基于FPGA的VGA显示模块设计.pdf

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1、第1 7 卷第6 期2 0 0 7 年6 月计算机技术与发展C o M P U T E R7 I E C H N O ，(X j YA N)D E V E I。O P M E N TV 0 1 1 7N o 6j L l n 2 0 0 7基于F P G A 的V G A 显示模块设计张亚平，贺占庄(西安微电子技术研究所，陕西西安7 1 0 0 5 4)摘要：V G A(视频图形阵列)作为一种标准的显示接1 2 1 得到广泛的应用。文中依据V G A 显示的原理，在讨论E D A 软件工具平台下的F P G A 设计流程的前提下，利用V H D L 作为逻辑描述的手段，在A l t e r a

2、 公司的Q u a r t u s l I 软件环境下完成V G A 模块的设计。给出了V G A 模块的设计思路和顶层逻辑框图。关键词：V G A；显示接口；E D A；F P G A；V H D L中图分类号：T P 3 3 4 7文献标识码：A文章编号：1 6 7 3 6 2 9 X(2 0 0 7)0 6 0 2 4 2 0 4D e s i g no fV G AD i s p l a yM o d u l eB a s e do nF P G AZ H A N GY a-p i n g，H EZ h a n z h u a n g(x i a nM i c r o e l e c

3、t r o n i c sT e c h n o l o g yI n s t i t u t e，X i a n7 1 0 0 5 4，C h i n a)A b s t r a c t：A sas t a n d a r dd i s p l a yi n t e r f a c e，V G A(V i d e oG r a p h i c sA r r a y)i sw i d e l yu s e d I nt h i sa r t i c l e，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fV G Ad i s p l a y，c o m

4、 p l e t e dt h ed e s i g no fV G Am o d u l eb a s e do nQ u a r t u s l Is o f t e r w a r ee n v i r o n m e n tw h i l eu s i n gV H D La sam e a l so fl o g i cd e s c r i p t i o na Sw e l la sd i s c u s s e dt h ep r o c e s so ft h ed e s i g no fF P G Ab a s e dO nE D As o t e r w a r ep

5、l a t f o r m A l s og a v et h ei d e a so fV G Am o d u l ed e s i g na n dt h et o pl o g i cd i a g r a mo ft h i sm o d u l a r K e yw o r d s：V G A；d i s p l a yi n t e r f a c e；E I)A；F P G A；V m L0引言现代电子设计技术的核心是E D A(E l e c t r o n i cD e s i g nA u t o m a t i o n)技术。E D A 技术依赖功能强大的计算机系统，在

6、E D A 软件工具平台上，采用自上而下(T o pD o w n)的设计方法，以硬件描述语言(H a r d w a r eD e s c r i p t i o nL a n g u a g e，H D L)为系统逻辑描述的主要手段完成系统设计。E D A 设计方法比较显著的特点有如下几个：高级设计语言，系统级仿真和系统级综合优化方法，模块化设计和增量设计方法。而F P G A C P L D 具有功能强大，开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，保密性好，开发工具智能化等特点。随着电子工艺的不断改进，低成本的F P G A C P I D 器件推陈出新，促使F P G A C P L D

7、 成为当今硬件设计的首选方式之一u。使用E D A 软件工具平台和V H D L 进行设计，利用可编程器件F P G A C P L D 实现的V G A 显示控制模块在工业现场中有许多实际应用。1F P G A 原理及设计流程F P G A C P L D，D S P 和C P U 被称为未来数字电路收稿日期：2 0 0 6 0 9 0 7作者简介：张亚平(1 9 7 7 一)，男，甘肃天水人，硕士研究生，研究方向为计算机应用；贺占庄，研究员，研究方向为计算机控制技术。系统的3 块基石，也是目前硬件设计研究的热点。F P G A 继承了A S I C(A p p l i c a t i o

8、nS p e c i f i e dI n t e g r a t e dC i r c u l t)的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通A S I C 设计周期长、投资大、灵活性差的缺点。并且，随着制造工艺的不断提高，F P G A 芯片的规模也越来越大。现在，单片逻辑门数已逾千万。芯片规模的增大也使得所能实现的功能越来越强。这都使得F P G A C P L D 设计技术成为当今高级硬件工程师和I C 工程师的必备技能。1 1F P G A 原理C P L D，F P G A 是在P A L(P r o g r a m m a b l eA r r a yL o g i c)、

9、G A L(G e n e r i cP A L)等基础上发展起来的一种具有丰富的可编程I O 引脚、逻辑宏单元、门电路以及R A M 空间的可编程逻辑器件，几乎所有应用门阵列、P L D 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用F P G A 和C P L D 器件。C P L D 的设计采用E 2 C M O S 工艺，其基本逻辑单元是由一些与、或阵列加上触发器构成的；而F P G A 的设计采用S 鼬呱 工艺，其基本逻辑单元是基于查找表来设计的。查找表(L o o k U p T a b l e)简称为L U T，L U T 本质上就是一个R A M，实现将输入信号的各种组合功能以一定的

10、次序写入R A M 中，然后在输入信号的作用下，输出特定的函数运算结果。目前F P G A 中多使用 万方数据第6 期张亚平等：基于F P G A 的V G A 显示模块设计2 4 3 4 输入的L U T，所以每一个L U T 可以看成一个有4 位地址线的1 6 l 的R A M。当用户通过原理图或H D L语言描述了一个逻辑电路以后，F P G A 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入m 删，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出且t J-I。图1 是一个4 输入与f 1 的例子 2|。电路结构和功能是否和设计意图相

11、符。在Q u a r t u s I I软件中提供了S i m u l a t o r 和W a v e f o r mE d i t o r 来进行仿真。Q u a r t u s l I 中也可以使用第三方工具(如M o d e l S i r e)来进行仿真。(3)综合优化。是指将H D L 语言、原理图等设计输人翻译成由与、或、非门，R A M，触发器等基本逻辑单元组成的逻地址线输出 墓u t1 6 x 1R ”1a，b，C，d 输入逻辑输出地址R 删中存储的内容0 0 0 0O0 0 0 0O0 0 0 1O0 0 0 1O001 1 1 1l1 1 1 ll图l一个4 输入与门对应

12、的查找表由于L U T 主要适合S R A M 工艺生产，所以目前大部分F P G A 都是基于S R A M 工艺的，而S R A M 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到H)G A 中，然后F 粥A 就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数F P G A 采用反熔丝或F l a s h 工艺，对这种F P G A，就不需要外加专用的配置芯片。1 2 黜设计流程一般来说，完整的F P G A 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现与布局布线、布局布线后仿真与验证、板级仿真与验证、

13、调试与加载配置。这一设计流程在E D A 软件工具中的体现是相似的，软件的设计方法也没有太大的差别。图2显示了一个完整的F P G A 设计流程。Q u a r t u s I I 软件是a l t e r a 公司近年来推出的一款成功的综合型的E D A 软件。下面结合O u a r t u s I I 软件讨论F P G A 设计流程的各个阶段。(1)电路设计与输入。电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师的电路构思输入给E D A 工具。常用的设计输入方法有硬件描述语言()L)和原理图设计输入方法等。在Q u a r t u s I I 中用户可以使用Q u a r t u s

14、 I I 原理图输入方式、文本输入方式、模块输入方式以及E D A 设计输入工具等来表达自己的设计。(2)功能仿真。又称作综合前仿真，其主要目的在于验证设计的辑连接(网表)，并根据目标与要求(约束条件)优化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n等标准格式的网表文件，供F P G A C P L D厂家的布局布线器进行实现。在Q u a r t u s I I 中可以使用【A n a l y s i s&S y n t h e s i s 命令进行综合，同时还可以使用第三方的综合工具。(4)综合后仿真。其目的在于检查综合器的综合结果是否与设计输入一致。功能仿真工具都支持综合后仿真功能。图

15、2完整的F P G A 设计流程(5)实现与布局布线。将综合生成的逻辑网表适配到具体的F P G A C P L D 器件上，这个过程叫做实现过程。在实现过程中最主要的过程是布局布线(P l a c eA n dR o u t e)。所谓布局(P l a c e)是指将逻辑网表中的硬件源语或者底层单 万方数据2 4 4 计算机技术与发展第1 7 卷元合理地适配到F P G A 内部的固有硬件结构上。所谓布线(R o u t e)是指根据布局的拓扑结构，利用F P G A 内部的各种连线资源，合理正确连接各个元件的过程。Q u a r t u s I I 中提供了【F i t t e r】、【A

16、 s s i g n m e n t E d i t o r】、【F l m r p l a n E d i t o r】、C h i p E d i t o r】、【增量布局布线】等功能进行实现与布局布线。(6)布局布线后仿真与验证。又称为时序仿真或者后仿真。其主要目的在于发现时序违规(T i m i n g V i o l a t i o n)，即不满足时序约束条件或者器件固有时序规则(建立时间、保持时间等)的情况。在Q u a r t m l I 中有内嵌的时序分析工具完成静态时序分析(S t a t i cT i m i n gA n a l y z e r)；也可以使用第三方工具进行

17、时序分析与验证。(7)板级仿真与验证。目的是为了分析高速设计的信号完整性、电磁干扰(E M I)等电路特性。(8)加载配置与在线调试。将生成的配置文件写入到F P G A C P L D 芯片中进行测试。在Q u a r t u s I I 中通过A s s e m b l e(生成编程文件)、P r o g r a m m e r(建立包含设计所有器件名称和选项的链式文件)、转换编程文件等功能支持此步骤。2V G A 显示原理V G A(V i d e oG r a p h i c sA r r a y)作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用。v(3 A 在任何时刻都必须工作在某一显示模式之

18、下，其显示模式分为字符显示模式和图形显示模式。而在应用中，讨论的都是图形显示模式。V G A 的图形模式分为三类：C G A、E G A 兼容的图形模式；标准的V G A 图形模式；V G A 扩展图形模式。后两种图形模式统称为V G A 图形模式。文中基于标准V G A 模式来实现。工业标准的V G A 显示模式为：6 4 0*4 8 0*1 6 色*6 0 H z。常见的彩色显示器一般都是由C R T(阴极射线管)构成，每一个像素的色彩由R(红，R e d)、G(绿，G r e e n)、B(蓝，B l u e)三基色构成。显示时采用的是逐行扫描的方式。由V G A 显示模块产生的水平同步

19、信号和垂直同步信号控制阴极射线管中的电子枪产生电子束，轰击涂有荧光粉的屏幕，产生R G B 三基色，于显示屏上合成一个彩色像素点。图3 表示的是V G A 显示模块与C R T 显示器的控制框图【3 J。电子束扫描一幅屏幕图像上的各个点的过程称为屏幕扫描。现在显示器都是通过光栅扫描方式来进行图3V G A 显示模块与C R T 显示器的控制框图屏幕扫描。在光栅扫描方式下，电子束按照固定的路径扫过整个屏幕，在扫描过程中通过电子束的通断强弱来控制电子束所经过的每个点是否显示或显示的颜色。电子枪在v l 强显示模块产生的行同步、场同步等控制信号的作用下进行包括水平扫描、水平回扫、垂直扫描、垂直回扫等

20、过程。光栅扫描的路径通常为：从上到下扫过每一行，在每一行中从左到右地进行扫描。其过程如下：电子束从屏幕左上角开始向右扫，当到达屏幕的右边缘时，电子束关闭(水平消隐)，并快速返回屏幕左边缘(水平回扫)，然后在下一条扫描线上开始新的一次水平扫描。一旦所有的水平扫描均告完成，电子束在屏幕的右下角结束并关闭(垂直消隐)，然后迅速返回到屏幕的左上角(垂直回扫)，开始下一次光栅扫描。图4 显示了光栅扫描过程。图4 光栅扫描过程垂直扫描3V G A 显示模块设计v G A 显示模块的设计，实质就是完成V G A 显示卡的功能：(1)在一定的工作频率下，产生正确的时序关系(工作时钟信号，H S y n 一水平

21、同步信号，V S y n 一垂直同步信号，消隐信号之间的关系)；(2)在正确时序的控制下读出帧缓存中的像素数据，同时在当前帧显示完毕时，向S D R A M 控制器发信号，使S D R A M 控制器能够及时刷新帧缓存中的像素数据。图5 是V G A 显示模块顶层视图 4，5 l。万方数据第6 期张亚平等：基于F P G A 的V G A 显示模块设计2 4 5 图5V G A 模块顶层视图其中C l k 是V G A 显示模块的工作时钟信号，R s t为复位信号。砌1 是V G A 显示模块中的帧缓存满标志信号，当帧缓存中的数据满时，V G A 显示模块将此信号发送给s E l I u M(

22、视频存储器)控制器，W r 为V G A显示模块中的帧缓存写操作信号，P i x e l _ d a t a i n 为读入到V G A 显示模块的帧缓存中的像素数据，该数据来自S D R A M(视频存储器)，而E o f 则表明V G A 显示模块的帧缓存已空，可以重新读入一帧新的像素数据以供显示。信号H S y n 是由V G A 显示模块产生的水平同步信号，发往显示器的V G A 接E l，信号V S y n 是由V G A 显示模块产生的垂直同步信号，发往显示器的V G A 接口，信号R 是经D A 转换器分离的像素数据中的红色基色信号，发往显示器的V G A 接口，信号G 是经D

23、A 转换器分离的像素数据中的绿色基色信号，发往显示器的V G A 接口，信号B 是经D A 转换器分离的像素数据中的蓝色基色信号，发往显示器的V G A 接口。因为V G A 显示接口处理的R G B 信号都是数字信号，而传统的C R T 显示器所采用的都是模拟接口，D A 转换器完成数字信号到模拟信号的转换工作。其中V G A 显示时序驱动是完成设计的关键。在V G A 显示控制过程中，完成一帧(整屏)扫描所需要的时间称为垂直扫描时间，其倒数称为垂直扫描频率，又称刷新频率，即刷新一屏的频率。前文提到过，工业标准的V G A 显示模式为：6 4 0*4 8 0*1 6 色*6 0 H z。也就

24、是说，标准V G A 显示的场频为6 0 H z，通过计算可知其行频(水平同步信号的频率)约为3 1 5 k H z。图6 显示了V G A 显示的时序关系。图6V G A 显示时序关系4 结束语利用可编程逻辑器件(F P G A C P L D)可以很方便地实现数字系统设计，而在A h e r a 的Q u a r t u s I I 软件平台下，F P G A 设计的各个阶段都得到了很好的支持，两者的有效结合使得数字系统的设计更加方便快捷。基于F P G A 器件的V G A 显示控制模块可以实现V G A显示的各项功能。其性能取决于V H D L 代码的编写和Q u a r t u s

25、l I 软件工具的综合优化的结果 6 。参考文献：1 王诚，吴继华，范丽珍，等A l t e r aF P G A C P L D 设计(基础篇)M 北京：人民邮电出版社，2 0 0 5 2 P L D F P G A 结构与原理初步 E B O L 2 0 0 6 h t t p：、7【n 啊f p g a c o i n c n a d v a n c e s t r u c t u r e s q u t h t m 3 求是科技F P G A 数字电子系统设计与开发实例导航 M 北京：人民邮电出版社，2 0 0 5 4 罗健军V G A 实用编程技术 M 北京：清华大学出版社，1 9

26、9 5 5 X E S SC o r p o r a t i o n V G AG e n e r a t o rf o rt h eX S AB o a r d s E B O L 2 0 0 4 一l O 一1 2 h t t p：w、w x e s s c o m p l r o i e c t s a n一1 0 1 2 0 4 一v g a g e n z i p 6 P e d r o n iVA C i r c u i tD e s i g nw i t hV H D L M U S A：M I TP r e s s，2 0 0 4(上接第2 4 l 页)如：H i b e r

27、n a t e 的对象、关系之间的映射工作量很大；S p r i n g 和H i b e r n a t e 的配置文件都很复杂等等。其实，这正是其灵活之处。因为把各层都完全分离了所以才易于重用和扩展，因而其灵活映射的配置文件才会很复杂。参考文献：1 J o h n s o nR s p 血毽R e f e r e n c eD o c u m e n t a t i o n E B O L 2 0 0 4h t t p：w w w s p r i n g f r a m e w o r k o r g 2 J o h n s o nR I n t r o d u c i n gt h eS

28、 p r m gF r a m e w o r k E B O L 2 0 0 4 h t t p：w w w t h e s e r v e r s i d e e o m 3 孟庆利故障管理系统中事件相关性分析的运用 J 世界电信，2 0 0 4(1 0)：4 3 4 4 4 黄烟波，张红宇，李建华基于S t r u t s 与H i b e r n a t e 的J 2 E E架构 J 计算机时代，2 0 0 4(1 0)：2 9 3 0 5 A l u r D，C r u p iJ，M a l k s D J 2 E E 核心模式 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 2 万方数据基于

29、FPGA的VGA显示模块设计基于FPGA的VGA显示模块设计作者：张亚平，贺占庄，ZHANG Ya-ping，HE Zhan-zhuang作者单位：西安微电子技术研究所,陕西,西安,710054刊名：计算机技术与发展英文刊名：COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT年，卷(期)：2007,17(6)被引用次数：7次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.Pedroni V A Circuit Design with VHDL 20042.XESS Corporation VGA Generator for the XSA Boards 20043.罗健军 VGA实用

30、编程技术 19954.求是科技 FPGA数字电子系统设计与开发实例导航 20055.PLD/FPGA结构与原理初步 20066.王诚;吴继华;范丽珍 Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)2005 引证文献(7条)引证文献(7条)1.刘建圻.曾碧 基于龙芯SOC的LCD转VGA方案的设计与实现期刊论文-自动化与信息工程 2009(4)2.郑美芳.高晓蓉.王黎.王泽勇.赵全轲 基于FPGA的VGA时序彩条信号实现期刊论文-现代电子技术 2009(14)3.王亮.李正.宁婷婷.刘瑾.陈金强.关永 VGA汉字显示的FPGA设计与实现期刊论文-计算机工程与设计 2009(2)4.祝长锋.肖铁军 基于FPGA的视频图像采集系统的设计期刊论文-计算机工程与设计 2008(17)5.刘威.石彦杰.高博 基于FPGA的VGA显示模式识别期刊论文-计算机工程与科学 2008(4)6.蒋艳红 基于FPGA的VGA图象信号发生器设计期刊论文-电子测量技术 2008(3)7.刘威.石彦杰.高博 基于FPGA的VGA显示模式和像素频率的识别期刊论文-电子工程师 2008(1)本文链接：http:/