FPGA至简设计实例
前言
一、项目背景
1. VGA介绍
Video Graphics Array（VGA）视频图形阵列是IBM公司在1987年随着PS/2一起推出的使用 模拟信号的一种视频传输标准。其在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，因而在彩色 显示器领域得到了广泛的应用。虽然对于现今的个人电脑市场来说该标准已经十分过时，但VGA仍 然是众多制造商所共同支持的一个标准。在加载自己的独特驱动程序之前，个人电脑都必须支持VG A的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式，这也说明该标准在显 示标准中的重要性和兼容性。
目前，VGA技术主要应用于基于VGA显示卡的计算机、笔记本电脑等设备，而少用于要求显示 彩色高分辨率图像又没有必要使用计算机的设备中。部分嵌入式的VGA显示系统可以在不使用VGA 显示卡和计算机的情况下实现VGA图像的显示和控制，该系统具有成本低、结构简单、应用灵活的 优点，可广泛应用于超市、车站、飞机场等公共场所的广告宣传和提示信息显示，也可应用于工厂车 间生产过程中的操作信息显示，还能以多媒体形式应用于日常的生活中。
2. VGA管脚
VGA接口是一种D型接口，采用非对称分布的15pin 连接方式，如下图所示，共有15针，分 成3排，每排5个孔。这是显卡中应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口，可以传 输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。
在VGA 接头上一般会1，5，6，10，11，15 等标明每个接口的编号。如果没有这一编号则按 照下图所示进行编号。VGA接口共有15根针，其对应接口定义如下：
1、红基色 red
2、绿基色 green
3、蓝基色 blue
4、地址码 ID Bit（也有部分是RES，或者为ID2显示器标示位2）
5、自测试 ( 各家定义不同 )（一般为GND）
6、红地
7、绿地
8、蓝地
9、保留 ( 各家定义不同 )
10、数字地
11、地址码（ID0显示器标示位0）
12、地址码（ID1显示器标示位1）
13、行同步
14、场同步
15、地址码 ( ID3或显示器标示位3 )
在进行FPGA 逻辑设计时主要关注的信号是红基色、绿基色、蓝基色、行同步和场同步信号， 其他信号在进行原理图和PCB设计时才需要关注。FPGA通过控制红基色、绿基色、蓝基色、行同 步和场同步信号这5个接口，就能让显示器显示丰富的色彩和各种视频图像。
3. VGA色彩原理
在中学的物理课中同学们可能做过棱镜的试验，通过棱镜后白光被分解成多种颜色逐渐过渡的色 谱，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这就是可见光谱。而人的眼睛就像一个三色接收器的体系， 在可见光谱中人眼对红、绿、蓝最为敏感，在视觉接收时大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照 不同的比例合成产生。同样地，绝大多数的单色光也可以分解成红绿蓝三种色光，这就是色度学最基 本的原理，即三基色原理。三种基色相互独立，任何一种基色都不能由其它两种基色合成。红绿蓝就 是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛，而按照不同的比例的红绿蓝三基色相加合成的混色 被称为相加混色。
三基色的颜色编码如下所示：
从上表可以看出RBG一共有8组合，即可以产生8种颜色。然而显示器显示的色彩非常丰富， 要远远多于8种颜色，这又是如何做到的呢？
对于显示器来说，RGB三个信号其实是模拟信号，其电压的高低可以表示出颜色的深浅。利用 这一原理，就可以产生丰富的色彩。例如，如果R=3.3V，G=0V，B=0V，则显示器会显示非常鲜艳 的红色。如果G和B仍然是0V，而R改为1.8V，则显示器会显示比较浅的红色。R、G、B的电压 范围从0~3.3V，将其任意组合就可以表示出丰富的颜色了。
4. 显示器扫描方式
通过控制红绿蓝三基色可以确定一个像素的颜色，但众所周知一幅图像是由非常多的像素组成的。 例如640*480分辨率的图像则是由480行、每行640个像素组合起来显示的图像。如果显示器想要 显示这样一幅图像，就需要控制显示器的扫描枪将每一个像素对应的颜色显示出来，且需要控制像素 快速变化，使人眼认为所有像素同时显示，从而达到显示器显示图像的效果。
CRT 显示器的控制框图如下图所示：
显示器采用光栅扫描方式，即轰击荧光屏的电子束在CRT屏幕上从左到右（受水平同步信号H SYNC控制）、从上到下（受垂直同步信号VSYNC控制）做有规律的移动。电子束采用光栅扫描方 式，从屏幕左上角一点开始，向右逐点进行扫描，形成一条水平线；在到达最右端后，回到下一条水 平线的最左端重复上面的过程；当电子束完成右下角一点的扫描后，完成一帧图像扫描。随后，电子 束再次回到左上方起点开始下一帧的扫描。这种方法即为常说的逐行扫描显示，通俗来讲就是显示器 是从左上角的第一个像素模块开始，从左到右，从上到下，一块一块的快速显示，从而实现了一幅静 止画面，这幅静止画面在视频中称之为一帧，连续的帧就会产成动画的效果。
5. VGA时序
行同步信号的时序如下图所示。可以看出行同步信号周期性地产生高低电平，可将其分为 4 个 阶段：同步脉冲a、显示后沿b、显示区域c和显示前沿d。同步脉冲a代表新一行的扫描开始，同 时也是上一行扫描的结束。显示时序c是真正图像的显示区域，在此阶段，像素逐个显示出来，即在 这一阶段控制红、绿、蓝三基色信号输出对应像素的RGB值。显示后沿b和显示前沿d这两个阶段 是消隐时刻，此时要求红、绿、蓝三基色信号都为0。
通俗来讲即行同步信号先产生一段低电平的同步脉冲表示“这一行要开始了”。此处可能存在疑 虑：为什么要有这一段同步脉冲呢？从图 3.8- 4 的显示器扫描原理图中可以看出，电子束的行进路 径是从左上角开始，由左到右一个点一个点的移动。当一行扫描完毕后，电子束则需要从最右边回到 最左边开始下一行的扫描，这一移动的时间即为同步脉冲a。
在同步脉冲a结束后，信号由0变1迎来一个上升沿，进入显示信号。这段显示信号包含显示 后沿b、显示时序c和显示前沿d三部分，其中只有显示时序c是真正可以显示像素的，即在这一段 需要输出有效的RGB的值，从而保证显示效果。场同步信号的时序与行同步信号相似，如下图所示。