采用FPGA对VGA图形控制器的Verilog设计方法

VGA(视频图形阵列)作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。依据VGA显示原理，介绍了利用FPGA实现对VGA图形控制器的Verilog设计方法。详细描述了各硬件模块的工作原理及实现途径，并给出了软件设计思路。

随着可编程逻辑器件的不断发展及其价格的不断下降，EDA开发软件的不断完善，可编程逻辑设计的应用优势逐渐显示出来，特别是大规模可编程器件。而FPGA具有功能强大，开发过程投资小、周期短等特点，成为当今硬件设计的首选方式之一。VGA（视频图形阵列）作为一种标准的显示接口得到广泛地应用。利用FPGA芯片和EDA设计方法，可以灵活地根据用户需求，设计出针对性强的VGA显示控制器，不仅降低了生产成本也可以方便快速地对产品进行升级换代。设计采用 Quartus II 软件工具，并以 Altera公司的Cyclone系列FPGA的器件为主实现硬件平台的设计。

1. 硬件系统框图采用模块化设计方法。

本设计的VGA控制器主要由以下模块组成：VGA 时序控制模块、内部时钟产生模块、SDRAM控制模块、串行Flash读取模块等，如图1所示。

图1 系统框图

2. 主要模块设计

2.1 VGA 时序控制模块

VGA时序控制模块是整个显示控制器的关键部分，其实质就是完成VGA显示卡的功能。主要作用就是在一定的工作频率下，产生准确的时序关系（VS－垂直同步信号，HS－水平同步信号，消隐信号之间的关系）。及其在准确的时序下对数据缓存区对数据进行读取，读完数据后使 SDRAM 控制器及时的刷新缓存区的数据。其中产生准确的时序关系为此模块重点，在VGA显示过程中，完成一行扫描所需要的时间称为水平扫描时间，完成一帧扫描所需要的时间称为垂直扫描时间。每扫描完一行用行同步信号进行同步；扫描完所有行后用场同步信号进行同步。本设计采用的是800Hz x 600Hz x 60Hz模式。依据时序标准，每显示行包含1056点，其中800点为有效显示区，256点为消隐区，每行的行同步脉冲低电平宽度为128个像素点；同理每场有628行，有效行为600行，其中场同步脉冲低电平宽度为4行。其行、场时序如表 1 。

表 1 行扫描、场扫描时序

图2 HS时序

图3 VS时序

其中图2，td=800，tg=1056，ta=80，te+tf=80，tb+tc=128，单位为一个像素时钟周期。

其中图3，td=600，tg=628，ta=1，te+tf=23，tb+tc=4，单位为一个line时间。

依据这个标准，外部50MHz时钟经过FPGA内部PLL得到所需要的40MHz像素时钟，并进行对应的像素点数和扫描行数进行分频处理，可以得到符合要求的行频率、场频率和消隐信号。

2.2 SDRAM控制模块及动态数字显示方法

在基于FPGA的图像显示系统中，常常需要用到大容量、高速度的存储器。而在各种随机存储器件中，SDRAM的价格低、速度快、容量大是比较理想的器件。但SDRAM控制逻辑较为复杂，要采用状态机的设计方法来实现 SDRAM 的控制模块（也可以使用SDRAM IP核实现）。其 SDRAM控制状态机如图 4 。

图4 SDRAM状态机

其中包含了9个状态，其中从Precharge到ModeSet为SDRAM上电后的初始化过程，其余状态为SDRAM的正常读写及刷新操作过程。对于SDRAM自身的操作本文不做详细介绍，下面具体介绍动态显示数字的方法。

系统上电后，SDRAM上电后的初始化完成后。先通过Flash读写控制模块，把Flash中的静态图片读取出来，然后写入SDRAM中直到Flash中的图片完全存入SDRAM。此时启动VGA时序控制模块进行图片的显示。

对于动态显示数字方法，可以先利用字模提取软件把字模信息提取出来。而 Altera公司的FPGA器件内均内置了嵌入式阵列块，通过调用其中的LPM_ROM模块。可以任意设置参数，构成内置的ROM存储器，存储所摘要的字模信息。本系统的字模为16pixels长 x 16pixels宽 x 16位色（R5G6B5），所以利用LPM_ROM模块，占用了将近10个 M4K（FPGA内置 块ram）。

本系统通过接受外部 MCU 发来的命令来确定显示数字的区域及要显示的数字。因为VGA时序中存在较长的消隐期间，其期间是没有显示数据传递的。所以可以通过消隐期间实行对SDRAM的写操作，对图片固定地址写入字模信息。其具体步骤：

（1）、确定要显示数字的图像区域首地址；

（2）、确定要显示数字信息位于ROM中的地址；

（3）、启动 SDRAM 写操作；

（4）、SDRAM 写操作地址增加16后，地址继续增加800（即一行），而 ROM地址每次增加 1；

（5）、如此循环16 次（字模为 16 x16）后，如果还有要写的数字则继续（1）步骤，否则停止写操作。

因为只是动态的改变数字，所以对原图像改动的数据量不是很大，所以不会造成图像闪烁现象。此方法缺点就是字模占用的 块RAM 资源较多，如果字模只是固定颜色的情况，则 块RAM 资源只用到 1 个 M4K，所以在资源紧张的情况下还得需要各方面比较，得到最合适的颜色分配。

2.3 Flash 的读写模块

现在数字电路设计中，经常需要保存大量数据，Flash Memory 以其集成度高、低成本、使用方便等优点，因此也成为设计人员的首选。

Flash可以分两类：并行和串行。并行存储量大，速度快；而串行存储量相对较小，但体积小连线简单，可减少电路面积，节约成本，二者各有优缺点，根据实际需要选取。本系统对速度要求不是很高，所以选用了串行 Flash，为意法半导体推出的 M25P32。M25P32为SPI 接口，具有 4MB 容量，对与本设计每幅图片接近 1MB，则可以存储 4 副图片，可以进行 4 个界面的切换显示。

其模块设计必须严格按照 Flash 的时序控制信号。对于首次使用 Flash，先需要进行擦除操作，编程指令可以将 1 变成 0。往 Flash 写入图片数据时，还是需要调用 FPGA 中的宏模块制作一个 ROM，但是由于 Flash 容量较大，一般FPGA没有这么大的存储空间，所以数据需要分多次写入。FPGA的ROM数据保存在.mif文中，.mif 由 Matlab 直接生成.mif文件，也可以在 Quartus II 中生成。

在对 M25P32 的操作中，需要注意的是一些指令在操作完成后，需要留出一段时间 Flash进行数据处理，比如写寄存器为 5ms～15ms等，如果没有等待这段处理过程，则会出现一些误操作。

FLASH操作步骤：

（1）、FLASH擦除，一般通过SPI发FLASH擦除命令，等待结束。

（2）、FLASH写，发送写命令，写地址，数据。一般FLASH保存一些参数，或者数据存储用，如果FLASH内已经有可用的数据，可以根据实际情况，也可以先读FLASH。

（3）、FLASH读，发送读命令，读地址。

3、验证

利用可编程逻辑器件（FPGA）可以很方便地实现数字系统设计，而在Altera的QuartusII软件平台下，FPGA 设计的各个阶段都得到了很好的支持，两者有效结合使得数字系统的设计更加方便快捷。

通过硬件平台的验证，基于 FPGA 的VGA图形显示器已达到设计要求，可以稳定地实现界面的显示，并可以在界面上根据需要进行数字的动态改变显示，对于一些工业监控场合的应用，尤其数据量不是很大的场合尤为适合，不仅可以及时显示当前状态，还可以保存关机时状态。