电子信息工程专业综合设计（报告）
（课 程 设 计）
题目 基于FPGA的VGA图形显示
二级学院 电气与电子工程学院 专 业 电子信息工程
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同组姓名 指导教师 时 间
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基于FPGA的VGA图形显示
摘要：
本次的题目是基于FPGA的VGA图形显示，实现VGA图像显示与控制。本文介绍的主要内容围绕着显示特定图片，且图片可受控制的相关原理与方法展开。根据VGA显示原理，利用VHDL作为逻辑描述手段，设计了一种基于现场可编程器件FPGA的VGA接口控制器。实现VGA图像显示控制器是通过Altera公司的QuartusII软件环境下对VGA模块的设计和顶层逻辑框图设计。FPGA的嵌入式系统中能代替VGA的专用显示芯片，节约硬件成本，节省计算机处理时间，加快数据处理速度并具有显示面积大，色彩丰富、承载信息量大、接口简单等优点。除此以外FPGA芯片和EDA设计方法的使用，可根据用户的需求，为设计提供了有针对性的VGA显示控制器，可不需要依靠计算机，它可以大大降低成本，并可以满足生产实践中不断改变的需要。
关键字：FPGA VGA 图像控制器
一、前言
本次课程设计主要是通过Altera公司的QuartusII软件环境下对VGA模块的设计和顶层逻辑框图设计。VGA是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。在性能上，VGA将16色模式的分辨率提高到了640×480，同时VGA新提供了一种具有320×200分辨率、256种颜色的图形模式，且所显示的每一种颜色都可从262144(18位)种颜色中选择，VGA的这种色彩显示能力对微机图形/图象软件的发展起到了很大的促进作用先后分别经历了EGA, EGA, VGA, SVGA, XGA, SXGA, UXGA, QXGA, WQXGA, QSXGA, WQSXGA, QUXGA, WQUXGA, 1080P。
目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R，G，B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的
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A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。在经过D/A和A/D2次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。
Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware 支持Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA历史已经经历了十几年的发展历史。FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，是FPGA成为首选。自发明PFGA以来，就不断的推出新器件和开发工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。主要推出了Virex系列和SparanTM系列的FPGA，Vriex系列突破了传统FPGA密度和性能限制，使FPGA不仅仅是逻辑模块，而成为一种系统元件。而Spartan系列为替代ASIC的大容量FPGA树立了一个新的低成本标准。
二、方案设计及工作原理
（一）设计方案
此设计要实现某一分辨率下（如640*480@60Hz）的VGA显示驱动。利用VHDL硬件描述语言对每个功能模块进行描述，并逐一对每个功能模块进行编译仿真，使顶层VGA显示控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过。使用的为百科融创实验箱（Cyclone III EP3C16Q240C8）要用到4×4键盘、VGA显示控制、ROM等模块。
本次课程设计的实现功能如下：
1.在白色背景下显示“重庆理工大学”的彩色字体并且可以每间隔3秒变换字体颜色； 2.显示设计者的学号与姓名；
3.显示四张128*128像素大小的彩色图片，通过实验箱上的4x4键盘控制可以选择不同的图片显示，且图像可以在屏幕上移动。按键A：选择第一幅图片,按键B：选择第二幅图片，按键C：选择第三幅图片，按键D：选择第四幅图片，按键2：增大垂直移动速度，按键8：减小垂直移动速度，按键4：增大水平移动速度，按键6：减小水平移动速度，按键*：暂停/移动。（水平和垂直方向每帧分别移动“H_Step”点和“V_Step”点），通过键盘改变“H_Step”和“V_Step”的值即可改变其移动速度和方向。图像碰到屏幕边沿会反弹回去。
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（二）工作原理
（1）VGA显示图像
常见的彩色显示器，一般由CRT（阴极射线管）构成。彩色是有R,G.B（红：RED，绿：GREEN,蓝：BLUE）三基色组成。显示是用逐行扫描的方式解决，阴极射线枪发出电子束打在涂有银光粉的荧光屏幕上，产生R,G,B三基色，合成一个彩色像素[7-8]。扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下，进行扫描，每扫完一行，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，扫描完所有行，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上方，同时进行场消隐，预备下一场的扫描。VGA接口是一种D型接口，上面共有15针空，分成三排，每排五个。VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。有些不带VGA接口而带有DVI(Digital Visual Interface数字视频接口）接口的显卡，也可以通过一个简单的转接头将DVI接口转成VGA接口，通常没有VGA接口的显卡会附赠这样的转接头
（2）FPGA（Filed Programmable Gate Array）
FPGA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。
FPGA的工作机理基于查找（Look-Up-Table，LUT），LUT其实就是一个RAM。目前很多FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线、大小位16×1的RAM、当用户通过HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA的开发软件会自动计算逻辑电路所有可能的结果，并事先把计算好的结果记入RAM中。这样，每当有信号输入需要进行逻辑运算时，不必再用门去搭电路了，只要把输入作为一个地址进行查表，找出对应地址所存储的内容，然后输出即可。对于一个LUT无法完成的电路，则需要通过进行逻辑信号将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑了。
（3）VHDL语言
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[17]。
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显示控制器是一个较大的数字系统，采用模块化设计原则、借鉴自顶向下的程序设计思想，进行功能分离并按层次设计。利用Verilog硬件描述语言对每个功能模块进行描述，并逐一对每个功能模块进行编译仿真，使顶层VGA显示控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过[18]。VGA显示控制器主要由以下模块组成：分频模块、VGA时序控制器模块、彩条图形生成模块、VGA显示模块、存储模块等，如下图2.1所示。
DATA 显示器 HS，VS ROM读取 控制 ADDR VGA 接口 D/A R B G VGA序 控制 时二分频 CLK 50MHz EEPROM （图2.1）
三、各功能模块设计和仿真
图3.1为整个设计的顶层电路，主要由“imagController”模块、VGA模块、“Keyboard_Manage”模块、“Read_Keyboard”模块、“div_24000”模块、“PLL”模块、“SEL_ROM”模块、6个四个ROM模块、“digital”模块。
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基于FPGA的VGA图形显示
