基于FPGA的VGA图像显示控制器设计

四川师范大学成都学院本科毕业设计基于FPGA的VGA图像显示控制器设计学生姓名郑旺明学号2008104058所在系电子工程系专业名称电子信息工程（工民电）班级2008级2班指导教师胡迎刚四川师范大学成都学院二○一二年五月基于FPGA的VGA图像显示控制器设计1摘要本文介绍了一种利用可编程逻辑器件实现VGA图像显示控制的方法，阐述了VGA图像显示控制器中VGA显像的基本原理以及功能演示，利用可编程器件FPGA设计VGA图像显示控制的VHDL设计方案，并在Altera公司的QuartusII软件环境下完成VGA模块的设计。而且给出了VGA模块的设计思路和顶层逻辑框图。最终实现VGA图像显示控制器，VGA图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示的方法是在图像数据传输到计算机，并通过显示屏显示出在传输过程中，将图像数据的CPU需要不断的信号控制，所以造成CPU的资源浪费，系统还需要依靠计算机，从而减少了系统的灵活性。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，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，产品的升级换代和方便迅速。关键词：可编程逻辑器件VGA图像控制器基于FPGA的VGA图像显示控制器设计2AbstractThispaperintroducesakindofmakeuseoftheprogrammablelogicdevicesrealizeVGAimagesshowcontrolmethod,andexpoundstheVGAimagesshowcontrollerVGAimagingthebasicprincipleandthedemofunction,usingtheprogrammabledeviceFPGAdesignVGAimagesshowthecontroldesignVHDL,AlteracompanyintheQuartusIIsoftwareenvironmentcompleteVGAmoduledesign.GiventheVGAmodule,thedesignideaandtoplogicdiagram.FinallyrealizetheVGAimagedisplaycontroller,VGAimagecontrollerisalargernumbersystem,thetraditionalimageshowsthemethodisintheimagedatatransmissiontothecomputer,andthroughthescreenshowsinthetransmissionprocess,theimagedataCPUrequiresconstantsignalcontrol,thereforecreatesCPUresourceswaste,thesystemalsoneedtorelyonthecomputer,thusreducingtheflexibilityofthesystem.FPGAchipandEDAdesignmethodofuse,canaccordingtocustomerdemand,designedtoprovidetargetedVGAdisplaycontroller,don'tneedtorelyonthecomputer,itcangreatlyreducethecost,andcansatisfytheproductionpracticechangingneeds,productupgradingandconvenientquickly.Keywords:ProgrammablelogicdevicesVGAImagecontroller基于FPGA的VGA图像显示控制器设计3目录前言....................................................................5第1章VGA概述..........................................................61.1VGA显示技术的发展概况......................................................61.2VGA显示接口................................................................71.3VGA显示原理................................................................81.4VGA时序...................................................................10第2章FPGA简介及设计流程..............................................132.1FPGA简介.......................................................132.2FPGA设计流程...................................................142.3VHDL简介.......................................................162.4QuartusII简介.................................................17第3章设计方案........................................................193.1设计的主要内容..................................................193.2设计原理........................................................19第4章系统实现........................................................214.1VGA显示控制模块................................................214.2imgrom(图像数据ROM)............................................244.2.1图像原理..................................................244.2.2具体实现步骤..............................................254.3二分频模块......................................................284.4地址发生器模块..................................................294.5顶层设计........................................................294.6设计结果........................................................31第5章结束语..........................................................33附录...................................................................35显示扫描模块代码........................................................35二分频器模块代码........................................................36地址发生器模块代码......................................................37参考文献................................................................38基于FPGA的VGA图像显示控制器设计4基于FPGA的VGA图像显示控制器设计5前言现在社会，以计算机技术为核心的信息技术飞速发展，以及信息的爆炸式增长，人们获得很大一部分的视觉信息是从各种电子显示设备上获得的,为此对电子显示设备的要求也越来越高,在这些因素影响下,显示技术也取得了快速发展。1987年IBM推出了一种高分辨率的视频传输标准即VGA（视频图形阵列），其具备显示速度快，分辨率高，和丰富的颜色等特点。被广泛应用于彩色显示领域。使用VGA显示控制器的FPGA设计有着高度的灵活性，并能够根据不同类型，规模，和不同的适用场合，尤其是工业产品，做一些特殊的设计，用最低的价格，满足系统的要求，并能解决一般显示控制器本身固有的一些点。VGA图像控制器是一个较大的数字系统，传统的图像显示的方法是将图像数据传输到计算机，并通过显示屏显示出在传输过程中，在图像数据中的芯片需要不断的信号控制，所以造成芯片的资源浪费，系统还需要依靠计算机，从而减少了系统的灵活性。采用FPGA芯片和EDA设计方法，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，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，产品的升级换代和方便迅速。基于FPGA的VGA图像显示控制器设计6第1章VGA概述伴随着市场上液晶显示器的出现，越来越多的数字产品开始使用液晶作为显示终端，不过基于VGA标准的显示器仍是目前普及率最高的显示器。如果想要驱动此类显示器，必须得有很高的扫描频率，以及极短的处理时间，综合诸多特点需要，所以选用FPGA来实现对VGA显示器的驱动。本次毕业设计即选用FPGA来实现VGA的显示。现在，基于FPGA的设计方案越来越被用于更多的嵌入式系统，在基于FPGA的大规模嵌入式系统设计中，为了更好的实现VGA显示功能，既能使用专用的VGA接口芯SPX7111A等，又可以设计和使用基于FPGA的VGA接口软核，其优点在于能使用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。此外设计和使用VGA接口软核更具有以下几点优势：◆使用芯片更少，节省板上资源，布线难度大大减少。◆当高速数据进行传输时，减少高频噪声干扰。◆采用FPGA（现场可编程门阵列）设计的VGA接口可以将要显示的数据直接传送到显示器，跳过计算机的处理过程，加快了数据的处理速度，从而有利的节约硬件成本。◆整体设计费用降低，产品更具有价格优势。现代EDA软件发展迅速，设计、仿真更容易实现，量化设计中各个环节，使得设计周期日益缩短。1.1VGA显示技术的发展概况VGA接口，它是一种被广泛应用的标准显示接口，大多数的显卡和显示器之间，以及二色等离子的电视输入图像模数的转换上使用了VGA接口。它同样还被用于LCD的液晶显示设备，随着微电子制造工艺的发展，可编程逻辑器件也取得了长久的进步，早期的元器件只可以存储很少的数据，逻辑功能实现更为简单，然而发展至今，其完成的逻辑功能相对复杂，规模更大，速度更快，功耗更低！现阶段可编程逻辑器件主要有两大类，现场可编程逻辑器件（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。FPGA的运行速度快，管脚资源更加丰富，大规模的系统设计的实现相对简单，大量软核可供使用用，有利于二次开发使用，不仅如此，而且FPGA具备可重构的能力，抗看等特点。因此，工业控制及其他领域也更加重视使用FPGA，利用FPG完成VGA显示控制，可以使图像的显示脱离PC机的控制，形成体积小、功耗低的格式嵌入式系统（便基于FPGA的V