基于FPGA 的VGA 圖形控制器的實(shí)現(xiàn)方法

引言

　　VGA（視頻圖形陣列）作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到廣泛的應(yīng)用。利用FPGA 芯片和EDA 設(shè)計(jì)方法，可以因地制宜，根據(jù)用戶的特定需要，設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)的VGA 顯示控制器，不僅能夠大大降低成本，還可以滿足生產(chǎn)實(shí)踐中不斷變化的用戶需要，產(chǎn)品的升級(jí)換代方便迅速。

　　在本設(shè)計(jì)中采用了Altera 公司的EDA 軟件工具Quartus II ,并以ACEX系列FPGA 的器件為主實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

　　1 基于FPGA 的VGA 圖形控制器系統(tǒng)框圖

　　根據(jù)自頂向下的程序設(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)計(jì)，我們對(duì)VGA 圖形控制器進(jìn)行功能分離并按層次設(shè)計(jì)。利用VHDL 硬件描述語言逐一對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行描述，并逐個(gè)通過編譯仿真，最后下載到硬件平臺(tái)調(diào)試。本設(shè)計(jì)的VGA 控制器主要由以下模塊組成：VGA 時(shí)序控制模塊、分頻模塊、漢字顯示模塊、圖像控制模塊、ROM讀取模塊等，如圖1 所示。

　　圖1 　基于FPGA 的VGA 圖形控制系統(tǒng)框圖

　　2 　主要功能模塊設(shè)計(jì)

　　2. 1 VGA 時(shí)序控制模塊

　　VGA 時(shí)序控制模塊是整個(gè)顯示控制器的關(guān)鍵部分，最終的輸出信號(hào)行、場(chǎng)同步信號(hào)必須嚴(yán)格按照VGA 時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)。對(duì)于普通的VGA 顯示器， 其引出線共含5 個(gè)信號(hào)： G,R ,B （3 基色信號(hào)） ,HS（行同步信號(hào)） ,VS（場(chǎng)同步信號(hào)） 。在5個(gè)信號(hào)時(shí)序驅(qū)動(dòng)時(shí)，VGA 顯示器要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”， 即640 Hz ×480 Hz ×60Hz 模式。

　　對(duì)于VGA 顯示器，每個(gè)像素點(diǎn)的輸出頻率為25. 175MHz ,因此采用50MHz 的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過二分頻模塊，得到25MHz 的輸入時(shí)鐘脈沖。依據(jù)VGA 時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，行同步信號(hào)HS ,行周期為31. 78μs ,每顯示行包括800 點(diǎn)，其中640 點(diǎn)為有效顯示區(qū)，160 點(diǎn)為行消隱區(qū)，每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為3. 81μs （即96 個(gè)脈沖） ; 場(chǎng)同步信號(hào)VS ,場(chǎng)周期為16.683ms ,每場(chǎng)有525 行，其中480 行為有效顯示行，45 行為場(chǎng)消隱區(qū)，每場(chǎng)有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為63μs （2 行）。

　　圖2 VGA 行掃描、場(chǎng)掃描的時(shí)序圖

　　依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，把輸入的25MHz 時(shí)鐘脈沖按照對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)和掃描行數(shù)進(jìn)行分頻處理，可以得到最后符合時(shí)序要求的行頻率和刷新頻率。

　　利用Altera 公司的QuartusII 軟件對(duì)VHDL 語言描述的VGA 時(shí)序控制模塊進(jìn)行編譯、仿真，可得到行同步信號(hào)HS , 場(chǎng)同步信號(hào)VS 的時(shí)序仿真波形，如圖3 所示。

圖3 時(shí)鐘信號(hào)仿真圖

　　由仿真結(jié)果波形可以看到，行同步信號(hào)的時(shí)鐘周期約為31. 9μs ，場(chǎng)同步信號(hào)的時(shí)鐘周期約為16。

　　6ms ,達(dá)到了VGA 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序的要求，可以為CRT 顯示器提供準(zhǔn)確的行場(chǎng)同步信號(hào)。

　　在硬件系統(tǒng)上，通過彩條圖案的生成驗(yàn)證了時(shí)序生成的正確性，可產(chǎn)生豎彩條、橫彩條、棋盤格等多種彩條模式。

　　2. 2 漢字顯示模塊

　　漢字生成模塊可實(shí)現(xiàn)在顯示器上顯示漢字、字符等。字模信息可以利用字模提取軟件來獲得，得到了漢字的字模信息后，可以通過屏幕上的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)按照字模信息定義像素的顏色，這樣就可以顯示任何字體、任何點(diǎn)陣的漢字，并根據(jù)需要決定漢字在屏幕上的位置。至于英文以及其他任何符號(hào)的顯示原理與漢字顯示的原理一樣。

　　顯示器上顯示的漢字精細(xì)度取決于顯示屏所分網(wǎng)格的數(shù)目多少。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同要求設(shè)定不同的網(wǎng)格數(shù)目。Altera 公司的FPGA 器件內(nèi)均內(nèi)置— 26 —了嵌入式陣列塊EAB ，通過調(diào)用其中的LPM ROM模塊，可任意設(shè)置參數(shù)，構(gòu)成內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器，存放所必要的字模信息，能與漢字顯示模塊配合，顯示出任意漢字。

　　2. 3 圖形顯示模塊

　　2. 3. 1 ROM讀取控制模塊

　　當(dāng)VGA 顯示器要顯示一幀圖像，需要比較大的數(shù)據(jù)量，F(xiàn)PGA 芯片內(nèi)置的ROM 存儲(chǔ)器難以滿足這么大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，必須把圖像數(shù)據(jù)存入外部的存儲(chǔ)器中。

　　外部存儲(chǔ)器可以有多種選擇， 如ROM,、雙口RAM、甚至SDRAM 等，采用何種存儲(chǔ)器將最終決定讀取控制模塊的數(shù)據(jù)讀取方式。如ROM 可用直接產(chǎn)生地址信號(hào)的方式對(duì)芯片進(jìn)行訪問，而SDRAM常常利用DMA 控制方式配合CPU 進(jìn)行讀寫操作。

　　這里采用型號(hào)為28C040 的4M EEPROM 外部存儲(chǔ)器，可以在單片內(nèi)存儲(chǔ)整屏圖像，同時(shí)考慮到存儲(chǔ)空間的大小，本設(shè)計(jì)采用每個(gè)像素的顏色位深為3 位，共可顯示8 種顏色。此模塊最終仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 地址信號(hào)仿真圖

　　由圖中的仿真結(jié)果可以看到，地址信號(hào)每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘脈沖加1 ,而每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘脈沖代表掃描過一個(gè)像素點(diǎn)，由此可驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)的正確性。

　　2. 3. 2 BMP 圖像數(shù)據(jù)存入ROM

　　要把一幅圖像的數(shù)據(jù)寫入ROM,首先必須解決的就是寫入文件的格式問題。一般的方法是通過編程器把Intel Hex ,或者二進(jìn)制文件。 bin 逐字節(jié)寫入ROM。而圖像都具有固定的格式，如BMP , JPEG,GIF 等，其中的BMP 格式圖像是一種很常見的圖像格式，沒有經(jīng)過壓縮處理，且文件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于處理，在本設(shè)計(jì)中采用了BMP 圖像作為研究對(duì)象。將BMP 文件直接轉(zhuǎn)化為Intel Hex 文件比較困難，因此可先將BMP 格式文件轉(zhuǎn)化為mif 格式文件，再由Quartus II 直接將mif 文件轉(zhuǎn)化為Intel Hex 文件，最后再將圖像數(shù)據(jù)燒寫入ROM中。由于沒有現(xiàn)成的轉(zhuǎn)換程序，選擇Visual C ++ 自行編寫轉(zhuǎn)換程序。

　　Memory Initialization File （ . mif） 格式是Quartus II中ROM的初始化數(shù)據(jù)文件格式，它記錄方式比較簡(jiǎn)單，其中地址和數(shù)據(jù)都可為十進(jìn)制或十六進(jìn)制，冒號(hào)左邊是地址值，右邊是對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并以分號(hào)結(jié)尾。

　　相對(duì)mif 文件，BMP 格式的位圖文件稍顯復(fù)雜，它包括位圖文件頭結(jié)構(gòu)、位圖信息頭結(jié)構(gòu)、位圖顏色表和位圖像素?cái)?shù)據(jù)四部分。位圖文件的保存順序如下：位圖文件頭→位圖信息頭→位圖顏色表→位圖像素?cái)?shù)據(jù)。處理位圖時(shí)要根據(jù)文件的這些結(jié)構(gòu)得到位圖文件大小、位圖的寬、高、實(shí)現(xiàn)調(diào)色板、得到位圖像素值等等。以目前應(yīng)用較為廣泛的24 位真彩色圖像為例，其特點(diǎn)是：24 位真彩色圖像存儲(chǔ)文件中不帶有圖像顏色表；圖像中每一像素由RGB 三個(gè)分量組成，每個(gè)分量各8 位，每個(gè)像素需24 位；顏色分量值f red , f green , f blue 的取值范圍都為0 ～ 255。

　　對(duì)于用到顏色表的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值。對(duì)于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R , G ,B 值，一個(gè)像素是由3 個(gè)字節(jié)24位組成， 前8 位表示B , 中間8 位表示G , 后8 位表示R 。

　　由于硬件存儲(chǔ)資源的限制，取圖像像素的位深為3 ,總共可顯示8 種顏色。首先把BMP 圖像數(shù)據(jù)的RGB 分量分別讀出，并且各取1 位，即顏色分量值只能取值‘0’或‘1’。針對(duì)24 位真彩色圖像的特點(diǎn)，可對(duì)顏色分量值進(jìn)行粗略取樣，當(dāng)顏色分量值f red >127 ,取f red = 1 ;反之取f red = 0。同理，顏色分量值f green , f blue 可取得相應(yīng)的0 ,1二值。

　　最后在利用Visual C ++ 編寫轉(zhuǎn)換程序時(shí)應(yīng)注意，BMP 文件是從左至右，從下至上排列的，即讀文件時(shí)，最先讀到的是圖像最下面一行的左邊第一個(gè)像素，最后讀到的是最上面一行的最右邊一個(gè)像素，這與VGA 顯示器的掃描順序恰好相反。

　　3 結(jié)論

　　經(jīng)過硬件平臺(tái)的驗(yàn)證，基于FPGA 的VGA 圖形顯示器已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)彩條、漢字、小圖像和大圖像的顯示，并可實(shí)現(xiàn)FPGA 器件對(duì)顯示器的單片控制。

　　由于受到存儲(chǔ)器件容量的限制，本設(shè)計(jì)中存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)所采用的像素位深為3 位，共可顯示8種顏色。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用更大的存儲(chǔ)器，最終實(shí)現(xiàn)256 色圖像，乃至真彩色圖像的顯示。在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過使用SDRAM 等外部存儲(chǔ)器，利用DMA 控制方式，并且配合Altera 的nios 嵌入式軟核CPU ,可以在SOPC 開發(fā)平臺(tái)上最終實(shí)現(xiàn)兼容SVGA ,TVGA 標(biāo)準(zhǔn)等的更復(fù)雜顯示控制器。