基于FPGA的VGA彩条图像显示

基于FPGA的VGA彩条图像显示

1. 设计的任务及内容

在电子电路领域中，设计自动化工具已经被广大电子工程师所接受，它必将取代人工设计方法并成为主要的设计手段。目前，Verilog语言已经成为各家EDA工具和集成电路厂商认同和共同推广的标准化硬件描述语言，随着科学技术的迅猛发展，电子工业界经历了巨大的飞跃。集成电路的设计正朝着速度快、性能高、容量大、体积小和微功耗的方向发展，这种发展必将导致集成电路的设计规模日益增大。

该实训的设计是用Verilog语言硬件描述语言设计出一个VGA图象显示控制器，用Verilog 硬件描述语言进行编程，把Verilog语言描述的VGA图象显示控制器所需的程序在QuartusⅡ软件环境下进行模拟仿真，以此来验证所设计的结果是否满足设计的要求。在结果符合要求的情况下把Verilog程序下载到FPGA器件上，利用FPGA器件内部存储器存储所需要的数据，再通过VGA接口输出到显示器上，从而达到设计的要求。

VGA显示器因为其输出信息量大，输出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备，FPGA以其结构的优势可以使用很少的资源产生VGA的各种控制信号。

CRT显示器作为一种通用型显示设备，如今已广泛应用于我们的工作和生活中。与嵌入式系统中常用的显示器件相比，它具有显示面积大、色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点，如果将其应用到嵌入式系统中，可以显著提升产品的视觉效果。如今随着液晶显示器的出现，越来越多的数字产品开始使用液晶作为显示终端。但基于VGA标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器[1]。若驱动此类显示器，需要很高的扫面频率，以及极短的处理时间，正是由于这些特点，所以可以用FPGA来实现对VGA显示器的驱动。本次专业课程设计即选用FPGA 来实现VGA的显示。

随着FPGA的不断发展及其价格的不断下降，FPGA的可编程逻辑设计的应用优势逐渐显现出来。现在,越来越多的嵌入式系统选择了基于FPGA的设计方案。在基于FPGA的大规模嵌入式系统设计中，为实现VGA显示功能,既可以使用专用的VGA接口芯片如SPX7111A等，也可以设计和使用基于FPGA的VGA接口软核。虽然使用VGA专用芯片具有更稳定的VGA时序和更多的显示模式可供选择等优点,但设计和使用VGA接口软核更具有以下优势：(1)使用芯片更少,节省板上资源,减小布线难度；(2)当进行高速数据传输时，具有更小的高频噪声干扰；(3) FPGA(现场可编程门阵列)设计VGA接口可以将要显示的数据直接送到显示器，节省了计算机的处理过程，加快了数据的处理速度，节约了硬件成本。

1.1 FPGA简介

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分[9]。FPGA的基本特点主要有：

1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

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可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

FPGA（Filed Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半订制电路而出现的，既解决了订制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

1.2 QuartusII软件概述

QuartusII软件是Altera公司最新版本的EDA开发软件，支持APEX系列、Cyclone系列、Stratix系列和Excalibur系列等新型系列器件的开发。含有工作组计算、集成逻辑分析仪、EDA 工具集成、多过程支持、增强重编译和IP集成等特性。支持百万门级的设计，支持高速I/O设计，具有更强的设计能力和更快的编译速度。QuartusII开发软件为可编程片上系统（SOPC）设计提供了一个完整的设计环境。无论是使用个人电脑、NUIX或Linux工作站，QuartusII都提供了方便设计、快速编译处理以及编程功能。

QuartusII输入的设计过程可分为创建工程、输入文件、项目编译、项目校验和编程下载等几个步骤。

1.3 本实训的开发板简介

本次实训采用板采用Altera 公司CycloneII 系列EP2C8Q208 芯片而设计的。开发板上使用JTAG 接口对芯片进行编程仿真调试，利用AS 配置EPCS4 Flash 芯片。自带的ByteBlasterII 下载线可以下载Altera 公司的所有FPGA芯片。

1.4 设计的主要内容

此设计要实现某一分辨率下（如640*480@60Hz）的VGA显示驱动，能简单显示彩条图像并且实现LCD显示等。

此程序使用Verilog语言进行描述，Verilog HDL是目前应用最为广泛的硬件描述语言．Verilog HDL可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。Verilog HDL适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的设计和描述．Verilog HDL进行设计最大的优点是其工艺无关性．这使得工程师在功能设计，逻辑验证阶段可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需根据系统设计的要求施加不同的约束条件，即可设计出实际电路．Verilog HDL是一种硬件描述语言(hardware description language)，为了制作数字电路而用来描述FPGA的设计之用。

根据VGA接口协议，利用FPGA芯片实现借口控制器功能，并在CRT显示器上做出相应显示。要进行彩条显示，彩色方块显示，利用案件实现显示模式的切换。

2 设计系统方案

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