= hsync;    //_SYNC信号    always@(posedge clk_25M or negedge RSTn)            if(!RSTn) vsync <= 'd0;        else if (y_cnt == 'd0) vsync <= 1'b0;        else if (y_cnt == V_SYNC_END) vsync <= 1'b1;        else  vsync <= vsync;   

  由于VGA需要一个时钟来管理扫描的速度，因此这个时钟大小就应当为扫面面积*刷新率，如上例中的640*480@60Hz的显示方式需要的VGA时钟大小为800*525*60=25.2MHz（扫描时不仅包括显示区域，还有同步脉冲、显示前沿和显示后沿，因此整个区域要大于分辨率）。VGA时钟可以用PLL或分频等方法产生，通常要求不会太严苛，上例取整为25MHz即可。

  为了后面的显示方便，一种实用的方法是再定义两个寄存器，专门存储显示区域的坐标，即以可以显示的第一个像素点为坐标（0，0）。

    assign x_pos = x_cnt - H_SHOW_START;    assign y_pos = y_cnt - V_SHOW_START;

  这样上例中行扫描计数器和列扫描计数器的范围分别为800和525，而显示区域的坐标x_pos和y_pos范围只有640和480。

---

VGA显示图形、波形、文字

  其实在得到了显示区域的坐标后，我们控制显示图像的方法就是当计数器扫描到指定位置后，为R、G、B三组信号赋值得到对应的图形。以前面写的“FPGA综合系统设计（一）：贪吃蛇游戏（VGA+键盘）”这个工程中的显示部分代码为例：

always@(posedge clk_25M)        if (area)  //坐标处于显示分数的区域内，80*80        begin                  case(pop)                0:    color_out <= data0 ? 3'b111 : 3'b000;                1:    color_out <= data1 ? 3'b111 : 3'b000;                2:    color_out <= data2 ? 3'b111 : 3'b000;                3:    color_out <= data3 ? 3'b111 : 3'b000;                4:    color_out <= data4 ? 3'b111 : 3'b000;                5:    color_out <= data5 ? 3'b111 : 3'b000;                6:    color_out <= data6 ? 3'b111 : 3'b000;                7:    color_out <= data7 ? 3'b111 : 3'b000;                8:    color_out <= data8 ? 3'b111 : 3'b000;                9:    color_out <= data9 ? 3'b111 : 3'b000;                10:   color_out <= data10 ? 3'b111 : 3'b000;                11:   color_out <= data11 ? 3'b111 : 3'b000;                12:   color_out <= data12 ? 3'b111 : 3'b000;               default :  color_out <= 3'b000;             endcase        end        else       //坐标处于游戏界面的区域内        begin                         lox=x_pos[3:0]; //取偏移坐标             loy=y_pos[3:0];              /* 根据当前扫描到的点是哪一部分输出相应颜色 */            /*苹果*/if(x_pos[9:4]==apple_x&&y_pos[9:4]==apple_y)                 case({loy,lox})                                     8'b0000_0000:color_out=3'b000;                    default:color_out=3'b001;                endcase            /*背景*/              else if(snake==NONE)                color_out=3'b000;            /*墙壁*/              else if(snake==WALL)                color_out=3'b101;            /*蛇头与蛇身*/            else if(snake==HEAD|snake==BODY)                     case({lox,loy})                     8'b0000_0000:color_out=3'b000;                     default:color_out=(snake==HEAD)?HEAD_COLOR:BODY_COLOR;                endcase                     end

  看这个的设计思路，always里我把整个显示区域划分为if（area)和else两个区域，area是用逻辑判断定义好的一个80*80大小的区域，用来显示分数；else则是显示屏的剩下区域， 用来显示游戏。

  先看if(area)区域，我事先将各个分数以图片的形式存到了ROM中，所有的ROM接的是一组地址线，每个ROM又有不同的数据线。根据当前的游戏分数，我使用case来决定选择哪个ROM中的图形作为当前区域的输出。这个设计思路用处就大了，比如显示电压、电流、频率等如何让其动态变化，这就是一种好的方法。

  再来看else区域，我使用计数器位数之间的关系，来将整个屏幕划分为几个小格子，然后根据格子应当属于哪种游戏元素来决定显示什么颜色，这样整个显示区域就划分为苹果、墙壁、蛇头、蛇身等各个游戏元素。

  其实显示波形的方法和else区域显示的方法基本是一样的。假设我要画一段512个点长的频谱，我就可以选择出行计数器扫描中的512个像素点，每一个像素点作为一个频谱点；用同样的方法，我们把列计数器扫描的像素点按一定比例分配给不同的峰值，这样扫描到指定点时输出颜色，看起来就是一个完整的频谱图了。当然如果觉得图形不够连贯，可以用更多像素点来显示，对中间的像素点插值即可。