基于FPGA的VGA图像显示控制器设计

四川师范大学成都学院本科毕业设计基于FPGA的VGA图像显示控制器设计学生姓名郑旺明学号**********所在系电子工程系专业名称电子信息工程（工民电）班级2008级2班指导教师胡迎刚四川师范大学成都学院二○一二年五月摘要本文介绍了一种利用可编程逻辑器件实现VGA图像显示控制的方法，阐述了VGA 图像显示控制器中VGA显像的基本原理以及功能演示，利用可编程器件FPGA设计VGA 图像显示控制的VHDL设计方案，并在Altera公司的QuartusII软件环境下完成VGA模块的设计。

而且给出了VGA模块的设计思路和顶层逻辑框图。

最终实现VGA图像显示控制器，VGA图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示的方法是在图像数据传输到计算机，并通过显示屏显示出在传输过程中，将图像数据的CPU需要不断的信号控制，所以造成CPU的资源浪费，系统还需要依靠计算机，从而减少了系统的灵活性。

FPGA 芯片和EDA设计方法的使用，可根据用户的需求，为设计提供了有针对性的VGA显示控制器，不需要依靠计算机，它可以大大降低成本，并可以满足生产实践中不断改变的需要，产品的升级换代和方便迅速。

关键词：可编程逻辑器件 VGA 图像控制器AbstractThis paper introduces a kind of make use of the programmable logic devices realize VGA images show control method, and expounds the VGA images show controller VGA imaging the basic principle and the demo function, using the programmable device FPGA design VGA images show the control design VHDL, Altera company in the QuartusII software environment complete VGA module design. Given the VGA module, the design idea and top logic diagram. Finally realize the VGA image display controller, VGA image controller is a larger number system, the traditional image shows the method is in the image data transmission to the computer, and through the screen shows in the transmission process, the image data CPU requires constant signal control, therefore creates CPU resources waste, the system also need to rely on the computer, thus reducing the flexibility of the system. FPGA chip and EDA design method of use, can according to customer demand, designed to provide targeted VGA display controller, don't need to rely on the computer, it can greatly reduce the cost, and can satisfy the production practice changing needs, product upgrading and convenient quickly.Keywords:Programmable logic devices VGA Image controller目录前言 (1)第1章 VGA概述 (2)1.1 VGA显示技术的发展概况 (2)1.2 VGA显示接口 (3)1.3 VGA显示原理 (4)1.4 VGA时序 (6)第2章 FPGA简介及设计流程 (8)2.1 FPGA简介 (8)2.2 FPGA设计流程 (9)2.3 VHDL简介 (11)2.4 Quartus II简介 (12)第3章设计方案 (13)3.1 设计的主要内容 (13)3.2 设计原理 (13)第4章系统实现 (14)4.1 VGA显示控制模块 (14)4.2 imgrom(图像数据ROM) (17)4.2.1 图像原理 (17)4.2.2 具体实现步骤 (18)4.3 二分频模块 (21)4.4 地址发生器模块 (22)4.5 顶层设计 (22)4.6 设计结果 (23)第5章结束语 (24)附录 (26)显示扫描模块代码 (26)二分频器模块代码 (27)地址发生器模块代码 (28)参考文献 (28)前言现在社会，以计算机技术为核心的信息技术飞速发展，以及信息的爆炸式增长，人们获得很大一部分的视觉信息是从各种电子显示设备上获得的,为此对电子显示设备的要求也越来越高,在这些因素影响下,显示技术也取得了快速发展。

1987年IBM推出了一种高分辨率的视频传输标准即VGA（视频图形阵列），其具备显示速度快，分辨率高，和丰富的颜色等特点。

被广泛使用于彩色显示领域。

使用VGA显示控制器的FPGA设计有着高度的灵活性，并能够根据不同类型，规模，和不同的适用场合，尤其是工业产品，做一些特殊的设计，用最低的价格，满足系统的要求，并能解决一般显示控制器本身固有的一些点。

VGA图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示的方法是将图像数据传输到计算机，并通过显示屏显示出在传输过程中，在图像数据中的芯片需要不断的信号控制，所以造成芯片的资源浪费，系统还需要依靠计算机，从而减少了系统的灵活性。

采用FPGA芯片和EDA设计方法，可根据用户的需求，为设计提供了有针对性的VGA显示控制器，不需要依靠计算机，它可以大大降低成本，并可以满足生产实践中不断改变的需要，产品的升级换代和方便迅速。

第1章VGA概述伴随着市场上液晶显示器的出现，越来越多的数字产品开始使用液晶作为显示终端，不过基于VGA标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器。

如果想要驱动此类显示器，必须得有很高的扫描频率，以及极短的处理时间，综合诸多特点需要，所以选用FPGA 来实现对VGA显示器的驱动。

本次毕业设计即选用FPGA来实现VGA的显示。

现在，基于FPGA的设计方案越来越被用于更多的嵌入式系统，在基于FPGA的大规模嵌入式系统设计中，为了更好的实现VGA显示功能，既能使用专用的VGA接口芯SPX7111A 等，又可以设计和使用基于FPGA的VGA接口软核，其优点在于能使用VGA专用芯片具有更稳定的VGA时序和更多的显示模式可供选择。

此外设计和使用VGA接口软核更具有以下几点优势：◆使用芯片更少，节省板上资源，布线难度大大减少。

◆当高速数据进行传输时，减少高频噪声干扰。

◆采用FPGA（现场可编程门阵列）设计的VGA接口可以将要显示的数据直接传送到显示器，跳过计算机的处理过程，加快了数据的处理速度，从而有利的节约硬件成本。

◆整体设计费用降低，产品更具有价格优势。

现代EDA软件发展迅速，设计、仿真更容易实现，量化设计中各个环节，使得设计周期日益缩短。

1.1 VGA显示技术的发展概况VGA接口，它是一种被广泛使用的标准显示接口，大多数的显卡和显示器之间，以及二色等离子的电视输入图像模数的转换上使用了VGA接口。

它同样还被用于LCD的液晶显示设备，随着微电子制造工艺的发展，可编程逻辑器件也取得了长久的进步，早期的元器件只可以存储很少的数据，逻辑功能实现更为简单，然而发展至今，其完成的逻辑功能相对复杂，规模更大，速度更快，功耗更低！现阶段可编程逻辑器件主要有两大类，现场可编程逻辑器件（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

FPGA的运行速度快，管脚资源更加丰富，大规模的系统设计的实现相对简单，大量软核可供使用用，有利于二次开发使用，不仅如此，而且FPGA具备可重构的能力，抗看等特点。

因此，工业控制及其他领域也更加重视使用FPGA，利用FPG完成VGA显示控制，可以使图像的显示脱离PC机的控制，形成体积小、功耗低的格式嵌入式系统（便携式设备或手持设备），使用地面勘测，性能检测等方面，具有重要的现实意义[1]。

本设计在FPGA开发板上使用VGA接口的显示器显示彩条及简单的图形，可以成为整个采集系统的参考设计，实用价值良好。

1.2 VGA显示接口VGA接口是一种D型接口，上面共有15针孔，分成三排，每排五个。

其中，除了2根NC（Not Connect)信号、3根显示数据总线和5个GND信号，比较重要的是3根RGB彩色分量信号和2根扫描同步信号HSYNC和VSYNC针[2]。

VGA接口是显卡上使用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。

其排列及接口定义如图1.2-1所示:图1.2-1 VGA接口图在基于FPGA的VGA控制中，只需要考虑行场同步信号(Vs)、同步信号(Hs)、蓝基色(R)、红基色(B)、绿基色(G)这5个信号。

一旦能够从FPGA发出这5个信号到VGA接口，就表示可以实现对VGA的控制。

1.3 VGA显示原理VGA显示的图像原理：常见之彩色显示器，一般由CRT(即：阴极射线管)构成。

彩色则由R，G，B(红：RED，绿：GREEN，蓝：BLUE这三基色够成。

显示则采取逐行扫描得方式解决，使得从阴极射线枪中发出的电子束得以打在具有荧光粉得荧光屏上，产生R，G，三基色的彩色像素。

扫描随即开始从屏幕的左上方进行，从左到右，从上到下，进行扫描，每扫完了一行，电子束则返回于屏幕左边下面一行的初始位置，在这期间，CRT把电子束消隐了，每行完成结束时，行同步则采用行同步信号进行，扫描完所有行;场同步则采用场同步信号进行，并使扫描回到屏幕的左上方，同时场消隐进行，准备下一场的扫描。

它的行、场扫描时序示意图如图1.3-1所示。

现拿正极性分析，说明CRT 的全工作过程：R，G，B呈现正极性的信号，即视为高电平是有效的。

当VS=O、HS=O 时，CRT的内容被显示为亮的过程，即是正向扫描的过程大致为26s，当一行被扫描完成后，行同步HS=I，约需6s；其间，CRT的扫描会产生消隐，电子束即回到CRT的左边的下一行得起始位置(X=O，Y=I)，当扫描完成了480行以后，场同步VS=I，场同步的产生使扫描线回到CRT得第一行第一列(X=O，Y=O处，大约两个行周期)。