一、VGA的誘惑
首先，VGA的驅(qū)動，這事，一般的單片機是辦不到的；由于FPGA的速度，以及并行的優(yōu)勢，加上可現(xiàn)場配置的優(yōu)勢，VGA的配置，只有俺們FPGA可以勝任，也只有FPGA可以隨心所欲地配置（當(dāng)然ARM也可以，應(yīng)用比較高吧）。
初學(xué)者就是喜歡看炫的效果，往往會忍不住想玩。尤其玩FPGA的，沒玩VGA就感到跟單片機沒啥提升，因此VGA的驅(qū)動也不得不講。Bingo當(dāng)年也是如此。擋不住VGA的誘惑，初學(xué)者問Bingo VGA問題的人也是灰常的多，也許一般教科書理論太強，實際應(yīng)用不是很身后，在此Bingo用淺顯易懂的語言來講述VGA的驅(qū)動原理，以及通過設(shè)計一個可移植模塊的應(yīng)用來講述。
二、VGA驅(qū)動原理
此處Bingo不參考任何資料，用當(dāng)年已學(xué)的知識，用淺顯易懂的語言講述。
2、VGA時序
VGA其實就是相當(dāng)于一塊芯片，跟單片機驅(qū)動IC一樣，滿足一定的時序，便能驅(qū)動起來。
（1）掃描軌跡
VGA的掃描其實很簡單，大致軌跡如下所示：
沒掃描完一行，從新開始下一行；每掃完一場，重新開始下一場。相信你應(yīng)該看的懂。
（2）行場掃描
以下是行掃描，場掃描HS，VS時序圖
如上如所示：VGA一直在掃描，沒一場的掃描包括了若干行掃描，如此循環(huán)。
（3）VS時序深入分析
VS時序如下所示：
可見時序的循環(huán)，可被劃分為a，b，c，d4個時期。這四個時期定義如下：
A~B：場消隱期 即同步，相當(dāng)于還原掃描坐標(biāo)吧
B~C：場消隱后肩 相當(dāng)于準(zhǔn)備開始掃描吧
C~D：場顯示期 掃描中，數(shù)據(jù)有效區(qū)域
D~E：場消隱前肩 完成掃描，相當(dāng)于準(zhǔn)備同步
（4）HS時序深入分析
可見時序的循環(huán)，可被劃分為a，b，c，d4個時期。這四個時期定義如下：
A~B：行消隱期 即同步，相當(dāng)于還原掃描坐標(biāo)吧
B~C：行消隱后肩 相當(dāng)于準(zhǔn)備開始掃描吧
C~D：行顯示期 掃描中，數(shù)據(jù)有效區(qū)域
D~E：行消隱前肩 完成掃描，相當(dāng)于準(zhǔn)備同步
綜上描述，我們只要知道每個時期的時間，便可以表示出VGA的時序。而FPGA的工作是由固定頻率的時鐘觸發(fā)的，因此某固定時間可以用n次觸發(fā)來表示。因此我們很容易就想到了FPGA常用的計數(shù)方法：比如說行掃描，我們計數(shù)0~H_total-1。用另一個進(jìn)程將其劃分為4個時期，安標(biāo)注分配。其實這相當(dāng)于狀態(tài)機。
以下是固定分辨率1024*768 60fps下HS,VS的標(biāo)準(zhǔn)：
用代碼表示4個時期，如下：
// VGA_1024_768_60fps_65MHz
// Horizontal Parameter( Pixel )
parameter H_DISP = 11'd1024,
parameter H_FRONT = 11'd24,
parameter H_SYNC = 11'd136,
parameter H_BACK = 11'd160,
parameter H_TOTAL = 11'd1344,
// Virtical Parameter( Line )
parameter V_DISP = 10'd768,
parameter V_FRONT = 10'd3,
parameter V_SYNC = 10'd6,
parameter V_BACK = 10'd29,
parameter V_TOTAL = 10'd806
3、VGA電路
（1）三原色
VGA接口：R,G,B三通道，直接賦給數(shù)字信號，RGB，最多產(chǎn)生8種色彩。這是最基本的。電路如下所示：
（2）真彩顯示
a) 電阻網(wǎng)絡(luò)
考慮到成本意識實現(xiàn)的簡易方案，用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)分流模擬DAC替換ADV7123視頻轉(zhuǎn)換芯片。見以下幾個方案：
DE1 VGA模擬電路
小馬哥電路圖
具體設(shè)計參考Bingo當(dāng)年總結(jié)：
http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/07/31/1789323.html
或者參考小馬哥設(shè)計：
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=3582675&bbs_page_no=1&search_mode=2&search_text=VGA&bbs_id=9999
b) 專用視頻轉(zhuǎn)換芯片
利用專用視頻轉(zhuǎn)換芯片，ADV7120等，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為VGA RGB的模擬信號。ADV7120為高速D/A芯片，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸給VGA，電路如下：
三、可移植VGA模塊設(shè)計
Bingo玩VGA也算是比較早了，當(dāng)年也是視覺的誘惑，以及唯FPGA獨尊的優(yōu)勢。于是之后一發(fā)而不可收拾。本章Bingo將自己這些年最終優(yōu)化的VGA驅(qū)動模塊，發(fā)布至此。本模塊所有代碼均Bingo獨家創(chuàng)造，請尊重版權(quán)哈。
本設(shè)計已經(jīng)封裝成模塊，只要修改時序參數(shù)、掃描時鐘參數(shù)以及在vga_display.v中添加顯示電路，即可。方便移植，希望對大家有用。
1、模塊劃分
（1）vga_design.v
工程頂層文件，例化各個模塊。
（2）sys_ctrl.v
PLL時鐘分配電路。
（3）vga_display.v
顯示電路，根據(jù)時序，用于描述VGA的顯示電路。
（4）vga_driver.v
VGA驅(qū)動電路，對時序，狀態(tài)的約束。
RTL圖如下所示：
2、代碼設(shè)計
Bingo例程以16bit RGB VGA驅(qū)動為例，不同位數(shù)的顯示只要改一下vga_data即可。
前文以及代碼講述了那么多，此處不再貼完整代碼，而是對代碼中部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。
代碼下載地址：http://blog.chinaaet.com/detail/21606.html
（1）vga_driver.v代碼分析
a) 參數(shù)例化列表
#(
// VGA_1024_768_60fps_65MHz
// Horizontal Parameter ( Pixel )
parameter H_DISP = 11'd1024,
parameter H_FRONT = 11'd24,
parameter H_SYNC = 11'd136,
parameter H_BACK = 11'd160,
parameter H_TOTAL = 11'd1344,
// Virtical Parameter ( Line )
parameter V_DISP = 10'd768,
parameter V_FRONT = 10'd3,
parameter V_SYNC = 10'd6,
parameter V_BACK = 10'd29,
parameter V_TOTAL = 10'd806
)
這樣寫的目的是為了軟件封裝性，能夠在例化的時候修改法分辨率，同時電路結(jié)構(gòu)保持不變。
DISP，F(xiàn)RONT ，SYNC，BACK，TOTAL分別為顯示期，消隱前肩，消音期，消隱后肩，總時間，各自對應(yīng)各自的行場信號。
b) 行同步信號設(shè)計
//------------------------------------------
// 行同步信號發(fā)生器
reg [10:0] hcnt;
always @ (posedge clk_vga or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
hcnt <= 0;
else
begin
if (hcnt < H_TOTAL-1'b1)
hcnt <= hcnt + 1'b1;
else
hcnt <= 0;
end
end
//------------------------------------------
always@(posedge clk_vga or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
vga_hs <= 1;
else
begin
if( (hcnt >= H_DISP+H_FRONT-1'b1) && (hcnt < H_DISP+H_FRONT+H_SYNC-1'b1) )
vga_hs <= 0;
else
vga_hs <= 1;
end
end
如上所示，分析代碼可以知道，行同步信號的計數(shù)狀態(tài)機按照時序的劃分，是以下過程：H_DISP，H_FRONT，H_SYNC，H_BACK，這似乎和上述分析的VGA時序不是完全吻合。但是VGA時序是一個循環(huán)，順推H_BACK個時終域便可以得到以上時期劃分，但是這樣更方便后續(xù)坐標(biāo)計數(shù)，因為Bingo此處這樣設(shè)計，當(dāng)然實際證明是完全可行的。
注意：(hcnt >= H_DISP+H_FRONT-1'b1) && (hcnt < H_DISP+H_FRONT+H_SYNC-1'b1) 只是因為后續(xù)坐標(biāo)計算，就把時序提前了1個時鐘已達(dá)到同步。
c) 場同步信號設(shè)計
同上。
d) 數(shù)據(jù)顯示坐標(biāo)以及輸出設(shè)計
//------------------------------------------
assign vga_xpos = (hcnt < H_DISP) ? hcnt[9:0]+1'b1 : 10'd0;
assign vga_ypos = (vcnt < V_DISP) ? vcnt[9:0]+1'b1 : 10'd0;
assign vga_rgb = ((hcnt < H_DISP) && (vcnt < V_DISP)) ? vga_data : 16'd0;
這部分很容易理解，在顯示期坐標(biāo)根據(jù)顯示的掃描而改變，在非顯示期，坐標(biāo)置零。
（2）Vga_display.v代碼分析
a) 標(biāo)準(zhǔn)色彩定義
//define colors RGB--5|6|5
localparam RED = 16'hF800;
localparam GREEN = 16'h07E0;
localparam BLUE = 16'h001F;
localparam WHITE = 16'hFFFF;
localparam BLACK = 16'h0000;
localparam YELLOW = 16'hFFE0;
localparam CYAN = 16'hF81F;
localparam ROYAL = 16'h07FF;
定義當(dāng)?shù)氐膮?shù)，目的是為了后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)色彩調(diào)用的方便，沒有其他作用。
b) 根據(jù)固定區(qū)域輸出數(shù)據(jù)
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
vga_data <= 16'h0;
else
begin
if (vga_xpos >= 0 && vga_xpos < (H_DISP/3))
vga_data <= RED;
else if(vga_xpos >= (H_DISP>>3)*1 && vga_xpos < (H_DISP/3)*2)
vga_data <= GREEN;
else
vga_data <= BLUE;
end
end
如上代碼，根據(jù)xpos坐標(biāo)，來輸出固定色彩。由于vga_driver模塊已經(jīng)完全設(shè)計好接口，因此vga_display.v模塊就是簡單的根據(jù)區(qū)域，輸出設(shè)計的顏色。
（3） Vga_ctrl.v代碼分析
a) 同步化解析
略。
b) 可控鎖相環(huán)PLL設(shè)計
本來可空鎖相環(huán)PLL設(shè)計，Bingo想單獨成章來講述的，但覺得可能別的地方實際應(yīng)用價值不是很大，最后便在此處闡明這樣設(shè)計的原因。
由于VGA不同分辨率的掃描時鐘不同，因此分辨率變化的時候，PLL的輸出時鐘是必要跟隨著變化。但是Bingo覺得好麻煩，于是想了偷懶的一招：PLL IP定義，無非是用Quartus II GUI對PLL參數(shù)的設(shè)定，最后生成pll.v這個文件。而這個文件相當(dāng)于是鎖相環(huán)的驅(qū)動電路，故勢必包含著參數(shù)的定義。實際如下：
altpll_component.clk0_divide_by = 1,
altpll_component.clk0_duty_cycle = 50,
altpll_component.clk0_multiply_by = 1,
如上圖所示，每次修改參數(shù)，這三個變量會相應(yīng)的發(fā)生變化。因此，何不把這三個參數(shù)作為例化的參數(shù)，可以再頂層直接修改代碼來實現(xiàn)固定頻率的輸出？這樣豈不是很方便？
因此設(shè)計參數(shù)例化接口如下：
#(
parameter DUTY_CYCLE = 50,
parameter DIVIDE_DATA = 1,
parameter MULTIPLY_DATA = 1
)
理論上是完全行得通的，這樣設(shè)計的另一個好處就是電路的封裝性更好Bingo實踐證明，完全可行，因此在此處說明，要學(xué)會正確的偷懶呵呵。
（4）Vga_design.v頂層文件代碼解析
a) Vga接口定義
//vga interface
output vga_adv_clk,
output vga_blank_n,
output vga_sync_n,
output vga_hs,
output vga_vs,
output [15:0] vga_rgb
如上所示，上面三個信號線是在使用adv712x視頻轉(zhuǎn)換芯片的時候才會出現(xiàn)，一般的電阻模擬電路，或者直接RGB3線驅(qū)動，可以直接刪除相關(guān)信號以及電路。
b) 進(jìn)一步偷懶法則
根據(jù)常用的幾種分辨率，Bingo進(jìn)行了總結(jié)，以下三種應(yīng)用較多，因此進(jìn)一步偷懶法則，圍繞他們?nèi)邅恚ú辉谶@三種以內(nèi)的話，自己模仿著再寫一個）：
VGA_640_480_60FPS_25MHz
VGA_800_600_72FPS_50MHz
VGA_1024_768_60FPS_65MHz
Verilog語法也有define的用法，是否還記得C語言中，大工程的調(diào)試經(jīng)常對相關(guān)變量的注釋，注銷來調(diào)整整個工程變量的應(yīng)用，因此此處Bingo套用這種思維模式，定義以上三種模式的變量，通過修改注釋define便可以輕松修改全局。具體如下所示：
//----------------------------------------
//vga parameter define
//`define VGA_640_480_60FPS_25MHz
//`define VGA_800_600_72FPS_50MHz
`define VGA_1024_768_60FPS_65MHz
`ifdef VGA_640_480_60FPS_25MHz
parameter DUTY_CYCLE = 50;
parameter DIVIDE_DATA = 2;
parameter MULTIPLY_DATA = 1;
parameter H_DISP = 11'd640;
parameter H_FRONT = 11'd16;
parameter H_SYNC = 11'd96;
parameter H_BACK = 11'd48;
parameter H_TOTAL = 11'd800;
parameter V_DISP = 10'd480;
parameter V_FRONT = 10'd10;
parameter V_SYNC = 10'd2;
parameter V_BACK = 10'd33;
parameter V_TOTAL = 10'd525;
`endif
`ifdef VGA_800_600_72FPS_50MHz
parameter DUTY_CYCLE = 50;
parameter DIVIDE_DATA = 1;
parameter MULTIPLY_DATA = 1;
parameter H_DISP = 11'd800;
parameter H_FRONT = 11'd56;
parameter H_SYNC = 11'd120;
parameter H_BACK = 11'd64;
parameter H_TOTAL = 11'd1040;
parameter V_DISP = 10'd600;
parameter V_FRONT = 10'd37;
parameter V_SYNC = 10'd6;
parameter V_BACK = 10'd23;
parameter V_TOTAL = 10'd666;
`endif
`ifdef VGA_1024_768_60FPS_65MHz
parameter DUTY_CYCLE = 50;
parameter DIVIDE_DATA = 10;
parameter MULTIPLY_DATA = 13;
parameter H_DISP = 11'd1024;
parameter H_FRONT = 11'd24;
parameter H_SYNC = 11'd136;
parameter H_BACK = 11'd160;
parameter H_TOTAL = 11'd1344;
parameter V_DISP = 10'd768;
parameter V_FRONT = 10'd3;
parameter V_SYNC = 10'd6;
parameter V_BACK = 10'd29;
parameter V_TOTAL = 10'd806;
`endif
四、Display方案以及效果
1、彩條
（1）代碼
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
vga_data <= 16'h0;
else
begin
if (vga_xpos >= 0 && vga_xpos < (H_DISP>>3))
vga_data <= RED;
else if(vga_xpos >= (H_DISP>>3)*1 && vga_xpos < (H_DISP>>3)*2)
vga_data <= GREEN;
else if(vga_xpos >= (H_DISP>>3)*2 && vga_xpos < (H_DISP>>3)*3)
vga_data <= BLUE;
else if(vga_xpos >= (H_DISP>>3)*3 && vga_xpos < (H_DISP>>3)*4)
vga_data <= WHITE;
else if(vga_xpos >= (H_DISP>>3)*4 && vga_xpos < (H_DISP>>3)*5)
vga_data <= BLACK;
else if(vga_xpos >= (H_DISP>>3)*5 && vga_xpos < (H_DISP>>3)*6)
vga_data <= YELLOW;
else if(vga_xpos >= (H_DISP>>3)*6 && vga_xpos < (H_DISP>>3)*7)
vga_data <= CYAN;
else// if(vga_xpos >= (H_DISP<<3)*7 && vga_xpos < (H_DISP<<3)*8)
vga_data <= ROYAL;
end
end
通過簡單的對X坐標(biāo)地址的分割，來得到彩條。這是應(yīng)該是VGA初學(xué)者一開始最興奮的幾個界面吧。
（2）效果圖
2、花型矩陣
（1）代碼
wire [19:0] vga_result = vga_xpos * vga_ypos;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
vga_data <= 16'h0;
else
vga_data = vga_result[15:0];
end
通過x坐標(biāo)地址和y坐標(biāo)地址的乘積的值，取低16位，得到的數(shù)據(jù)有一定的規(guī)律。Bingo當(dāng)年也是不小心發(fā)現(xiàn)的，僅此獻(xiàn)給初學(xué)的孩子們，這個比彩條更帥氣。
（2）效果圖
下載文檔
