VGA圖像控制器的CPLD/FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心是EDA技術(shù)。EDA技術(shù)依賴(lài)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA軟件工具平臺(tái)上，以硬件描述語(yǔ)言VHDL為系統(tǒng)邏輯描述的主要手段完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　利用可編程器件CPLD/FPGA實(shí)現(xiàn)VGA彩色顯示控制器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有許多實(shí)際應(yīng)用。以硬件描述語(yǔ)言VHDL對(duì)可編程器件進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)、仿真綜合，可實(shí)現(xiàn)VGA顯示控制器顯示各種圖形、圖像、文字，并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)畫(huà)效果。

VGA 接口及設(shè)計(jì)參數(shù)

　　VGA接口是與顯示器進(jìn)行通信的唯一接口。通過(guò)CPLD/FPGA器件對(duì)RGB信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)等信號(hào)的控制，并參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VGA顯示器的控制。由此可見(jiàn)，了解接口標(biāo)準(zhǔn)，控制時(shí)序和設(shè)定恰當(dāng)?shù)膮?shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　參照VGA主要參數(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，像素輸出頻率為25.175MHz；行頻(線(xiàn)頻率)為31.469KHz；場(chǎng)頻(刷新率)為59.94Hz。參數(shù)設(shè)計(jì)原理以及行同步信號(hào)(Ts)與顯示
　　信號(hào)(Tdis)的關(guān)系如圖1所示。

VGA 圖像控制器的設(shè)計(jì)方案

　　VGA圖像控制器是一個(gè)較大的數(shù)字系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計(jì)原則，借鑒自頂而下的程序設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行功能分離并按層次設(shè)計(jì)。將VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)與原理圖設(shè)計(jì)相結(jié)合，逐一對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行仿真，使頂層VGA圖像控制器的模塊實(shí)體仿真綜合得以順利通過(guò)。VGA控制器主要由以下模塊組成：消隱模塊，顯示模塊，分頻模塊，網(wǎng)格生成模塊，漢字顯示模塊，圖像控制模塊，動(dòng)畫(huà)生成模塊，LPM-ROM調(diào)用模塊，EEPROM調(diào)用模塊等。功能模塊的VHDL設(shè)計(jì)如下。

消隱模塊

　　消隱模塊是整個(gè)顯示控制器的關(guān)鍵部分，顯示模塊、漢字模塊、彩條模塊、網(wǎng)格模塊、動(dòng)畫(huà)控制模塊、LPM-ROM調(diào)用模塊等都由消隱模塊控制，并且行同步信號(hào)(HS)和場(chǎng)同步信號(hào)(VS)都由該模塊產(chǎn)生。
圖2是消隱模塊的仿真結(jié)果。由于CLK頻率相當(dāng)高，像素速率也很高，為了觀(guān)察HS、VS信號(hào)，適當(dāng)縮小了波形比例。其中， C[9..0]為像素坐標(biāo)值，L[8..0]為掃描線(xiàn)信號(hào)，也就是像素的橫坐標(biāo)。

顯示模塊

　　顯示模塊是整個(gè)顯示控制器的重要組成部分。各個(gè)模塊的輸出數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)該模塊處理后送到顯示器。顯示模塊在VGA顯示控制器中起著至關(guān)重要的作用。
顯示模塊的VHDL設(shè)計(jì)如下：

ARCHITECTURE BEHAVE OF DISPLAY IS
SIGNAL GRB: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1);
BEGIN
GRB(2)<=GRBP(2) AND HS AND VS;
GRB(3)<=GRBP(3) AND HS AND VS;
GRB(1)<=GRBP(1) AND HS AND VS;
R<=GRB(2);
G<=GRB(3);
B<=GRB(1);
END BEHAVE;

　　顯示模塊仿真波形如圖3所示。

　　GRBP為三原色數(shù)據(jù)信號(hào)，由模式控制模塊產(chǎn)生；行同步信號(hào)HS由消隱模塊產(chǎn)生；場(chǎng)同步信號(hào)VS由消隱模塊產(chǎn)生。輸出的R、G、B信號(hào)分別為紅色、綠色、藍(lán)色信號(hào)。

　　顯示模塊的輸出信號(hào)直接連到VGA接口，它是控制器與顯示器進(jìn)行通信的橋梁。該模塊以VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，該模塊中的結(jié)構(gòu)體描述一共只用了6條語(yǔ)句。而要實(shí)現(xiàn)同樣的功能，一般操作系統(tǒng)的視頻卡驅(qū)動(dòng)程序需要冗長(zhǎng)的代碼去描述。由此可見(jiàn)，VHDL語(yǔ)言具有很大的優(yōu)越性。

漢字生成模塊

　　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(lái)獲得，得到了漢字的字模信息后，可以通過(guò)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。

網(wǎng)格生成模塊

　　網(wǎng)格生成模塊用來(lái)編輯各種圖形。網(wǎng)格生成模塊的實(shí)現(xiàn)原理與漢字生成模塊、彩條發(fā)生器類(lèi)似，在像素的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)控制下，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)格圖形的生成。網(wǎng)格生成模塊所產(chǎn)生的九種圖形送顯示器依次顯示，所以可以看到網(wǎng)格由小到大逐漸變化，雖然不是動(dòng)畫(huà)效果，但每秒一幀畫(huà)面的速度依然使圖像連續(xù)變化呈現(xiàn)出動(dòng)感。網(wǎng)格以及背景的顏色也可以隨意設(shè)置。每幀圖像的速率可由時(shí)鐘來(lái)控制。

　　網(wǎng)格生成模塊的主要功能是編輯各種圖形，因此本模塊可以按照設(shè)計(jì)方案生成各種各樣的圖形。網(wǎng)格的選擇是一種比較簡(jiǎn)單的圖像編輯，該部分雖然名為網(wǎng)格生成模塊，但實(shí)際上可以編輯出多種彩色圖像。

LPM-ROM調(diào)用模塊

　　LPM是參數(shù)可設(shè)置模塊庫(kù)。本設(shè)計(jì)中調(diào)用了三個(gè)LPM-ROM，其中兩個(gè)用來(lái)存放漢字信息，另一個(gè)用來(lái)存放動(dòng)態(tài)彩條信息。調(diào)用LPM-ROM模塊，一個(gè)重要的問(wèn)題就是*.mif文件的生成。這里文件生成借助字模提取軟件和WORD編輯功能。設(shè)置好參數(shù)后，生成元件作為自定義元件庫(kù)中的元件以供調(diào)用。

　　LPM-ROM調(diào)用模塊為不使用外掛ROM而建立字庫(kù)提供了條件，直接調(diào)用LPM模塊，可以大大提高效率。通過(guò)LPM-ROM可以在顯示器上顯示漢字、字符等。

EEPROM調(diào)用模塊

　　EEPROM調(diào)用模塊是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)外掛的兩個(gè)EEPROM(W27E040和W27C020)的訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)該模塊可以使顯示器顯示各種各樣的彩色圖像。

圖像模式控制模塊

　　圖像模式控制模塊也是該數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的主體部分是一個(gè)功能齊全的數(shù)據(jù)選擇器(32選1)。

　　該模塊由一個(gè)32選1數(shù)據(jù)選擇器和一個(gè)32進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器組成。可逆計(jì)數(shù)器控制端為EC、DIR、CLR，MD為計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)數(shù)結(jié)果(即對(duì)應(yīng)一種模式)是數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行選擇的依據(jù)，通過(guò)對(duì)可逆計(jì)數(shù)器的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模式選擇的控制。

　　圖像控制模塊共產(chǎn)生了32種模式，由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)模式的有效控制。其實(shí)圖像控制模塊功能還可以進(jìn)一步擴(kuò)展。計(jì)數(shù)器輸出為8比特，實(shí)際共有255種模式，在輸入的32個(gè)信號(hào)中，可以將它們其中的任意幾個(gè)進(jìn)行再處理，如疊加、異或(棋盤(pán)格生成就是橫彩條與豎彩條的異或而實(shí)現(xiàn)的)、相與等等，這樣就可以產(chǎn)生成千上萬(wàn)種圖形的輸出。

　　VGA控制器中的十余個(gè)模塊都采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，每個(gè)模塊在功能仿真無(wú)誤后生成元件，放入元件庫(kù)中，由頂層原理圖調(diào)用各個(gè)模塊(元件)。VGA圖像控制器整體設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)調(diào)試，通過(guò)了MAX+PLUSⅡ的功能仿真、時(shí)序仿真以及硬件仿真綜合，在VGA顯示器上實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的各種功能。

結(jié)語(yǔ)

　　利用可編程邏輯器件可以很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于CPLD/FPGA器件的VGA控制器可以實(shí)現(xiàn)顯示器的實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)性能高低取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)以及開(kāi)發(fā)工具的性能。