第十四章 没我不行——基于FPGA的VGA可移植模块终极设计
0赞一、VGA的诱惑
首先，VGA的驱动，这事，一般的单片机是办不到的；由于FPGA的速度，以及并行的优势，加上可现场配置的优势，VGA的配置，只有俺们FPGA可以胜任，也只有FPGA可以随心所欲地配置（当然ARM也可以，应用比较高吧）。
初学者就是喜欢看炫的效果，往往会忍不住想玩。尤其玩FPGA的，没玩VGA就感到跟单片机没啥提升，因此VGA的驱动也不得不讲。Bingo当年也是如此。挡不住VGA的诱惑，初学者问Bingo VGA问题的人也是灰常的多，也许一般教科书理论太强，实际应用不是很身后，在此Bingo用浅显易懂的语言来讲述VGA的驱动原理，以及通过设计一个可移植模块的应用来讲述。
二、VGA驱动原理
此处Bingo不参考任何资料，用当年已学的知识，用浅显易懂的语言讲述。
1、VGA接口
最主要的几根线：
更详细的资料，请看http://baike.baidu.com/view/10346.htm
2、VGA时序
VGA其实就是相当于一块芯片，跟单片机驱动IC一样，满足一定的时序，便能驱动起来。
（1）扫描轨迹
VGA的扫描其实很简单，大致轨迹如下所示：
没扫描完一行，从新开始下一行；每扫完一场，重新开始下一场。相信你应该看的懂。
（2）行场扫描
以下是行扫描，场扫描HS，VS时序图
如上如所示：VGA一直在扫描，没一场的扫描包括了若干行扫描，如此循环。
（3）VS时序深入分析
VS时序如下所示：
可见时序的循环，可被划分为a，b，c，d4个时期。这四个时期定义如下：
A~B：场消隐期 即同步，相当于还原扫描坐标吧
B~C：场消隐后肩 相当于准备开始扫描吧
C~D：场显示期 扫描中，数据有效区域
D~E：场消隐前肩 完成扫描，相当于准备同步
（4）HS时序深入分析
可见时序的循环，可被划分为a，b，c，d4个时期。这四个时期定义如下：
A~B：行消隐期 即同步，相当于还原扫描坐标吧
B~C：行消隐后肩 相当于准备开始扫描吧
C~D：行显示期 扫描中，数据有效区域
D~E：行消隐前肩 完成扫描，相当于准备同步
综上描述，我们只要知道每个时期的时间，便可以表示出VGA的时序。而FPGA的工作是由固定频率的时钟触发的，因此某固定时间可以用n次触发来表示。因此我们很容易就想到了FPGA常用的计数方法：比如说行扫描，我们计数0~H_total-1。用另一个进程将其划分为4个时期，安标注分配。其实这相当于状态机。
以下是固定分辨率1024*768 60fps下HS,VS的标准：
用代码表示4个时期，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电路
（1）三原色
VGA接口：R,G,B三通道，直接赋给数字信号，RGB，最多产生8种色彩。这是最基本的。电路如下所示：
（2）真彩显示
a) 电阻网络
考虑到成本意识实现的简易方案，用R-2R电阻网络分流模拟DAC替换ADV7123视频转换芯片。见以下几个方案：
DE1 VGA模拟电路
小马哥电路图
具体设计参考Bingo当年总结：
http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/07/31/1789323.html
或者参考小马哥设计：
b) 专用视频转换芯片
利用专用视频转换芯片，ADV7120等，将数字信号转换为VGA RGB的模拟信号。ADV7120为高速D/A芯片，将数字信号转换为模拟信号输给VGA，电路如下：
三、可移植VGA模块设计
Bingo玩VGA也算是比较早了，当年也是视觉的诱惑，以及唯FPGA独尊的优势。于是之后一发而不可收拾。本章Bingo将自己这些年最终优化的VGA驱动模块，发布至此。本模块所有代码均Bingo独家创造，请尊重版权哈。
本设计已经封装成模块，只要修改时序参数、扫描时钟参数以及在vga_display.v中添加显示电路，即可。方便移植，希望对大家有用。
1、模块划分
（1）vga_design.v
工程顶层文件，例化各个模块。
（2）sys_ctrl.v
PLL时钟分配电路。
（3）vga_display.v
显示电路，根据时序，用于描述VGA的显示电路。
（4）vga_driver.v
VGA驱动电路，对时序，状态的约束。
RTL图如下所示：
2、代码设计
Bingo例程以16bit RGB VGA驱动为例，不同位数的显示只要改一下vga_data即可。
前文以及代码讲述了那么多，此处不再贴完整代码，而是对代码中部分结构进行解析。
代码下载地址：见附件
（1）vga_driver.v代码分析
a) 参数例化列表
#(
// 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
)
这样写的目的是为了软件封装性，能够在例化的时候修改法分辨率，同时电路结构保持不变。
DISP，FRONT ，SYNC，BACK，TOTAL分别为显示期，消隐前肩，消音期，消隐后肩，总时间，各自对应各自的行场信号。
b) 行同步信号设计
//------------------------------------------
// 行同步信号发生器
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，分析代码可以知道，行同步信号的计数状态机按照时序的划分，是以下过程：H_DISP，H_FRONT，H_SYNC，H_BACK，这似乎和上述分析的VGA时序不是完全吻合。但是VGA时序是一个循环，顺推H_BACK个时终域便可以得到以上时期划分，但是这样更方便后续坐标计数，因为Bingo此处这样设计，当然实际证明是完全可行的。
注意：(hcnt >= H_DISP+H_FRONT-1'b1) && (hcnt < H_DISP+H_FRONT+H_SYNC-1'b1) 只是因为后续坐标计算，就把时序提前了1个时钟已达到同步。
c) 场同步信号设计
同上。
d) 数据显示坐标以及输出设计
//------------------------------------------
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;
这部分很容易理解，在显示期坐标根据显示的扫描而改变，在非显示期，坐标置零。
（2）Vga_display.v代码分析
a) 标准色彩定义
//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;
定义当地的参数，目的是为了后续标准色彩调用的方便，没有其他作用。
b) 根据固定区域输出数据
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
如上代码，根据xpos坐标，来输出固定色彩。由于vga_driver模块已经完全设计好接口，因此vga_display.v模块就是简单的根据区域，输出设计的颜色。
（3） Vga_ctrl.v代码分析
a) 同步化解析
略。
b) 可控锁相环PLL设计
本来可空锁相环PLL设计，Bingo想单独成章来讲述的，但觉得可能别的地方实际应用价值不是很大，最后便在此处阐明这样设计的原因。
由于VGA不同分辨率的扫描时钟不同，因此分辨率变化的时候，PLL的输出时钟是必要跟随着变化。但是Bingo觉得好麻烦，于是想了偷懒的一招：PLL IP定义，无非是用Quartus II GUI对PLL参数的设定，最后生成pll.v这个文件。而这个文件相当于是锁相环的驱动电路，故势必包含着参数的定义。实际如下：
altpll_component.clk0_divide_by = 1,
altpll_component.clk0_duty_cycle = 50,
altpll_component.clk0_multiply_by = 1,
如上图所示，每次修改参数，这三个变量会相应的发生变化。因此，何不把这三个参数作为例化的参数，可以再顶层直接修改代码来实现固定频率的输出？这样岂不是很方便？
因此设计参数例化接口如下：
#(
parameter DUTY_CYCLE = 50,
parameter DIVIDE_DATA = 1,
parameter MULTIPLY_DATA = 1
)
理论上是完全行得通的，这样设计的另一个好处就是电路的封装性更好Bingo实践证明，完全可行，因此在此处说明，要学会正确的偷懒呵呵。
（4）Vga_design.v顶层文件代码解析
a) Vga接口定义
//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，上面三个信号线是在使用adv712x视频转换芯片的时候才会出现，一般的电阻模拟电路，或者直接RGB3线驱动，可以直接删除相关信号以及电路。
b) 进一步偷懒法则
根据常用的几种分辨率，Bingo进行了总结，以下三种应用较多，因此进一步偷懒法则，围绕他们三者来（不在这三种以内的话，自己模仿着再写一个）：
VGA_640_480_60FPS_25MHz
VGA_800_600_72FPS_50MHz
VGA_1024_768_60FPS_65MHz
Verilog语法也有define的用法，是否还记得C语言中，大工程的调试经常对相关变量的注释，注销来调整整个工程变量的应用，因此此处Bingo套用这种思维模式，定义以上三种模式的变量，通过修改注释define便可以轻松修改全局。具体如下所示：
//----------------------------------------
//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、彩条
（1）代码
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
通过简单的对X坐标地址的分割，来得到彩条。这是应该是VGA初学者一开始最兴奋的几个界面吧。
（2）效果图
2、花型矩阵
（1）代码
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
通过x坐标地址和y坐标地址的乘积的值，取低16位，得到的数据有一定的规律。Bingo当年也是不小心发现的，仅此献给初学的孩子们，这个比彩条更帅气。
（2）效果图
