基于FPGA的VGA协议实现

前言
本文旨在初步连接vga协议，同时利用FPGA实现一些关于vga的小实验

一、VGA简介

VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。**VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。**VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

需要注意的是：VGA不是用来显示的那块屏幕，而是用来传输信号的接口。

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。VGA接口中彩色分量采用RS343电平标准。RS343电平标准的峰值电压为1V。VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。有些不带VGA接口而带有DVI(Digital Visual Interface数字视频接口）接口的显卡，也可以通过一个简单的转接头将DVI接口转成VGA接口，通常没有VGA接口的显卡会附赠这样的转接头。

管脚定义：

VGA显示原理：
VGA通过引脚的模拟电压(0V-0.714V)显示红绿蓝三种颜色，不同的电压值对应不同的颜色。
VGA驱动显示器用的是扫描的方式，一般是逐行扫描。
逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左像右逐点扫描，每扫描完一行,电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行同步；
当扫描完所有的行，形成一帧后，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐,开始下一帧。

VGA通信协议：

VS：帧时序
帧时序的四个部分别是:同步脉冲(Sync o)、显示后沿(Back porch p)、显示时序段(Display interval q)和显示前沿(Front porchr)。其中同步脉冲(Sync o)、显示后沿(Back porch p)和显示前沿(Front porch r)是消隐区，RGB信号无效，屏幕不显示数据。显示时序段(Display interval q)是有效数据区。

HS：行时序
行时序的四个部分分别是:同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)、显示时序(Display interval c)和显示前沿(Front porchd)。其中同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)和显示前沿(Front porch d)是消隐区，RGB信号无效，屏幕不显示数据。显示时序段(Display interval c)是有效数据区。

二、VGA显示字符

1、实验工具

1.VGA显示器
2.Cyclone IV E系列 EP4CE115F29C7开发板
3.字模工具软件PCtoLCD2002

2、生成字模

输入相应的信息生成字模并且保存字模即可

具体代码如下

module VGA_test(
OSC_50,     //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK,    //VGA自时钟
VGA_HS,     //行同步信号
VGA_VS,     //场同步信号
VGA_BLANK,  //复合空白信号控制信号  当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平，此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC,   //符合同步控制信号      行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R,      //VGA绿色
VGA_B,      //VGA蓝色
VGA_G);     //VGA绿色
 input OSC_50;     //外部时钟信号CLK2_50
 output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;
 output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;
 parameter H_FRONT = 16;     //行同步前沿信号周期长
 parameter H_SYNC = 96;      //行同步信号周期长
 parameter H_BACK = 48;      //行同步后沿信号周期长
 parameter H_ACT = 640;      //行显示周期长
 parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK;        //行空白信号总周期长
 parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT;  //行总周期长耗时
 parameter V_FRONT = 11;     //场同步前沿信号周期长
 parameter V_SYNC = 2;       //场同步信号周期长
 parameter V_BACK = 31;      //场同步后沿信号周期长
 parameter V_ACT = 480;      //场显示周期长
 parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK;        //场空白信号总周期长
 parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT;  //场总周期长耗时
 reg [10:0] H_Cont;        //行周期计数器
 reg [10:0] V_Cont;        //场周期计数器
 wire [7:0] VGA_R;         //VGA红色控制线
 wire [7:0] VGA_G;         //VGA绿色控制线
 wire [7:0] VGA_B;         //VGA蓝色控制线
 reg VGA_HS;
 reg VGA_VS;
 reg [10:0] X;             //当前行第几个像素点
 reg [10:0] Y;             //当前场第几行
 reg CLK_25;
 always@(posedge OSC_50)
    begin 
      CLK_25=~CLK_25;         //时钟
    end 
    assign VGA_SYNC = 1'b0;   //同步信号低电平
    assign VGA_BLANK = ~((H_Cont<H_BLANK)||(V_Cont<V_BLANK));  //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时，空白信号低电平
    assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反
    assign CLK_to_DAC = CLK_25;
 always@(posedge CLK_to_DAC)
    begin
        if(H_Cont<H_TOTAL)           //如果行计数器小于行总时长
            H_Cont<=H_Cont+1'b1;      //行计数器+1
        else H_Cont<=0;              //否则行计数器清零
        if(H_Cont==H_FRONT-1)        //如果行计数器等于行前沿空白时间-1
            VGA_HS<=1'b0;             //行同步信号置0
        if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1
            VGA_HS<=1'b1;             //行同步信号置1
        if(H_Cont>=H_BLANK)          //如果行计数器大于等于行空白总时长
            X<=H_Cont-H_BLANK;        //X等于行计数器-行空白总时长   （X为当前行第几个像素点）
        else X<=0;                   //否则X为0
    end
 always@(posedge VGA_HS)
    begin
        if(V_Cont<V_TOTAL)           //如果场计数器小于行总时长
            V_Cont<=V_Cont+1'b1;      //场计数器+1
        else V_Cont<=0;              //否则场计数器清零
        if(V_Cont==V_FRONT-1)       //如果场计数器等于场前沿空白时间-1
            VGA_VS<=1'b0;             //场同步信号置0
        if(V_Cont==V_FRONT+V_SYNC-1) //如果场计数器等于行前沿+场同步-1
            VGA_VS<=1'b1;             //场同步信号置1
        if(V_Cont>=V_BLANK)          //如果场计数器大于等于场空白总时长
            Y<=V_Cont-V_BLANK;        //Y等于场计数器-场空白总时长    （Y为当前场第几行）  
        else Y<=0;                   //否则Y为0
    end
    reg valid_yr;
 always@(posedge CLK_to_DAC)
    if(V_Cont == 10'd32)         //场计数器=32时
        valid_yr<=1'b1;           //行输入激活
    else if(V_Cont==10'd512)     //场计数器=512时
        valid_yr<=1'b0;           //行输入冻结
    wire valid_y=valid_yr;       //连线   
    reg valid_r;            
 always@(posedge CLK_to_DAC)   
    if((H_Cont == 10'd32)&&valid_y)     //行计数器=32时
        valid_r<=1'b1;                   //像素输入激活
    else if((H_Cont==10'd512)&&valid_y) //行计数器=512时 
        valid_r<=1'b0;                   //像素输入冻结
    wire valid = valid_r;               //连线
    wire[10:0] x_dis;     //像素显示控制信号
    wire[10:0] y_dis;     //行显示控制信号
    assign x_dis=X;       //连线X
    assign y_dis=Y;       //连线Y
        parameter

    char_line00=240'h010010400000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line01=240'h010010400000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line02=240'h7FFCFE780000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line03=240'h03801088000007F00FE000800FE007E01FFC07E007F007E00FE000800080,
    char_line04=240'h05407C100000081830180780301818183008181808181818301807800780,
    char_line05=240'h092011FC0000100038180180300C381C2010381C1000381C381801800180,
    char_line06=240'h3118FE240000300000180180700C300C0020300C3000300C001801800180,
    char_line07=240'hC10600247FFE37F000600180301C300C0040300C37F0300C006001800180,
    char_line08=240'h0FE07DFE0000380C01F00180382C300C0080300C380C300C01F001800180,
    char_line09=240'h004044240000300C001801800FCC300C0180300C300C300C001801800180,
    char_line0a=240'h00807C240000300C000C0180001C300C0300300C300C300C000C01800180,
    char_line0b=240'hFFFE45FC0000300C380C01800018381803003818300C3818380C01800180,
    char_line0c=240'h01007C24000018183018018038301C1003801C1018181C10301801800180,
    char_line0d=240'h01004420000007E00FE00FF80FC007E0030007E007E007E00FE00FF80FF8,
    char_line0e=240'h050054A00000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line0f=240'h020048400000000000000000000000000000000000000000000000000000;

    reg[7:0] char_bit;
    always@(posedge CLK_to_DAC)
        if(X==10'd180)char_bit<=9'd240;   //当显示到144像素时准备开始输出图像数据
        else if(X>10'd180&&X<10'd420)     //左边距屏幕144像素到416像素时    416=144+272（图像宽度）
            char_bit<=char_bit-1'b1;       //倒着输出图像信息
            
    reg[29:0] vga_rgb;                //定义颜色缓存
    always@(posedge CLK_to_DAC) 
        if(X>10'd180&&X<10'd420)    //X控制图像的横向显示边界：左边距屏幕左边144像素  右边界距屏幕左边界416像素
            begin case(Y)            //Y控制图像的纵向显示边界：从距离屏幕顶部160像素开始显示第一行数据
                10'd200:
                if(char_line00[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;  //如果该行有数据 则颜色为红色
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;                      //否则为黑色
                10'd201:
                if(char_line01[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd202:
                if(char_line02[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd203:
                if(char_line03[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd204:
                if(char_line04[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 
                10'd205:
                if(char_line05[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd206:
                if(char_line06[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 
                10'd207:
                if(char_line07[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd208:
                if(char_line08[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 
                10'd209:
                if(char_line09[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd210:
                if(char_line0a[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd211:
                if(char_line0b[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd212:
                if(char_line0c[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd213:
                if(char_line0d[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd214:
                if(char_line0e[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd215:
                if(char_line0f[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                default:vga_rgb<=30'h0000000000;   //默认颜色黑色
            endcase 
        end
    else vga_rgb<=30'h000000000;             //否则黑色
    assign VGA_R=vga_rgb[23:16];
    assign VGA_G=vga_rgb[15:8];
    assign VGA_B=vga_rgb[7:0];
endmodule



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引脚快速绑定

package require ::quartus::project

set_location_assignment PIN_C13 -to VGA_VS
set_location_assignment PIN_C10 -to VGA_SYNC
set_location_assignment PIN_E12 -to VGA_R[0]
set_location_assignment PIN_E11 -to VGA_R[1]
set_location_assignment PIN_D10 -to VGA_R[2]
set_location_assignment PIN_F12 -to VGA_R[3]
set_location_assignment PIN_G10 -to VGA_R[4]
set_location_assignment PIN_J12 -to VGA_R[5]
set_location_assignment PIN_H8 -to VGA_R[6]
set_location_assignment PIN_H10 -to VGA_R[7]
set_location_assignment PIN_G13 -to VGA_HS
set_location_assignment PIN_G8 -to VGA_G[0]
set_location_assignment PIN_G11 -to VGA_G[1]
set_location_assignment PIN_D12 -to VGA_B[7]
set_location_assignment PIN_D11 -to VGA_B[6]
set_location_assignment PIN_C12 -to VGA_B[5]
set_location_assignment PIN_A11 -to VGA_B[4]
set_location_assignment PIN_B11 -to VGA_B[3]
set_location_assignment PIN_C11 -to VGA_B[2]
set_location_assignment PIN_A10 -to VGA_B[1]
set_location_assignment PIN_B10 -to VGA_B[0]
set_location_assignment PIN_F11 -to VGA_BLANK
set_location_assignment PIN_A12 -to VGA_CLK
set_location_assignment PIN_C9 -to VGA_G[7]
set_location_assignment PIN_F10 -to VGA_G[6]
set_location_assignment PIN_B8 -to VGA_G[5]
set_location_assignment PIN_C8 -to VGA_G[4]
set_location_assignment PIN_H12 -to VGA_G[3]
set_location_assignment PIN_F8 -to VGA_G[2]
set_location_assignment PIN_AG14 -to OSC_50

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三、VGA显示彩条

该部分使用了EP4CE115F29C7
说明：

在上述代码的基础上，通过限制x的取值范围让颜色缓存显示不同的值就能实现显示彩色条纹。

颜色RGB，6‘hffffff,24位，data_disp[23：0]
颜色深度888
屏幕分辨率：2048 ✖ 1080
h_sync[10:0]//行信号2048
v_sync[10:0]//场信号（列）1080
vga_r;[7:0]//三通道,红色
vga_g;[7:0]//三通道,绿色
vga_b;[7:0]//三通道,蓝色
vga_clk //显示器显示时钟

代码如下：

module VGA_colorbar_test(
OSC_50,     //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK,    //VGA自时钟
VGA_HS,     //行同步信号
VGA_VS,     //场同步信号
VGA_BLANK,  //复合空白信号控制信号  当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平，此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC,   //符合同步控制信号      行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R,      //VGA绿色
VGA_B,      //VGA蓝色
VGA_G);     //VGA绿色
 input OSC_50;     //外部时钟信号CLK2_50
 output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;
 output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;
 parameter H_FRONT = 16;     //行同步前沿信号周期长
 parameter H_SYNC = 96;      //行同步信号周期长
 parameter H_BACK = 48;      //行同步后沿信号周期长
 parameter H_ACT = 640;      //行显示周期长
 parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK;        //行空白信号总周期长
 parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT;  //行总周期长耗时
 parameter V_FRONT = 11;     //场同步前沿信号周期长
 parameter V_SYNC = 2;       //场同步信号周期长
 parameter V_BACK = 31;      //场同步后沿信号周期长
 parameter V_ACT = 480;      //场显示周期长
 parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK;        //场空白信号总周期长
 parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT;  //场总周期长耗时
 reg [10:0] H_Cont;        //行周期计数器
 reg [10:0] V_Cont;        //场周期计数器
 wire [7:0] VGA_R;         //VGA红色控制线
 wire [7:0] VGA_G;         //VGA绿色控制线
 wire [7:0] VGA_B;         //VGA蓝色控制线
 reg VGA_HS;
 reg VGA_VS;
 reg [10:0] X;             //当前行第几个像素点
 reg [10:0] Y;             //当前场第几行
 reg CLK_25;
 always@(posedge OSC_50)begin 
      CLK_25=~CLK_25;         //时钟
 end 

 assign VGA_SYNC = 1'b0;   //同步信号低电平
 assign VGA_BLANK = ~((H_Cont<H_BLANK)||(V_Cont<V_BLANK));  //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时，空白信号低电平
 assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反
 assign CLK_to_DAC = CLK_25;

 always@(posedge CLK_to_DAC)begin
        if(H_Cont<H_TOTAL)           //如果行计数器小于行总时长
            H_Cont<=H_Cont+1'b1;      //行计数器+1
        else H_Cont<=0;              //否则行计数器清零
        if(H_Cont==H_FRONT-1)        //如果行计数器等于行前沿空白时间-1
            VGA_HS<=1'b0;             //行同步信号置0
        if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1
            VGA_HS<=1'b1;             //行同步信号置1
        if(H_Cont>=H_BLANK)          //如果行计数器大于等于行空白总时长
            X<=H_Cont-H_BLANK;        //X等于行计数器-行空白总时长   （X为当前行第几个像素点）
        else X<=0;                   //否则X为0
end

 always@(posedge VGA_HS)begin
        if(V_Cont<V_TOTAL)           //如果场计数器小于行总时长
            V_Cont<=V_Cont+1'b1;      //场计数器+1
        else V_Cont<=0;              //否则场计数器清零
        if(V_Cont==V_FRONT-1)       //如果场计数器等于场前沿空白时间-1
            VGA_VS<=1'b0;             //场同步信号置0
        if(V_Cont==V_FRONT+V_SYNC-1) //如果场计数器等于行前沿+场同步-1
            VGA_VS<=1'b1;             //场同步信号置1
        if(V_Cont>=V_BLANK)          //如果场计数器大于等于场空白总时长
            Y<=V_Cont-V_BLANK;        //Y等于场计数器-场空白总时长    （Y为当前场第几行）  
        else Y<=0;                   //否则Y为0
end

 reg valid_yr;

 always@(posedge CLK_to_DAC)begin
    if(V_Cont == 10'd32)         //场计数器=32时
        valid_yr<=1'b1;           //行输入激活
    else if(V_Cont==10'd512)     //场计数器=512时
        valid_yr<=1'b0;           //行输入冻结
 end

 wire valid_y=valid_yr;       //连线   
 reg valid_r;     

 always@(posedge CLK_to_DAC)begin
    if((H_Cont == 10'd32)&&valid_y)     //行计数器=32时
        valid_r<=1'b1;                   //像素输入激活
    else if((H_Cont==10'd512)&&valid_y) //行计数器=512时 
        valid_r<=1'b0;                   //像素输入冻结
 end

 wire valid = valid_r;               //连线
 assign x_dis=X;       //连线X
 assign y_dis=Y;       //连线Y
 // reg[7:0] char_bit;
 // always@(posedge CLK_to_DAC)
 //     if(X==10'd144)char_bit<=9'd240;   //当显示到144像素时准备开始输出图像数据
 //     else if(X>10'd144&&X<10'd384)     //左边距屏幕144像素到416像素时    416=144+272（图像宽度）
 //         char_bit<=char_bit-1'b1;       //倒着输出图像信息
         
 reg[29:0] vga_rgb;                //定义颜色缓存
 always@(posedge CLK_to_DAC) begin
     if(X>=0&&X<200)begin    //X控制图像的横向显示边界：左边距屏幕左边144像素  右边界距屏幕左边界416像素
         vga_rgb<=30'hffffffffff;   //白色
     end
     else if(X>=200&&X<400)begin
         vga_rgb<=30'hf00ff65f1f;   
     end
     else if(X>=400&&X<600)begin
         vga_rgb<=30'h9563486251; 
     end
     else begin
         vga_rgb<=30'h5864928654; 
     end
 end
 assign VGA_R=vga_rgb[23:16];
 assign VGA_G=vga_rgb[15:8];
 assign VGA_B=vga_rgb[7:0];
endmodule
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实验结果

四、VGA显示图片

在前面的学习中了解到图像的格式有多种，例如JPEG，BMP，PNG，JPG等，图像的位数也有单色、16色、256色、4096色、16位真彩色、24位真彩色、32位真彩色在这里插入图片描述
这几种。
VGA的驱动程序显示的格式为RGB565，我们先找到一张需要显示的彩色图片，经过处理，将该图片转化为ROM可以存储的格式，然后VGA驱动程序从ROM中读取数据，输出到VGA显示屏显示。尽量选一张小的图片，因为ROM存储空间有限。
使用BMP2Mif软件将bmp格式图片转换为hex文件

新建Quartus工程，产生ROM IP核，将生成的mif文件保存在ROM中
双击选择ROM：1-PORT

实验结果

五、总结

使用VGA显示，先弄清楚VAG显示原理，将显示屏看为N*M大小的一个坐标系，为每个坐标分配一个RGB三通道的值，也就是每个像素，行场信号扫描的速度很快，就能连成一副完整的图像。图片显示需要用到ROM来存储图片数据，在显示时，从ROM中取出数据赋给相应的RBG通道就能显示了。