【从零开始走进FPGA】 玩转VGA

　　一、VGA的诱惑

　　首先，VGA的驱动，这事，一般的单片机是办不到的;由于FPGA的速度，以及并行的优势，加上可现场配置的优势，VGA的配置，只有俺们FPGA可以胜任，也只有FPGA可以随心所欲地配置(当然ARM也可以，应用比较高吧)。

　　初学者就是喜欢看炫的效果，往往会忍不住想玩。尤其玩FPGA的，没玩VGA就感到跟单片机没啥提升，因此VGA的驱动也不得不讲。Bingo当年也是如此。挡不住VGA的诱惑，初学者问Bingo VGA问题的人也是灰常的多，也许一般教科书理论太强，实际应用不是很身后，在此Bingo用浅显易懂的语言来讲述VGA的驱动原理，以及通过设计一个可移植模块的应用来讲述。

　　二、VGA驱动原理

　　此处Bingo不参考任何资料，用当年已学的知识，用浅显易懂的语言讲述。

　　1、VGA接口

　　最主要的几根线：

　　更详细的资料，请看 http://baike.baidu.com/view/10346.htm

　　2、VGA时序

　　VGA其实就是相当于一块芯片，跟单片机驱动IC一样，满足一定的时序，便能驱动起来。

　　(1)扫描轨迹

　　VGA的扫描其实很简单，大致轨迹如下所示：

　　没扫描完一行，从新开始下一行;每扫完一场，重新开始下一场。相信你应该看的懂。

　　(2)行场扫描

　　以下是行扫描，场扫描HS，VS时序图

　　如上如所示：VGA一直在扫描，没一场的扫描包括了若干行扫描，如此循环。

　　(3)VS时序深入分析

　　VS时序如下所示：

　　可见时序的循环，可被划分为a，b，c，d4个时期。这四个时期定义如下：

　　A~B：场消隐期 即同步，相当于还原扫描坐标吧

　　B~C：场消隐后肩 相当于准备开始扫描吧

　　C~D：场显示期 扫描中，数据有效区域

　　D~E：场消隐前肩 完成扫描，相当于准备同步

　　(4)HS时序深入分析

　　可见时序的循环，可被划分为a，b，c，d4个时期。这四个时期定义如下：

　　A~B：行消隐期 即同步，相当于还原扫描坐标吧

　　B~C：行消隐后肩 相当于准备开始扫描吧

　　C~D：行显示期 扫描中，数据有效区域

　　D~E：行消隐前肩 完成扫描，相当于准备同步

　　综上描述，我们只要知道每个时期的时间，便可以表示出VGA的时序。而FPGA的工作是由固定频率的时钟触发的，因此某固定时间可以用n次触发来表示。因此我们很容易就想到了FPGA常用的计数方法：比如说行扫描，我们计数0~H_total-1。用另一个进程将其划分为4个时期，安标注分配。其实这相当于状态机。

　　以下是固定分辨率1024*768 60fps下HS,VS的标准：

　　用代码表示4个时期，如下：

　　// VGA_1024_768_60fps_65MHz

　　// Horizontal Parameter( Pixel )

　　parameter H_DISP = 11'd1024,

　　parameter H_FRONT = 11'd24,

　　parameter H_SYNC = 11'd136,

　　parameter H_BACK = 11'd160,

　　parameter H_TOTAL = 11'd1344,

　　// Virtical Parameter( Line )

　　parameter V_DISP = 10'd768,

　　parameter V_FRONT = 10'd3,

　　parameter V_SYNC = 10'd6,

　　parameter V_BACK = 10'd29,

　　parameter V_TOTAL = 10'd806

　　3、VGA电路

　　(1)三原色

　　VGA接口：R,G,B三通道，直接赋给数字信号，RGB，最多产生8种色彩。这是最基本的。电路如下所示：

　　(2)真彩显示

　　a) 电阻网络

　　考虑到成本意识实现的简易方案，用R-2R电阻网络分流模拟DAC替换ADV7123视频转换芯片。见以下几个方案：

　　DE1 VGA模拟电路

　　小马哥电路图

　　具体设计参考Bingo当年总结：

　　http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/07/31/1789323.html

　　或者参考小马哥设计：

　　http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=3582675&bbs_page_no=1&search_mode=2&search_text=VGA&bbs_id=9999

　　b) 专用视频转换芯片

　　利用专用视频转换芯片，ADV7120等，将数字信号转换为VGA RGB的模拟信号。ADV7120为高速D/A芯片，将数字信号转换为模拟信号输给VGA，电路如下：

　　三、可移植VGA模块设计

　　Bingo玩VGA也算是比较早了，当年也是视觉的诱惑，以及唯FPGA独尊的优势。于是之后一发而不可收拾。本章Bingo将自己这些年最终优化的VGA驱动模块，发布至此。本模块所有代码均Bingo独家创造，请尊重版权哈。

　　本设计已经封装成模块，只要修改时序参数、扫描时钟参数以及在vga_display.v中添加显示电路，即可。方便移植，希望对大家有用。

　　1、模块划分

　　(1)vga_design.v

　　工程顶层文件，例化各个模块。

　　(2)sys_ctrl.v

　　PLL时钟分配电路。

　　(3)vga_display.v

　　显示电路，根据时序，用于描述VGA的显示电路。

　　(4)vga_driver.v

　　VGA驱动电路，对时序，状态的约束。

　　RTL图如下所示：