VGA接口原理与Verilog实现编程案例解析
可编程逻辑
描述
一、 软件平台与硬件平台
软件平台：
1、操作系统：Windows-8.1
2、开发套件：ISE14.7
3、仿真工具：ModelSim-10.4-SE
硬件平台：
1、 FPGA型号：Xilinx公司的XC6SLX45-2CSG324
2、 VGA接口
3、 液晶显示器
二、 原理介绍
VGA（Video Graphics Array）即视频图形阵列，是IBM在1987年推出的使用模拟信号的一种视频传输标准，在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己的特殊驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。
VGA接口实物所示
左边带针的叫VGA公头，右边带槽的叫VGA母头。
VGA接口的特点：
1、 VGA接口不支持热插拔
VGA接口跟HDMI接口一样是不支持热插拔的。热插拔是指一般带电状态下对于接插件的插入或是拔除，并不只是针对有电源接口或者带供电的接口的接插件，而是所有。在运行状态时，插拔会产生耦合电流，电流不稳造成硬件烧坏，导致笔记本的接口端的保护受到冲击。就像U盘不能再一个时间段多次在一个端口插拔使用一样。各种电器的外露端子都会有金属的部分，它们都是要求接地的，但是不同的电器之间的地并不一定相同，比如一台DVD的地和一台电视机的接地都是相对于本身系统而言。
当端子插入时，首先要建立共同的地来对传输的信号作参考，这就要依靠端子和传输线上的金属部分了，金属部分接地同时也是对信号的屏蔽和保护。两个地相接触一瞬间，会有很高的尖峰脉冲产生，这种脉冲如果不加以滤除可能会直达芯片并将其损坏。另外还有一种是ESD，即静电损坏，这种更难以避免，因为在电子产品上，只能去防护，ESD的持续时间会更短US级别。所以正规的电子产品对于金属端子的接地有比较高的要求，同时在信号线上增加ESD防护器件来避免热插拔的损坏。但实际上很多厂家为了节省成本而偷工减料，或者是对热插拔的防护意识不够导致设计不合理，使得用户会出现热插拔损坏电器的现象产生。
2、 VGA不能传输音频
因为视频是VGA信号，而音频信号不是，所以VGA不能传输音频，只能传输视频。相信这就是为什么这几年极度的需求创新转换器的原因。VGA不支持音频传输也是给很多消费者带来烦恼，这最好的办法其实就是购买一款转换器，VGA转HDMI或者HDMI转VGA，达到视频传输的同时还支持音频信号的输出，一举两得。但是不要只想着转换器的输入与输出成问题，同时想想音频输出口，3.5mm是音频输出信号的重要连接线。购买时可以考虑想转换器有没有带3.5mm的音频输出口，然后另外购买一条音频线。
3、 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。其引脚编号图如下图所示：
其中每个管脚的详细定义如下表所示
| 管脚 | 名称 | 定义 |
| 1 | RED | 红基色(75Ω,0.7Vp-p) |
| 2 | GREEN | 绿基色(75Ω,0.7Vp-p) |
| 3 | BLUE | 蓝基色(75Ω,0.7Vp-p) |
| 4 | ID2 | 地址码(显示器标识位2) |
| 5 | GND | 地 |
| 6 | RGND | 红色地 |
| 7 | GGND | 绿色地 |
| 8 | BGND | 蓝色地 |
| 9 | KEY | 保留 |
| 10 | SGND | 同步信号地 |
| 11 | ID0 | 地址码(显示器标识位0) |
| 12 | ID1 | 地址码(显示器标识位1) |
| 13 | HSYNC | 行同步信号 |
| 14 | VSYNC | 场同步信号 |
| 15 | ID3 | 地址码(显示器标识位3) |
VGA接口时序详解
VGA 显示器扫描方式从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点扫描，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，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。完成一行扫描的时间称为水平扫描时间，其倒数称为行频率；完成一帧（整屏）扫描的时间称为垂直扫描时间，其倒数称为场频率，即屏幕的刷新频率，常见的有 60Hz，75Hz 等等，但标准的 VGA 显示的场频 60Hz。其扫描示意图如下图所示
在对VGA扫描方式有一个直观的感受以后接下来在看一看VGA接口的详细时序与各个参数的定义。VGA的详细时序如下图所示：
总的来说，VGA的时序主要包括行时序与场时序两个部分。
其中行时序主要包括：行同步(Hor Sync) 、行消隐(Hor Back Porch) 、行视频有效(Hor Active Video)和行前肩(Hor Front Porch)这四个参数，行时序的时序图如下图所示
而场时序主要包括：场同步(Ver Sync) 、场消隐(Ver Back Porch) 、场视频有效(Ver Active Video)和场前肩(Ver Front Porch)这四个参数，场时序的时序图如下图所示
需要注意的有三点：
1、行时序是以”像素”为单位的， 场时序是以”行”为单位的。
2、VGA 工业标准显示模式要求：行同步，场同步都为负极性，即同步脉冲要求是负脉冲。
3、VGA 行时序对行同步时间、 消隐时间、 行视频有效时间和行前肩时间有特定的规范， 场时序也是如此。常用VGA 分辨率时序参数如下表所示
其中:
Pixel Clock = (Screen Refresh Frequency)*(Hor Active Video + Hor Front Porch + Hor Synv Pulse + Hor Back Porch)* (Ver Active Video + Ver Front Porch + Ver Synv Pulse + Ver Back Porch)
以640x480,60Hz这种分辨率格式来说，25.175MHz = 25175000Hz = 60*(640 + 16 + 96 + 48)*(480 + 11 + 2 + 31) = 60 * 800 * 525
三、 目标任务
1、编写VGA驱动代码，并用ModelSim对时序进行仿真，然后下载到开发板中使屏幕产生彩色条纹
2、在上个任务的基础上，把一张存在ROM里面的图片数据显示到显示器上
四、 设计思路与Verilog代码编写
4.1、 VGA驱动模块的接口定义与整体设计
Verilog编写的VGA模块除了Red，Green，Blue三基色、行同步HS以及场同步VS以外还要包括时钟、复位信号。其框图如下所示
其中：
I_clk是系统时钟；
I_rst_n是系统复位；
O_hs是行同步信号；
O_vs是场同步信号；
O_red是红色分量；
O_green是绿色分量；
O_blue是蓝色分量；
上面的模块框图中没有看到测试数据(彩条或者图片)的输入端口，原因是由于VGA的逻辑比较简单，所以我准备把发送测试图案(彩条或者图片)的逻辑也直接集成到vga_driver模块中，这样可能更加方便理解。但是对于实际一个比较复杂的项目来说，最好还是把各个模块独立开来，这样更加方便二次移植。在写代码之前，先了解一个关于图片的分辨率与位深度的知识点。
4.2、 图片的分辨率、图片的尺寸与位深度
图片的分辨率指图像中存储的信息量，是每英寸图像内有多少个像素点，它决定了位图图像细节的精细程度。描述分辨率的单位有：dpi(dots per inch)点每英寸、lpi(line per inch)线每英寸和ppi(pixel per inch)像素每英寸。
图片的尺寸是指一幅图片长度和宽度各占多少像素，我们平常说的一张640×480的图片指的就是这张图片的长度有640个像素点，宽度有480个像素点
位深度是指图片的每个像素是用多少位(bit)来表示的。比如黑白二色的图像是数字图像中最简单的一种，它只有黑、白两种颜色，也就是说它的每个像素只有1位颜色，位深度是1，用2的零次幂来表示；考虑到位深度平均分给R, G, B和Alpha，而只有RGB可以相互组合成颜色。所以4位颜色的图，它的位深度是4，只有2的4次幂种颜色，即16种颜色或16种灰度等级 )。8位颜色的图，位深度就是8，用2的8次幂表示，它含有256种颜色 ( 或256种灰度等级 )。24位颜色可称之为真彩色，位深度是24，它能组合成2的24次幂种颜色，即：16777216种颜色 ( 或称千万种颜色 )，超过了人眼能够分辨的颜色数量。当我们用24位来记录颜色时，实际上是以2^（8×3），即红、绿、蓝 ( RGB ) 三基色各以2的8次幂，256种颜色而存在的，三色组合就形成一千六百万种颜色。除了上面这几种情况以外，有的图片的位深度是16位，其中红基色占5位，绿基色占6位，蓝基色占5位，他们一共可以组成2^16中颜色。
在电脑上用选中图片以后，然后鼠标右键在菜单中点击属性，然后在详细信息选项卡中就能查看图片的各个详细信息了，上面这张图片的信息如下图所示
由上面的信息可知这张图片的大小为128*128。水平分辨率与垂直分辨率为96dpi(dots per inch)，位深度为24-bit。
4.3、 原理图分析
在写代码之前，先来分析一下我的开发板的VGA接口原理图。由于FPGA输出的RGB数据为数字信号，而VGA接口的RGB数据为模拟信号，所以需要一个数模转换器把FPGA输出的数字信号转化为VGA接口的模拟RGB数据输出。一般情况下，为了保证输出数据的保真度，都会使用一个专用的数模转换芯片(比如ADV7123)来实现这个数模转换的功能，但是在我的开发板上为了简单起见，设计了一个电阻匹配网络来实现这个数模转换的功能，FPGA输出的RGB三基色数字信号一共占16-bit，其中Red分量占5-bit，Green分量占6-bit，Blue分量占5-bit。下面是VGA接口部分的原理图
4.4、 vga_driver模块显示彩条Verilog代码编写
有了上面的基础之后就可以开始着手编写代码，现在在回过头去看行时序与场时序，其实可以发现VGA的时序真的是非常简单。
对行时序来说，只需要定义一个计数器，当计数器在像素时钟的作用下计满一行的总点数后清零，然后利用assign语句在计数值为Hor Sync期间把行时序信号拉低产生一个低脉冲就可以了。场时序与行时序非常类似，当行计数器计满一行了场计数器才加1，当计满一场的时间后，计数值清零，然后利用assign语句在Ver Sync期间把场时序信号拉低产生一个低脉冲就OK了。
有了行时序与场时序以后，接下来就是在Hor Active Video和Ver Active Video均有效的期间往Red,Green,Blue三个分量送数据，数据就会在在屏幕上显示出来了。而Hor Active Video有效的期间正是行计数器的计数值在大于(Hor Sync + Hor Back Porch)，小于(Hor Sync + Hor Back Porch + Hor Active Video)的时候，而Ver Active Video有效的期间正是场计数器的计数值在大于(Ver Sync + Ver Back Porch)，小于(Ver Sync + Ver Back Porch + Ver Active Video)的时候，所以在代码里面可以利用assign语句产生一个激活标志，当激活标志为高的时候给Red,Green,Blue三个分量送数据，数据就会在屏幕显示出来了。
下面以分辨率为640x480为例来编写vga_driver的代码，由前面的分辨率时序参数表可知，640x480分辨率的像素时钟为25.175Hz，但实际并不需要这么精确的时钟频率，我们取25MHz就可以了，我的开发板的时钟频率为50MHz，所以只需要简单的写一个二分频逻辑就可以得到这个像素时钟了。如果你想显示其他分辨率的图片，比如800x600分辨率的时钟频率是40MHz，这时候就需要用FPGA内部的Clocking Wizard IP核来得到这个40MHz的时钟，Clocking Wizard IP核内部回调用FPGA的PLL资源对输入频率进行处理来得到想要的输出频率。
下面是VGA接口产生彩条的完整代码
module vga_driver
(
input I_clk , // 系统50MHz时钟
input I_rst_n , // 系统复位
output reg [4:0] O_red , // VGA红色分量
output reg [5:0] O_green , // VGA绿色分量
output reg [4:0] O_blue , // VGA蓝色分量
output O_hs , // VGA行同步信号
output O_vs // VGA场同步信号
);
// 分辨率为640*480时行时序各个参数定义
parameter C_H_SYNC_PULSE = 96 ,
C_H_BACK_PORCH = 48 ,
C_H_ACTIVE_TIME = 640 ,
C_H_FRONT_PORCH = 16 ,
C_H_LINE_PERIOD = 800 ;
// 分辨率为640*480时场时序各个参数定义
parameter C_V_SYNC_PULSE = 2 ,
C_V_BACK_PORCH = 33 ,
C_V_ACTIVE_TIME = 480 ,
C_V_FRONT_PORCH = 10 ,
C_V_FRAME_PERIOD = 525 ;
parameter C_COLOR_BAR_WIDTH = C_H_ACTIVE_TIME / 8 ;
reg [11:0] R_h_cnt ; // 行时序计数器
reg [11:0] R_v_cnt ; // 列时序计数器
reg R_clk_25M ;
wire W_active_flag ; // 激活标志，当这个信号为1时RGB的数据可以显示在屏幕上
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//功能：产生25MHz的像素时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_clk_25M <= 1'b0 ;
else
R_clk_25M <= ~R_clk_25M ;
end
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生行时序
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_h_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_h_cnt == C_H_LINE_PERIOD - 1'b1)
R_h_cnt <= 12'd0 ;
else
R_h_cnt <= R_h_cnt + 1'b1 ;
end
assign O_hs = (R_h_cnt < C_H_SYNC_PULSE) ? 1'b0 : 1'b1 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生场时序
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_v_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_v_cnt == C_V_FRAME_PERIOD - 1'b1)
R_v_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_h_cnt == C_H_LINE_PERIOD - 1'b1)
R_v_cnt <= R_v_cnt + 1'b1 ;
else
R_v_cnt <= R_v_cnt ;
end
assign O_vs = (R_v_cnt < C_V_SYNC_PULSE) ? 1'b0 : 1'b1 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
assign W_active_flag = (R_h_cnt >= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH )) &&
(R_h_cnt <= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_H_ACTIVE_TIME)) &&
(R_v_cnt >= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH )) &&
(R_v_cnt <= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + C_V_ACTIVE_TIME)) ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：把显示器屏幕分成8个纵列，每个纵列的宽度是80
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
O_red <= 5'b00000 ;
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b00000 ;
end
else if(W_active_flag)
begin
if(R_h_cnt < (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_COLOR_BAR_WIDTH)) // 红色彩条
begin
O_red <= 5'b11111 ; // 红色彩条把红色分量全部给1，绿色和蓝色给0
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b00000 ;
end
else if(R_h_cnt < (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_COLOR_BAR_WIDTH*2)) // 绿色彩条
begin
O_red <= 5'b00000 ;
O_green <= 6'b111111 ; // 绿色彩条把绿色分量全部给1，红色和蓝色分量给0
O_blue <= 5'b00000 ;
end
else if(R_h_cnt < (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_COLOR_BAR_WIDTH*3)) // 蓝色彩条
begin
O_red <= 5'b00000 ;
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b11111 ; // 蓝色彩条把蓝色分量全部给1，红色和绿分量给0
end
else if(R_h_cnt < (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_COLOR_BAR_WIDTH*4)) // 白色彩条
begin
O_red <= 5'b11111 ; // 白色彩条是有红绿蓝三基色混合而成
O_green <= 6'b111111 ; // 所以白色彩条要把红绿蓝三个分量全部给1
O_blue <= 5'b11111 ;
end
else if(R_h_cnt < (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_COLOR_BAR_WIDTH*5)) // 黑色彩条
begin
O_red <= 5'b00000 ; // 黑色彩条就是把红绿蓝所有分量全部给0
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b00000 ;
end
else if(R_h_cnt < (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_COLOR_BAR_WIDTH*6)) // 黄色彩条
begin
O_red <= 5'b11111 ; // 黄色彩条是有红绿两种颜色混合而成
O_green <= 6'b111111 ; // 所以黄色彩条要把红绿两个分量给1
O_blue <= 5'b00000 ; // 蓝色分量给0
end
else if(R_h_cnt < (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_COLOR_BAR_WIDTH*7)) // 紫色彩条
begin
O_red <= 5'b11111 ; // 紫色彩条是有红蓝两种颜色混合而成
O_green <= 6'b000000 ; // 所以紫色彩条要把红蓝两个分量给1
O_blue <= 5'b11111 ; // 绿色分量给0
end
else // 青色彩条
begin
O_red <= 5'b00000 ; // 青色彩条是由蓝绿两种颜色混合而成
O_green <= 6'b111111 ; // 所以青色彩条要把蓝绿两个分量给1
O_blue <= 5'b11111 ; // 红色分量给0
end
end
else
begin
O_red <= 5'b00000 ;
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b00000 ;
end
end
/*
////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生黑白相间的格子图案
////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
O_red <= 5'b00000 ;
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b00000 ;
end
else if(W_active_flag)
begin
if((R_h_cnt[4]==1'b1) ^ (R_v_cnt[4]==1'b1))
begin
O_red <= 5'b00000 ;
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b00000 ;
end
else
begin
O_red <= 5'b11111 ;
O_green <= 6'b111111 ;
O_blue <= 5'b11111 ;
end
end
else
begin
O_red <= 5'b00000 ;
O_green <= 6'b000000 ;
O_blue <= 5'b00000 ;
end
end
*/
endmodule
整个代码的编写思路与上面的分析基本一致。除了显示彩条以外，还可以显示黑白格子，代码在上面也已经给出。更多更有趣的图案大家可以自己多试一下。在下载到开发板之前先用ModelSim对整个逻辑进行一下仿真，在测试激励文件里面只需要给时钟和复位加上激励就可以了，非常简单，我就不贴激励文件的代码了，下图是ModelSim仿真图
具体的时序细节大家可以自己仿的试一下，整个时序都是没问题的。
下面是代码下载到我的开发板中显示器显示的彩条图案
4.5、 如何把一张图片转化为存放在ROM中的.coe文件
显示完彩条以后，接下来就是把一张图片显示在液晶显示器上。完成这个任务的第一步就是要把一张图片转化为ROM可以导入的.coe文件，第二部就是把ROM中的图片数据在有效区域输出出来，这样就可以在图片上显示一张图片了。由于我的FPGA型号为XC6SLX45-2CSG324，它内部的BRAM资源十分有限，无法存储一张完整640*480分辨率的图片数据，所以接下来的实验我会把上文那张128x128的圣诞老人的图片显示在液晶显示器上。如果你的FPGA内部资源足够的话，你可以以我这个例子作为参考把你想显示的图片显示出来。
为了把图片转化为.coe文件存放在ROM，这时可以利用Matlab软件先把图片转化为一个三维矩阵，然后把三维矩阵中的Red，Green，Blue分量的颜色数据提取出来按照5-bit Red，6-bit Green， 5-bit Blue的格式进行拼接，最后写入到.coe文件中，Matlab的完整代码如下：
clear
clc
% 利用imread函数把图片转化为一个三维矩阵
image_array = imread('333.jpg');
% 利用size函数把图片矩阵的三个维度大小计算出来
% 第一维为图片的高度，第二维为图片的宽度，第三维为图片的RGB分量
[height,width,z]=size(image_array); % 128*128*3
% imshow(image_array); % 显示图片
red = image_array(:,:,1); % 提取红色分量，数据类型为uint8
green = image_array(:,:,2); % 提取绿色分量，数据类型为uint8
blue = image_array(:,:,3); % 提取蓝色分量，数据类型为uint8
% 把上面得到了各个分量重组成一个1维矩阵，由于reshape函数重组矩阵的
% 时候是按照列进行重组的，所以重组前需要先把各个分量矩阵进行转置以
% 后在重组
% 利用reshape重组完毕以后，由于后面需要对数据拼接，所以为了避免溢出
% 这里把uint8类型的数据扩大为uint32类型
r = uint32(reshape(red' , 1 ,height*width));
g = uint32(reshape(green' , 1 ,height*width));
b = uint32(reshape(blue' , 1 ,height*width));
% 初始化要写入.coe文件中的RGB颜色矩阵
rgb=zeros(1,height*width);
% 因为导入的图片是24-bit真彩色图片，每个像素占用24-bit，其中RGB分别占用8-bit
% 而我这里需要的是16-bit，其中R为5-bit，G为6-bit，B为5-bit，所以需要在这里对
% 24-bit的数据进行重组与拼接
% bitshift()函数的作用是对数据进行移位操作，其中第一个参数是要进行移位的数据，第二个参数为负数表示向右移，为
% 正数表示向左移，更详细的用法直接在Matlab命令窗口输入 doc bitshift 进行查看
% 所以这里对红色分量先右移3位取出高5位，然后左移11位作为ROM中RGB数据的第15-bit到第11-bit
% 对绿色分量先右移2位取出高6位，然后左移5位作为ROM中RGB数据的第10-bit到第5-bit
% 对蓝色分量先右移3位取出高5位，然后左移0位作为ROM中RGB数据的第4-bit到第0-bit
for i = 1:height*width
rgb(i) = bitshift(bitshift(r(i),-3),11) + bitshift(bitshift(g(i),-2),5) + bitshift(bitshift(b(i),-3),0);
end
fid = fopen( 'image.coe', 'w+' );
% .coe文件的最前面一行必须为这个字符串，其中16表示16进制
fprintf( fid, 'memory_initialization_radix=16;
');
% .coe文件的第二行必须为这个字符串
fprintf( fid, 'memory_initialization_vector =
');
% 把rgb数据的前 height*width-1 个数据写入.coe文件中，每个数据之间用逗号隔开
fprintf( fid, '%x,
',rgb(1:end-1));
% 把rgb数据的最后一个数据写入.coe文件中，并用分号结尾
fprintf( fid, '%x;',rgb(end));
fclose( fid ); % 关闭文件指针
基本上每行我都做了详细的注释，最后我在强调几点：
1、运行这段代码的时候必须把图片文件和Matlab的.m文件放在同一目录。imread()函数的参数是一个字符串，这个字符串是图片的名字。如果图片与Matlab的.m文件不再同一个目录，则imread()里面需要填写图片的绝对路径。
2、在Matlab对矩阵进行转置只需要在矩阵的右边打一个单引号就可以了
3、Matlab执行循环的效率非常低，所以我在数据进行重组与拼接之前把数据用reshape函数转化为1维矩阵并用uint32函数扩大了数据的范围，这样的好处是重组拼接的时候只需要一个for循环就ok。如果你觉得用reshape和uint32这两个函数对数据进行预处理太麻烦了，那么你可以使用一个二维for循环进行处理对128*128的矩阵的行和列分别处理。因为这里数据量不算大，所以用单个for循环和二维for循环区别不太大。
4、如果你的开发板硬件支持显示24-bit真彩色图片，那么上面的代码中你就不需要对RGB分量分别右移进行截取操作，直接左移位并相加(拼接)就可以了
4.6、 vga_driver模块显示图片Verilog代码编写
有了之前显示彩条的基础以后，这个实验就非常简单了，只要在把显示彩条的逻辑修改为从ROM读数据就可以了。而ROM的配置过程如下所示：
1、选择Block Memory Generator
2、选择类型为Single Port ROM
3、选择ROM的Read Width为16，Read Depth为16384(128*128=16384)
4、导入用Matlab生成的.coe图片文件
5、其他的所有参数我都保持默认，如果你需要有其他特殊需求的话可以按需修改。
配置好ROM就可以修改发送RGB数据的逻辑了，完整的代码如下：
module vga_driver
(
input I_clk , // 系统50MHz时钟
input I_rst_n , // 系统复位
output reg [4:0] O_red , // VGA红色分量
output reg [5:0] O_green , // VGA绿色分量
output reg [4:0] O_blue , // VGA蓝色分量
output O_hs , // VGA行同步信号
output O_vs // VGA场同步信号
);
// 分辨率为640*480时行时序各个参数定义
parameter C_H_SYNC_PULSE = 96 ,
C_H_BACK_PORCH = 48 ,
C_H_ACTIVE_TIME = 640 ,
C_H_FRONT_PORCH = 16 ,
C_H_LINE_PERIOD = 800 ;
// 分辨率为640*480时场时序各个参数定义
parameter C_V_SYNC_PULSE = 2 ,
C_V_BACK_PORCH = 33 ,
C_V_ACTIVE_TIME = 480 ,
C_V_FRONT_PORCH = 10 ,
C_V_FRAME_PERIOD = 525 ;
parameter C_IMAGE_WIDTH = 128 ,
C_IMAGE_HEIGHT = 128 ,
C_IMAGE_PIX_NUM = 16384 ;
reg [11:0] R_h_cnt ; // 行时序计数器
reg [11:0] R_v_cnt ; // 列时序计数器
reg R_clk_25M ; // 25MHz的像素时钟
reg [13:0] R_rom_addr ; // ROM的地址
wire [15:0] W_rom_data ; // ROM中存储的数据
wire W_active_flag ; // 激活标志，当这个信号为1时RGB的数据可以显示在屏幕上
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//功能：产生25MHz的像素时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_clk_25M <= 1'b0 ;
else
R_clk_25M <= ~R_clk_25M ;
end
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生行时序
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_h_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_h_cnt == C_H_LINE_PERIOD - 1'b1)
R_h_cnt <= 12'd0 ;
else
R_h_cnt <= R_h_cnt + 1'b1 ;
end
assign O_hs = (R_h_cnt < C_H_SYNC_PULSE) ? 1'b0 : 1'b1 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生场时序
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_v_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_v_cnt == C_V_FRAME_PERIOD - 1'b1)
R_v_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_h_cnt == C_H_LINE_PERIOD - 1'b1)
R_v_cnt <= R_v_cnt + 1'b1 ;
else
R_v_cnt <= R_v_cnt ;
end
assign O_vs = (R_v_cnt < C_V_SYNC_PULSE) ? 1'b0 : 1'b1 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 产生有效区域标志，当这个信号为高时往RGB送的数据才会显示到屏幕上
assign W_active_flag = (R_h_cnt >= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH )) &&
(R_h_cnt <= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_H_ACTIVE_TIME )) &&
(R_v_cnt >= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH )) &&
(R_v_cnt <= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + C_V_ACTIVE_TIME )) ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：把ROM里面的图片数据输出
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_rom_addr <= 14'd0 ;
else if(W_active_flag)
begin
if(R_h_cnt >= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH ) &&
R_h_cnt <= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_IMAGE_WIDTH - 1'b1) &&
R_v_cnt >= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH ) &&
R_v_cnt <= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + C_IMAGE_HEIGHT - 1'b1) )
begin
O_red <= W_rom_data[15:11] ; // 红色分量
O_green <= W_rom_data[10:5] ; // 绿色分量
O_blue <= W_rom_data[4:0] ; // 蓝色分量
if(R_rom_addr == C_IMAGE_PIX_NUM - 1'b1)
R_rom_addr <= 14'd0 ;
else
R_rom_addr <= R_rom_addr + 1'b1 ;
end
else
begin
O_red <= 5'd0 ;
O_green <= 6'd0 ;
O_blue <= 5'd0 ;
R_rom_addr <= R_rom_addr ;
end
end
else
begin
O_red <= 5'd0 ;
O_green <= 6'd0 ;
O_blue <= 5'd0 ;
R_rom_addr <= R_rom_addr ;
end
end
rom_image U_rom_image (
.clka(R_clk_25M), // input clka
.addra(R_rom_addr), // input [13 : 0] addra
.douta(W_rom_data) // output [15 : 0] douta
);
endmodule
绑定管脚生成bit文件以后下载到开发板中液晶显示器上就出现了圣诞老人的图片
至此，整个VGA的实验全部完成。
五、 进一步思考
5.1、 如何修改屏幕背景为其他颜色(比如蓝色)
上面已经可以让一张图片正常在屏幕上显示出来了，而图片以外的区域是黑色的，如果我们想把图片以外的区域改成蓝色的其实很简单，只需要图片以外区域的RGB分量的Red，Green分量给0，Blue分量给1就可以了
5.2、如何让128*128圣诞老人的图片在屏幕中间
上图的圣诞老人图片显示在屏幕的左上角，如果我们想把他显示在图片中间位置只需要在
if(R_h_cnt >= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_H_OFFSET ) &&
R_h_cnt <= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_H_OFFSET + C_IMAGE_WIDTH - 1'b1 ) &&
R_v_cnt >= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + C_V_OFFSET ) &&
R_v_cnt <= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + C_V_OFFSET + C_IMAGE_HEIGHT - 1'b1 ) )
这个判断语句中加上一个固定的C_H_OFFSET与C_V_OFFSET偏移分量就可以了，当然这个偏移分量不能太大，否则会使图片跑到屏幕外面
5.3、 如何让128*128圣诞老人的图片在屏幕上动起来，并且碰到显示器边框以后就反弹
上面已经知道修改图片的位置的方法以后，我们可以把图片的行和列的偏移量设置成一个reg变量，然后在每一帧结束以后修改这个偏移量就可以了，而场脉冲的下降沿可以看做每一帧结束的标志位，所以为了实现这个功能需要写一个检测场脉冲下降沿的逻辑。
至于碰到屏幕以后产生“反弹”的效果实际上就是一个状态机，这个状态机一共有四个状态：
状态2’b00：图片向右下方移动
状态2’b01：图片向右上方移动
状态2’b10：图片向左下方移动
状态2’b11：图片向左上方移动
这个状态机很容易就抽象出来了，但关键是状态的跳变一定要理清楚了，下面这个状态机的状态跳变图
上面这个状态转换图清晰的描述了图片在屏幕上运动的状态切换图，其中每次状态切换都是在场脉冲的下降沿触发，这样才能保证图片在运动过程中不会闪烁。
完整的代码如下：
module vga_driver
(
input I_clk , // 系统50MHz时钟
input I_rst_n , // 系统复位
output reg [4:0] O_red , // VGA红色分量
output reg [5:0] O_green , // VGA绿色分量
output reg [4:0] O_blue , // VGA蓝色分量
output O_hs , // VGA行同步信号
output O_vs // VGA场同步信号
);
// 分辨率为640*480时行时序各个参数定义
parameter C_H_SYNC_PULSE = 96 ,
C_H_BACK_PORCH = 48 ,
C_H_ACTIVE_TIME = 640 ,
C_H_FRONT_PORCH = 16 ,
C_H_LINE_PERIOD = 800 ;
// 分辨率为640*480时场时序各个参数定义
parameter C_V_SYNC_PULSE = 2 ,
C_V_BACK_PORCH = 33 ,
C_V_ACTIVE_TIME = 480 ,
C_V_FRONT_PORCH = 10 ,
C_V_FRAME_PERIOD = 525 ;
parameter C_IMAGE_WIDTH = 128 ,
C_IMAGE_HEIGHT = 128 ,
C_IMAGE_PIX_NUM = 16384 ;
reg [11:0] R_h_cnt ; // 行时序计数器
reg [11:0] R_v_cnt ; // 列时序计数器
reg R_clk_25M ;
reg [13:0] R_rom_addr ; // ROM的地址
wire [15:0] W_rom_data ; // ROM中存储的数据
reg [11:0] R_h_pos ; // 图片在屏幕上显示的水平位置，当它为0时，图片贴紧屏幕的左边沿
reg [11:0] R_v_pos ; // 图片在屏幕上显示的垂直位置，当它为0时，图片贴紧屏幕的上边沿
reg R_vs_reg1 ;
reg R_vs_reg2 ;
wire W_vs_neg ; // 场脉冲下降沿标志
reg [1:0] R_state ;
wire W_active_flag ; // 激活标志，当这个信号为1时RGB的数据可以显示在屏幕上
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//功能：产生25MHz的像素时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_clk_25M <= 1'b0 ;
else
R_clk_25M <= ~R_clk_25M ;
end
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生行时序
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_h_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_h_cnt == C_H_LINE_PERIOD - 1'b1)
R_h_cnt <= 12'd0 ;
else
R_h_cnt <= R_h_cnt + 1'b1 ;
end
assign O_hs = (R_h_cnt < C_H_SYNC_PULSE) ? 1'b0 : 1'b1 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生场时序
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_v_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_v_cnt == C_V_FRAME_PERIOD - 1'b1)
R_v_cnt <= 12'd0 ;
else if(R_h_cnt == C_H_LINE_PERIOD - 1'b1)
R_v_cnt <= R_v_cnt + 1'b1 ;
else
R_v_cnt <= R_v_cnt ;
end
assign O_vs = (R_v_cnt < C_V_SYNC_PULSE) ? 1'b0 : 1'b1 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
assign W_active_flag = (R_h_cnt >= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH )) &&
(R_h_cnt <= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + C_H_ACTIVE_TIME )) &&
(R_v_cnt >= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH )) &&
(R_v_cnt <= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + C_V_ACTIVE_TIME )) ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：把ROM中的图片数据显示到屏幕上
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_rom_addr <= 14'd0 ;
else if(W_active_flag)
begin
if(R_h_cnt >= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + R_h_pos ) &&
R_h_cnt <= (C_H_SYNC_PULSE + C_H_BACK_PORCH + R_h_pos + C_IMAGE_WIDTH - 1'b1) &&
R_v_cnt >= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + R_v_pos ) &&
R_v_cnt <= (C_V_SYNC_PULSE + C_V_BACK_PORCH + R_v_pos + C_IMAGE_HEIGHT - 1'b1) )
begin
O_red <= W_rom_data[15:11] ;
O_green <= W_rom_data[10:5] ;
O_blue <= W_rom_data[4:0] ;
if(R_rom_addr == C_IMAGE_PIX_NUM - 1'b1)
R_rom_addr <= 14'd0 ;
else
R_rom_addr <= R_rom_addr + 1'b1 ;
end
else
begin
O_red <= 5'd0 ;
O_green <= 6'd0 ;
O_blue <= 5'd0 ;
R_rom_addr <= R_rom_addr ;
end
end
else
begin
O_red <= 5'd0 ;
O_green <= 6'd0 ;
O_blue <= 5'd0 ;
R_rom_addr <= R_rom_addr ;
end
end
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生场脉冲的下降沿标志，在这个标志用来修改R_h_pos和R_v_pos
// 两个参数，从而改变图片的位置
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_vs_reg1 <= 1'b0 ;
R_vs_reg2 <= 1'b0 ;
end
else
begin
R_vs_reg1 <= O_vs ;
R_vs_reg2 <= R_vs_reg1 ;
end
end
assign W_vs_neg = ~R_vs_reg1 & R_vs_reg2 ;
//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：使图片移动的状态机
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always@(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_h_pos <= 12'd0 ;
R_v_pos <= 12'd0 ;
R_state <= 2'b00 ;
end
else if(W_vs_neg)
begin
case(R_state)
2'b00: // 图片往右下方移动
begin
R_h_pos <= R_h_pos + 1 ;
R_v_pos <= R_v_pos + 1 ;
if(R_h_pos + C_IMAGE_WIDTH == C_H_ACTIVE_TIME) // 如果碰到右边框
R_state <= 2'b10 ;
else if((R_v_pos + C_IMAGE_HEIGHT) == C_V_ACTIVE_TIME) // 如果碰到下边框
R_state <= 2'b01 ;
end
2'b01: // 图片往右上方移动
begin
R_h_pos <= R_h_pos + 1 ;
R_v_pos <= R_v_pos - 1 ;
if(R_h_pos + C_IMAGE_WIDTH == C_H_ACTIVE_TIME) // 如果碰到右边框
R_state <= 2'b11 ;
else if(R_v_pos == 1) // 如果碰到上边框
R_state <= 2'b00 ;
end
2'b10: // 图片往左下方移动
begin
R_h_pos <= R_h_pos - 1 ;
R_v_pos <= R_v_pos + 1 ;
if(R_h_pos == 1) // 如果碰到左边框
R_state <= 2'b00 ;
else if(R_v_pos + C_IMAGE_HEIGHT == C_V_ACTIVE_TIME) // 如果碰到下边框
R_state <= 2'b11 ;
end
2'b11: // 图片往左上方移动
begin
R_h_pos <= R_h_pos - 1 ;
R_v_pos <= R_v_pos - 1 ;
if(R_h_pos == 1) // 如果碰到上边框
R_state <= 2'b01 ;
else if(R_v_pos == 1) // 如果碰到左边框
R_state <= 2'b10 ;
end
default:R_state <= 2'b00 ;
endcase
end
end
rom_image U_rom_image (
.clka(R_clk_25M), // input clka
.addra(R_rom_addr), // input [13 : 0] addra
.douta(W_rom_data) // output [15 : 0] douta
);
endmodule
代码里面碰到左边框和碰到上边框的判决方式为 if(R_h_pos == 1) 和if(R_h_pos == 1)，我之所以设置为1而不设置为0是因为我发现设置为0的时候当图片碰到左边框和上边框会闪烁一下，具体原因大家自己分析一下。
六、 总结
VGA的时序是非常适合初学者入门的，相对于其他接口时序来说，VGA时序确实是最简单的，所以初学者最好能自己把代码从头到尾敲一遍，然后用ModelSim仿一下，看一看中间变量的波形以加深对VGA时序的理解。
编辑：黄飞
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