VGA驱动之-显示例程（最简单）

xiaoxiao2024-12-01 59

Verilog设计

1.接口设计

2. 时序参数设置

3. 内部信号

4. PLL（VGA_CLK）

5.行计数器

6. 行同步信号

7.列计数器

8.显示方块

显示彩条

VGA图像数据选择输出

按键控制程序

学习的过程都是由浅入深，多数教程都是选择从某一点引入，逐步拓展，因此这里也是从VGA的显示出发开始学习（最简单了）。

该VGA显示例程已经黑金AX309开发板（Spartan6）验证。采用的常用的RGB565格式进行VGA显示，5bit的R，6bit的G，5bitd B。共16bit,可标识65536色。

该显示例程只是用来说明VGA的显示原理，因此并没有视频数据源（摄像头等），而是内部产生一些数据进行测试使用。FPGA上的VGA处理的是数字信号，而VGA显示器是模拟信号，因此之间需要一个DAC的过程，会有一个ADV/GM7123芯片来实现。AX309开发板上似乎没有用，而是用电阻匹配网络来实现RGB数字信号到模拟信号的转换。

Verilog设计

1.接口设计

因为这里没有视频源，因此该模块并没有数据的输入，而数据就是RGB三种分量以及同步信号。为了实现多种显示模式的切换还需要一个按键开关。

`timescale 1ns / 1ps // // Module Name: vga_test // // module vga_test( input rst_n, input fpga_gclk, output vga_hs, output vga_vs, output [4:0] vga_r, output [5:0] vga_g, output [4:0] vga_b, input key1 //按键key1 );

2. 时序参数设置

为了实现分辨率可配置，可以将分辨率参数化：

//-----------------------------------------------------------// // 水平扫描参数的设定1024*768 60Hz VGA //-----------------------------------------------------------// parameter LinePeriod =1344; //行周期数 parameter H_SyncPulse=136; //行同步脉冲（Sync a） parameter H_BackPorch=160; //显示后沿（Back porch b） parameter H_ActivePix=1024; //显示时序段（Display interval c） parameter H_FrontPorch=24; //显示前沿（Front porch d） parameter Hde_start=296; parameter Hde_end=1320; //-----------------------------------------------------------// // 垂直扫描参数的设定1024*768 60Hz VGA //-----------------------------------------------------------// parameter FramePeriod =806; //列周期数 parameter V_SyncPulse=6; //列同步脉冲（Sync o） parameter V_BackPorch=29; //显示后沿（Back porch p） parameter V_ActivePix=768; //显示时序段（Display interval q） parameter V_FrontPorch=3; //显示前沿（Front porch r） parameter Vde_start=35; parameter Vde_end=803; //-----------------------------------------------------------// // 水平扫描参数的设定800*600 VGA //-----------------------------------------------------------// //parameter LinePeriod =1056; //行周期数 //parameter H_SyncPulse=128; //行同步脉冲（Sync a） //parameter H_BackPorch=88; //显示后沿（Back porch b） //parameter H_ActivePix=800; //显示时序段（Display interval c） //parameter H_FrontPorch=40; //显示前沿（Front porch d） //-----------------------------------------------------------// // 垂直扫描参数的设定800*600 VGA //-----------------------------------------------------------// //parameter FramePeriod =628; //列周期数 //parameter V_SyncPulse=4; //列同步脉冲（Sync o） //parameter V_BackPorch=23; //显示后沿（Back porch p） //parameter V_ActivePix=600; //显示时序段（Display interval q） //parameter V_FrontPorch=1; //显示前沿（Front porch r） //-----------------------------------------------------------// // 水平扫描参数的设定640*480 VGA //-----------------------------------------------------------// //parameter LinePeriod =800; //行周期数 //parameter H_SyncPulse=96; //行同步脉冲（Sync a） //parameter H_BackPorch=48; //显示后沿（Back porch b） //parameter H_ActivePix=640; //显示时序段（Display interval c） //parameter H_FrontPorch=16; //显示前沿（Front porch d） //Parameter Hde_start=144; //Parameter Hde_end =784; //-----------------------------------------------------------// // 垂直扫描参数的设定640*480 VGA //-----------------------------------------------------------// //parameter FramePeriod =525; //列周期数 //parameter V_SyncPulse=2; //列同步脉冲（Sync o） //parameter V_BackPorch=31; //显示后沿（Back porch p） //parameter V_ActivePix=480; //显示时序段（Display interval q） //parameter V_FrontPorch=11; //显示前沿（Front porch r） //parameter Vde_start=33; //parameter Vde_end =513;

3. 内部信号

reg[10 : 0] x_cnt; //行计数器即水平计数 reg[9 : 0] y_cnt; //列计数器即垂直计数 reg[15 : 0] grid_data_1; //小格子数据寄存器 reg[15 : 0] grid_data_2; //大方格数据寄存器 reg[15 : 0] bar_data; //彩条数据寄存器 reg[3 : 0] vga_dis_mode; //VGA图像显示模式寄存器 reg[4 : 0] vga_r_reg; reg[5 : 0] vga_g_reg; reg[4 : 0] vga_b_reg; reg hsync_r; reg vsync_r; reg hsync_de; reg vsync_de; reg [15:0] key1_counter; //按键检测寄存器 wire vga_clk; wire CLK_OUT1;

4. PLL（VGA_CLK）

在上一篇《VGA入门学习》中讲过，VGA驱动时钟与图像的分辨率有关，并提供了计算方式：800*525*60=约25.2近似25M。工业上帧率常用59.94fps。AX309开发板上提供50M外部时钟，需要经PLL分频拿到需要的时钟。

//25.2Mhz for 640x480(60hz)/ 40.0Mhz for 800x600(60hz) / 65.0Mhz for 1024x768(60hz)/108.0Mhz for 1280x1024(60hz) pll1 pll1_inst (// Clock in ports .CLK_IN1(fpga_gclk), // IN .CLK_OUT1(CLK_OUT1), // 25.0Mhz for 640x480(60hz) .RESET(~rst_n), // reset input .LOCKED()); // OUT

为了实现横向或竖向或者不同尺寸的方块，首先要能够对一帧图像的行和列进行定位（好比在图像上建立一个坐标系），最直接的方法就是设置行/列计数器x_cnt和y_cnt; 同时，也方便生成同步信号。

5.行计数器

//---------------------------------------------------------------- // 水平扫描计数 //---------------------------------------------------------------- always @ (posedge vga_clk) if(~rst_n) x_cnt <= 1; else if(x_cnt == LinePeriod) x_cnt <= 1; else x_cnt <= x_cnt+ 1; //----------------------------------------------------------------

有了行计数器，就方便生成行同步信号了

6. 行同步信号

Hsync 和Hsync_de 。 Hync_de信号就是图像行上的data_valid信号，这与Vsync_de信号共同确定有效像素显示区域，后续介绍。

// 水平扫描信号hsync,hsync_de产生 //---------------------------------------------------------------- always @ (posedge vga_clk) begin if(~rst_n) hsync_r <= 1'b1; else if(x_cnt == 1) hsync_r <= 1'b0; //产生hsync信号 else if(x_cnt == H_SyncPulse) hsync_r <= 1'b1; if(~rst_n) hsync_de <= 1'b0; else if(x_cnt == Hde_start) hsync_de <= 1'b1; //产生hsync_de信号 else if(x_cnt == Hde_end) hsync_de <= 1'b0; end

7.列计数器

y_cnt;列计数器需要依赖行计数器来驱动，因为每当行计数器计满即传输一行时，下会到下一列。

//---------------------------------------------------------------- // 垂直扫描计数 //---------------------------------------------------------------- always @ (posedge vga_clk) if(~rst_n) y_cnt <= 1; else if(y_cnt == FramePeriod) y_cnt <= 1; else if(x_cnt == LinePeriod) y_cnt <= y_cnt+1;

同样，有了列计数器，列同步信号和列数据使能信号也就随之产生了：

//---------------------------------------------------------------- // 垂直扫描信号vsync, vsync_de产生 //---------------------------------------------------------------- always @ (posedge vga_clk) begin if(~rst_n) vsync_r <= 1'b1; else if(y_cnt == 1) vsync_r <= 1'b0; //产生vsync信号 else if(y_cnt == V_SyncPulse) vsync_r <= 1'b1; if(~rst_n) vsync_de <= 1'b0; else if(y_cnt == Vde_start) vsync_de <= 1'b1; //产生vsync_de信号 else if(y_cnt == Vde_end) vsync_de <= 1'b0; end

---------------------------------------------------------------------------分割线------------------------------------------------------------------------------------

以上都是前期准备工作，图像定位问题，驱动时钟，以及对应分辨率下的同步信号什么的都准备好，就差输出图像数据了。因为没有视频源，下面就考虑想要显示什么以及怎么显示的问题了。比较简单的就是一些彩条，方块的显示了，虽然简单，但方便理解啊。

8.显示方块

行列计数器对方块间隔进行控制，这里有两种间隔即方块的大小，其数据分别放在grid_data_1和grid_data_2中。需要注意的是两种方块都在跟着计数器的变化生成，只不过在最后显示的时候根据需要，进行模式切换来选择其中一个罢了。

//---------------------------------------------------------------- // 格子测试图像产生 //---------------------------------------------------------------- always @(negedge vga_clk) begin if ((x_cnt[4]==1'b1) ^ (y_cnt[4]==1'b1)) //产生格子1图像 grid_data_1<= 16'h0000; else grid_data_1<= 16'hffff; if ((x_cnt[6]==1'b1) ^ (y_cnt[6]==1'b1)) //产生格子2图像 grid_data_2<=16'h0000; else grid_data_2<=16'hffff; end

显示彩条

需要什么颜色的彩条就将对应的颜色填入数据中即可，x_cnt来控制彩条宽度。也可以选择将下面的各种颜色进行宏定义，这样方便使用。

//---------------------------------------------------------------- // 彩色条测试图像产生 //---------------------------------------------------------------- always @(negedge vga_clk) begin if (x_cnt==300) bar_data<= 16'hf800; else if (x_cnt==420) bar_data<= 16'h07e0; else if (x_cnt==540) bar_data<=16'h001f; else if (x_cnt==660) bar_data<=16'hf81f; else if (x_cnt==780) bar_data<=16'hffe0; else if (x_cnt==900) bar_data<=16'h07ff; else if (x_cnt==1020) bar_data<=16'hffff; else if (x_cnt==1140) bar_data<=16'hfc00; else if (x_cnt==1260) bar_data<=16'h0000; end

VGA图像数据选择输出

可以设置多种的输出模式vga_dis_mode，这里就准备了多种模式的VGA图像数据，但是一次只能显示一种。那如何进行选择呢，本例程采用按键控制。

//---------------------------------------------------------------- // VGA图像选择输出 //---------------------------------------------------------------- //LCD数据信号选择 always @(negedge vga_clk) if(~rst_n) begin vga_r_reg<=0; vga_g_reg<=0; vga_b_reg<=0; end else case(vga_dis_mode) 4'b0000:begin vga_r_reg<=0; //VGA显示全黑 vga_g_reg<=0; vga_b_reg<=0; end 4'b0001:begin vga_r_reg<=5'b11111; //VGA显示全白 vga_g_reg<=6'b111111; vga_b_reg<=5'b11111; end 4'b0010:begin vga_r_reg<=5'b11111; //VGA显示全红 vga_g_reg<=0; vga_b_reg<=0; end 4'b0011:begin vga_r_reg<=0; //VGA显示全绿 vga_g_reg<=6'b111111; vga_b_reg<=0; end 4'b0100:begin vga_r_reg<=0; //VGA显示全蓝 vga_g_reg<=0; vga_b_reg<=5'b11111; end 4'b0101:begin vga_r_reg<=grid_data_1[15:11]; // VGA显示方格1 vga_g_reg<=grid_data_1[10:5]; vga_b_reg<=grid_data_1[4:0]; end 4'b0110:begin vga_r_reg<=grid_data_2[15:11]; // VGA显示方格2 vga_g_reg<=grid_data_2[10:5]; vga_b_reg<=grid_data_2[4:0]; end 4'b0111:begin vga_r_reg<=x_cnt[6:2]; //VGA显示水平渐变色 vga_g_reg<=x_cnt[6:1]; vga_b_reg<=x_cnt[6:2]; end 4'b1000:begin vga_r_reg<=y_cnt[6:2]; //VGA显示垂直渐变色 vga_g_reg<=y_cnt[6:1]; vga_b_reg<=y_cnt[6:2]; end 4'b1001:begin vga_r_reg<=x_cnt[6:2]; //VGA显示红水平渐变色 vga_g_reg<=0; vga_b_reg<=0; end 4'b1010:begin vga_r_reg<=0; //VGA显示绿水平渐变色 vga_g_reg<=x_cnt[6:1]; vga_b_reg<=0; end 4'b1011:begin vga_r_reg<=0; //VGA显示蓝水平渐变色 vga_g_reg<=0; vga_b_reg<=x_cnt[6:2]; end 4'b1100:begin vga_r_reg<=bar_data[15:11]; //VGA显示彩色条 vga_g_reg<=bar_data[10:5]; vga_b_reg<=bar_data[4:0]; end default:begin vga_r_reg<=5'b11111; //VGA显示全白 vga_g_reg<=6'b111111; vga_b_reg<=5'b11111; end endcase assign vga_hs = hsync_r; assign vga_vs = vsync_r; assign vga_r = (hsync_de & vsync_de)?vga_r_reg:5'b00000; assign vga_g = (hsync_de & vsync_de)?vga_g_reg:6'b000000; assign vga_b = (hsync_de & vsync_de)?vga_b_reg:5'b00000; assign vga_clk = CLK_OUT1;

选择性的放图：

按键控制程序

按键消抖和模式的切换。按键本身只能有两种状态，但是通过每一次案件操作映射模式寄存器对应的vga_dis_mode寄存器值就能实现多种显示状态的切换。

//按钮处理程序 always @(posedge vga_clk) begin if (key1==1'b0) //如果按钮没有按下，寄存器为0 key1_counter<=0; else if ((key1==1'b1)& (key1_counter<=16'hc350)) //如果按钮按下并按下时间少于1ms,计数 key1_counter<=key1_counter+1'b1; if (key1_counter==16'hc349) //一次按钮有效，改变显示模式 begin if(vga_dis_mode==4'b1101) vga_dis_mode<=4'b0000; else vga_dis_mode<=vga_dis_mode+1'b1; end end endmodule

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