設計背景：

VGA(Video Graphics Array) 即視頻圖形陣列，是IBM于1987年隨PS/2機(PersonalSystem 2)一起推出的使用模擬信號的一種視頻傳輸標準。這個標準對于現今的個人電腦市場已經十分過時。但在當時具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優點，在彩色顯示器領域取得了廣泛的應用，是眾多制造商所共同支持的一個低標準。

設計原理:

VGA的實體圖與接口示意圖，如下圖所示，它有15個針孔：

在開發板（ZX_1）中，VGA的電路原理圖如下圖所示：

通過原理圖，我們不難發現，VGA需要我們控制的接口只有5個：

顯示器的掃描規律是什么？本設計采用逐行掃描，逐行掃描是掃描從屏幕左上角一點開始，從左向右逐點掃描，每掃描完一行，電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置，在這期間，CRT對電子束進行消隱，每行結束時，用行同步信號進行行同步；當掃描完所有的行，形成一幀，用場同步信號進行場同步，并使掃描回到屏幕左上方，同時進行場消隱，開始下一幀。通過這種掃描規律，很容易看出，在設計兩個有效范圍計數器時，場同步信號計數器是以行同步信號計數器為周期的。

VGA的顯示標準如下表所示：

對于普通的VGA顯示器都要嚴格遵循“VGA工業標準”，否則可能會損害VGA顯示器，因此我們在設計時VGA控制器時，都需要參考顯示器的顯示標準，下面是VGA的行掃描時序與場掃描時序：

行掃描時序：

場掃描時序：

根據上述顯示器的掃描參數以及掃描時序，例如800*600@60的顯示模式，60指得是顯示器圖像的刷新頻率，時鐘40MHz指得是一個像素輸出的頻率。800*600為VGA的分辨率，指有效顯示區域為時序中的c段只有800*600，也就是行計數在[216,1016]，列計數在[27,627]，在這個范圍內，給RGB色值才會有效。

在VGA 工業標準顯示模式要求：行同步、場同步都為負極性，即同步脈沖要求是負脈沖。行同步信號上電拉高，在行同步計數為0時拉低a個時鐘周期，即128，之后拉高，在行同步計數到1055時，行同步計數器清零，場同步計數器加1。在行掃描時序中，掃描計數時，周期就是一個像素點的時間。

場同步信號上電拉高，在場同步計數為0時拉低場同步a個時鐘周期，即4，之后拉高，在場同步計數到627時，場同步計數器清零。

在VGA控制器中，還需要控制三個接口，即三種基色（R、G、B），它們共專用8位，分別是Red為3位，Green為3位，Blue為3位，所以可以顯示256種顏色，RGB數據的格式如下表所示：

設計架構圖:

本設計選擇的VGA顯示標準為800*600@60，實現點亮整個屏幕，并顯示為全紅。通過分析設計的功能，可以得到如下的頂層架構：

頂層模塊端口列表如下：

vga_pll模塊是為了滿足分辨率800*600@60的時鐘為40MHz，而ZX_1開發板的系統時鐘為50MHz，通過鎖相環，將50MHz轉化為40MHz。vga_control模塊是為了設定行場同步信號，并標定出有效顯示區域，并輸出控制顏色的po_rgb信號。為了便于移植，根據800*600@60分辨率下的參數，對其進行參數化定義。

設計代碼:

VGA控制器代碼：

0modulevga_control (pi_clk,pi_rst_n,po_hs,po_vs,po_rgb);

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系統時鐘復位

3outputregpo_vs;//VGA場同步信號

4outputregpo_hs;//VGA行同步信號

5output[7:0]po_rgb;//VGA場紅綠藍三基色

6

7//----------------VGA時序-----------------------------------

8// 顯示模式 時鐘

9// 800*600@60 40MHz

10//行/場 同步(a) 消隱后沿(b) 有效顯示(c) 消隱前沿(d) 掃描時間(e)

11//hs 128 88 800 40 1056

12//vs 4 23 600 1 628

13

14// 行(Horizontal)掃描 Parameter （像素）

15parameterH_A =128;

16parameterH_B =80;

17parameterH_C =800;

18parameterH_D =40;

19parameterH_E =1056;

20

21

22// 場(Vertical)掃描 Parameter （行數）

23parameterV_A =4;

24parameterV_B =23;

25parameterV_C =600;

26parameterV_D =1;

27parameterV_E =628;

28

29//行掃描計數器，

30reg[10:0]hcnt;

31

32always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

33begin

34if(!pi_rst_n)

35hcnt <=11'd0;

36else

37begin

38if(hcnt ==(H_E -1'b1))//掃描完一行像素

39hcnt <=11'd0;

40else

41hcnt <=hcnt +1'b1;

42end

43end

44

45//場掃描計數器

46reg[10:0]vcnt;

47

48always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

49begin

50if(!pi_rst_n)

51vcnt <=11'd0;

52elseif(vcnt ==(V_E -1'b1))

53vcnt <=11'd0;

54elseif(hcnt ==(H_E -1'b1))

55vcnt <=vcnt +1;

56end

57

58//行同步輸出

59always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

60begin

61if(!pi_rst_n)

62po_hs <=1'b1;

63elseif(hcnt <H_A)

64po_hs <=1'b0;

65else

66po_hs <=1'b1;

67end

68

69//assign po_hs = (hcnt <= H_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;

70

71//場同步輸出

72always@(posedgepi_clk ornegedgepi_rst_n)

73begin

74if(!pi_rst_n)

75po_vs <=1'b1;

76elseif(vcnt <V_A)

77po_vs <=1'b0;

78else

79po_vs <=1'b1;

80end

81

82//assign po_vs = (vcnt <= V_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;

83

84wirergb_en;

85

86assignrgb_en =(hcnt >=H_A +H_B &&hcnt <H_A +H_B +H_C)&&

87(vcnt >=V_A +V_B &&vcnt <V_A +V_B +V_C)?1'b1:1'b0;

88

89assignpo_rgb =rgb_en ?8'b111_000_00:8'b0000_0000;

90

91endmodule

頂層文件如下所示：

0modulevga_display_pure (pi_clk,pi_rst_n,po_hs,po_vs,po_rgb);

1

2inputpi_clk,pi_rst_n;//系統時鐘復位

3outputpo_vs;//VGA場同步信號

4outputpo_hs;//VGA行同步信號

5output[7:0]po_rgb;//VGA場紅綠藍三基色

6

7//----------------VGA時序-----------------------------------

8// 顯示模式 時鐘

9// 800*600@60 40MHz

10//行/場 同步(a) 消隱后沿(b) 有效顯示(c) 消隱前沿(d) 掃描時間(e)

11//hs 128 88 800 40 1056

12//vs 4 23 600 1 628

13

14wirevga_clk;

15

16vga_pll vga_pll_dut(

17.areset(~pi_rst_n),

18.inclk0(pi_clk),

19.c0(vga_clk)

20);

21

22vga_control vga_control_dut(

23.pi_clk(vga_clk),

24.pi_rst_n(pi_rst_n),

25.po_hs(po_hs),

26.po_vs(po_vs),

27.po_rgb(po_rgb)

28);

29

30endmodule

通過編譯后生成的RTL視圖如下：

為了驗證本設計的邏輯正確性，我們先對其進行了仿真，在仿真時，為了減少仿真的時間，先將行、場掃描的對應參數，進行了縮放，這樣不僅節約了仿真時間，同時由于掃描數據量變少，更加便于分析觀察。其仿真代碼所示；

0`timescale1ns/1ps//仿真時間精度時間單位

1

2modulevga_display_pure_tb;

3

4regpi_clk,pi_rst_n;//系統時鐘復位

5wirepo_vs;//VGA場同步信號

6wirepo_hs;//VGA行同步信號

7wire[7:0]po_rgb;//VGA場紅綠藍三基色

8

9//初始化數據，并附相應初值

10initialbegin

11pi_clk =0;

12pi_rst_n =0;

13#200.1pi_rst_n =1;

14

15end

16

17vga_display_pure vga_display_pure_inst (

18.pi_clk(pi_clk),

19.pi_rst_n(pi_rst_n),

20.po_hs(po_hs),

21.po_vs(po_vs),

22.po_rgb(po_rgb)

23);

24

25always#10pi_clk =~pi_clk;//50MHz時鐘描述

26

27endmodule

仿真圖:

rgb_en信號，只有當po_vs和po_hs同時為高電平時，才有效，并且有po_rgb Red基色信號輸出，時序仿真細節圖如下所示：