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顯示器因為其輸出信息量大，輸出形式多樣等特點(diǎn)已經(jīng)成為現在大多數設計的常用輸出設備。在 FPGA 的設計中可以使用很少的資源，就產(chǎn)生 VGA 各種控制信號。這個(gè)示例在 RHicSP2200B FPGA 開(kāi)發(fā)板/學(xué)習板上使用 VGA 接口在顯示器上顯示了文字以及簡(jiǎn)單的圖形，可以作為VGA 顯示設計的參考，如果在使用這個(gè)例子的過(guò)程中有任何問(wèn)題都可以通過(guò) 郵件 calvin_richic@yahoo.com.cn聯(lián)系作者。 顯示器術(shù)語(yǔ) 像素與分辨率 顯示器的顯示方式有兩種 ： A/N（Alphabet/Number：字符/數字）顯示方式 和 APA（All Point Addressable：全點(diǎn)尋址） 顯示方式，即文本顯示方式和圖形顯示方 式。A/N 方式已淘汰不用，目前微機都采用 APA 圖形方式。 顯示器上輸出的一切信息，包括數值、 文字、表格、圖象、動(dòng)畫(huà)等等，都是由光點(diǎn)（即像素）構成的。組成屏幕顯示畫(huà)面的最小單位是像素，像素之間的最小距離為點(diǎn)距（Pitch）。點(diǎn)距越小像素密度越大，畫(huà)面越 清晰。顯示器的點(diǎn)距有 0.31mm、0.28mm、0.24mm、0.22mm 等多種。 分辨率指整屏顯示的像素的多少，是衡量顯示器的一個(gè)常用指標。這同屏幕尺寸及點(diǎn)距密切相關(guān)，可用屏幕實(shí)際顯示的尺寸與 點(diǎn)距相除來(lái)近似求得。點(diǎn)距為 0.28mm 的 15 英寸顯示器，分辨率最高為 1024×768。 顯示器尺寸 顯示器屏幕尺寸以對角線(xiàn)來(lái)度量，常用的顯示器有 14、15、17、19、21 英寸等。 顯示器水平方向長(cháng)度與垂直方向高度之比 一般為 4：3。 掃描頻率 顯示器采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在 CRT 屏幕上從左到右（受水 平同步信號 HSYNC 控制）、從上到下（受 垂直同步信號 VSYNC 控制）做有規律的移動(dòng)。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描。電子束采用光柵掃描方式，從屏幕左上角一點(diǎn) 開(kāi)始，向右逐點(diǎn)進(jìn)行掃描，形成一條水平線(xiàn)；到達最右端后，又回到下一條水平線(xiàn)的左 端，重復上面的過(guò)程；當電子束完成右下角一點(diǎn)的掃描后，形成一幀。此后，電子束又回到左上方起點(diǎn)，開(kāi)始下一幀的掃描。這種 方法也就是常說(shuō)的逐行掃描顯示。 而隔行掃描指電子束在掃描時(shí)每隔一 行掃一線(xiàn)，完成一屏后再返回來(lái)掃描剩下的 線(xiàn)，這與電視機的原理一樣。隔行掃描的顯示器比逐行掃描閃爍得更厲害，也會(huì )讓使用者的眼睛更疲勞。目前微機所用顯示器幾乎都是逐行掃描。 完成一行掃描所需時(shí)間稱(chēng)為水平掃描時(shí)間，其倒數稱(chēng)為行頻率；完成一幀（整屏） 掃描所需的時(shí)間稱(chēng)為垂直掃描時(shí)間，其倒數為垂直掃描頻率，又稱(chēng)刷新頻率，即刷新一屏的頻率。常見(jiàn)的有 60Hz、75Hz 等，標準 VGA 顯示的場(chǎng)頻60Hz，行頻為31.5kHz。 顯示帶寬 帶寬則指顯示器可以處理的頻率范圍。如果 60Hz 刷新頻率的 VGA 方式，其帶寬達 640×480×60=18.4MHz；70Hz 刷新頻率1024×768 分辨率的 SVGA 方式，其帶寬達1024×768×70=55.1MHz。 早期的顯示器頻率固定�，F在流行的多 屏顯示器采用自動(dòng)跟蹤技術(shù)，使顯示器的掃描頻率自動(dòng)與顯示卡的輸出同步，達到較寬的適用范圍。 顯示卡術(shù)語(yǔ) 一個(gè)像素點(diǎn)可有多種顏色，由表示該像素的二進(jìn)位數（又稱(chēng)像素的位寬）決定。像 素位寬為 8bit，則每個(gè)像素有 28=256 種顏 色；位寬為16bit 則有 216=65536 種顏色， 位寬為 24bit 則有 224 即一千七百多萬(wàn)種顏色。顯示卡內的D/A（數/模）轉換電路將每 個(gè)像素的位寬（二進(jìn)位整數）轉換成對應亮度的 R、G、B（紅、綠、藍）模擬信號，控制屏幕上相應的三色熒光點(diǎn)發(fā)光，產(chǎn)生所要求的顏色。 隨著(zhù) PC 機的不斷更新?lián)Q代，顯示控制卡（即顯示適配器）的標準也不斷發(fā)展。從最初的 MDA（單色顯示適配器）→CGA（彩色圖形顯示適配器）→EGA（增強型圖形適配器）→VGA（視頻圖形陣列適配器）。VGA 一改以前顯示卡采用的數字視頻信號輸出，而用模擬視頻信號輸出，VGA 卡內的 D/A 轉換器將數字信號轉換為控制 R、G、B 三 原色的模擬信號，使像素色彩變化非常平滑，更適合人的視覺(jué)感受。 性能高于VGA 并與之兼容的顯示適配 卡有 TVGA 和 SVGA。隨著(zhù) Windows 的普及和對快速度、多色彩、高分辨率的需要， 一些廠(chǎng)家在 SVGA 芯片中增加更多的硬件 來(lái)支持 Windows 的加速，這類(lèi)顯示適配器一般被稱(chēng)作 AVGA（Accelerated VGA：加速VGA）。目前大多數微機上的顯示卡都屬于 AVGA 類(lèi)型。 顯示卡主要由圖形處理芯片、視頻存儲器及 BIOS 芯片等組成。一般 AVGA 類(lèi)型顯示卡的控制器由單塊 AVGA 芯片充當，其中包含的圖形加速控制器對提升圖形功能至關(guān)重要。 顯示卡的性能主要取決于卡上使用的圖形芯片。早期的圖形芯片沒(méi)有幀緩沖器，有關(guān)幀的操作都要由 CPU去處理，降低了顯示速度�，F在多數顯示卡上都設置具有圖形處理功能的加速芯片，可處理像 Windows類(lèi)型的圖形任務(wù)而減少 CPU 參與。更高級的顯示卡上有協(xié)處理器，可大大減免 CPU 的處理和參與。 利用視頻存儲器 VRAM 儲存顯示數據，可減少甚至免去訪(fǎng)問(wèn)系統主存，加快顯示速度。 640×480-16色VGA顯示一屏需640×480×Log216/8=154KB 顯示存儲器，1024×768 真彩顯示一屏則需1024×768×24÷8≈2.3MB。 顯示卡插在系統板的擴展槽內，通過(guò)電纜連接到機箱背面的15 針D 型插座連接器上。某些高檔的主板內置了顯示卡的功能。 CRT 顯示器背面有一個(gè)與顯示器連接好的視頻電纜，電纜的末端是 15針插入式連接器，使用時(shí)將它直接插入主機機箱背面的 15孔D 型插座上即可。 VGA 時(shí)序設計 在 VGA 中，水平同步脈沖在光柵掃描 線(xiàn)需要回到水平開(kāi)始位置也就是屏幕的左邊的時(shí)候插入，垂直同步脈沖在光柵掃描線(xiàn)需要回到垂直開(kāi)始位置也就是屏幕的上方的時(shí)候插入。復合同步脈沖是水平同步脈沖與垂直同步信號的組合。RGB 為像素數據，在沒(méi)有圖像投射到屏幕時(shí)插入消隱信號，當消隱有效時(shí)，RGB 信號無(wú)效。 水平時(shí)序 在水平時(shí)序中，包括以下幾個(gè)時(shí)序參數：水平同步脈沖寬度；水平同步脈沖結束到水平門(mén)的開(kāi)始之間的寬度；一個(gè)視頻行可視區域的寬度；一個(gè)完整的視頻行的寬度，從水平同步脈沖的開(kāi)始到下一個(gè)水平同步脈沖的開(kāi)始。 垂直時(shí)序 在垂直時(shí)序與水平時(shí)序類(lèi)似，包括以下幾個(gè)不同的時(shí)序參數：垂直同步脈沖寬度； 垂直同步結束到垂直門(mén)的開(kāi)始之間的寬度； 一個(gè)視頻幀可是區域的寬度；一個(gè)完整視頻幀的寬度，從垂直同步脈沖到下一個(gè)垂直同步脈沖的開(kāi)始。 組合視頻幀時(shí)序 視頻幀由 vlen 個(gè)視頻行組成，每一行由 hlen 個(gè)像素，水平門(mén)與垂直門(mén)的“與”函數 即為可是區域，圖像的其他區域為消隱區。 目前存在很多種不同VGA 模式，以下就常見(jiàn)的各種模式種參數進(jìn)行說(shuō)明，給出 VGA 模式中各種時(shí)序參數可以參考。 表 1 水平時(shí)序 說(shuō)明：有效時(shí)間包括 6 列過(guò)掃描邊界列，有些時(shí)序表將這幾列加在后沿和前沿中 表 2 垂直時(shí)序 說(shuō)明：有效時(shí)間包括 4 行過(guò)掃描邊界行，有些時(shí)序表中將這幾行加在后沿和前沿中。 *當有效時(shí)間增加時(shí)，它超過(guò)了 vsync 信號的上升沿，因此前沿為－1 在實(shí)際設計中如何通過(guò)不同的系統頻率確定適當的顯示模式 ？ 例如在 RhicSP2200 開(kāi)發(fā)板中FPGA 的系統時(shí)鐘頻率為 50MHz。這個(gè)時(shí)鐘頻率可以用來(lái)設計 顯示 800X600 模式，為了顯示器顯示效果好，采用場(chǎng)頻（刷新頻率）75Hz，那么幀長(cháng)可以確定為 666，而行總長(cháng)設計為 1000 像素。 根據以上所述，我們可以設計如Examples1類(lèi)似HDL代碼，使用這段代碼在Valid 有效期間對RGB 中 Blue 兩位賦值1，得到一個(gè)藍色屏幕顯示邊界如圖1 所示。 色彩原理 RGB 色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標準，是通過(guò)對紅(R)、綠(G)、藍(B)三個(gè)顏色 通道的變化以及它們相互之間的疊加來(lái)得到各式各樣的顏色的，RGB 即是代表紅、 綠、藍三個(gè)通道的顏色，通過(guò)三種基本顏色亮度值從 0"255 不同產(chǎn)生出其他各種顏色，這種模式叫加色模式。為什么叫加色模式呢，舉個(gè)例子，通常使用的電視屏幕和電腦 屏幕上的顯示就是這樣的模式，在沒(méi)有圖象時(shí)，屏幕是黑的，若R，G，B 三色亮度都為255 時(shí)混合疊加打在屏幕上時(shí)則顯示成白色。就是加起來(lái)是白色的意思，叫加色模式。這個(gè)標準幾乎包括了人類(lèi)視力所能感知的所有顏色，是目前運用最廣的顏色系統之 一。 而與我們電腦相關(guān)的地方，就是目前的顯示器大都是采用了 RGB 顏色標準，這就是為什么它對我們來(lái)說(shuō)這么重要了。 在顯示器上，是通過(guò)電子槍打在屏幕的紅、綠、藍三色發(fā)光極上來(lái)產(chǎn)生色彩的，目前的電腦一般都能顯示 32 位顏色，約有一百萬(wàn)種以上的顏色。如果說(shuō)它所顯示的顏色 還不能完全吻合自然界中的某種色彩的話(huà)，那已經(jīng)幾乎是我們肉眼所不能分辯出來(lái)的了。 而 RhicSP2200 開(kāi)發(fā)板系統中每一個(gè)色 彩都是使 用 2bit 來(lái) 表示的，因 此可見(jiàn) RhicSP2200 系統可以出現64 種不同的顏 色。其他色彩的使用請在實(shí)際工作中更多的加以體會(huì )。 顯示 通過(guò)以上的講述，已經(jīng)可以在計算機顯示器上顯示一個(gè)有顏色的區域了，在這個(gè)小節中我們再舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在顯示器中顯示兩個(gè)鑲嵌的正方形，字符等顯示與其類(lèi)似，可以參考瑞芯科技其他設計示例。 例如我們可以在 xpos 與 ypos 的某一區間給 RGB 信號賦不同的值將得到如圖2 所示的顯示效果。 例子 1：使用 50MHz 時(shí)鐘頻率產(chǎn)生的 VGA 同步脈沖以及視頻有效信號 module sync_gen_50m( rst_n,// synthesis attribute clock_buffer of rst_n is ibufg; clk, hsync, vsync, valid, x_cnt, y_cnt ); input rst_n ; input clk ; output hsync ; output vsync ; output valid ; output [9:0] x_cnt ; output [9:0] y_cnt ; reg hsync ; reg vsync ; reg valid ; reg [9:0] x_cnt ; reg [9:0] y_cnt ; always @ ( posedge clkornegedge rst_n ) if ( !rst_n ) x_cnt ＜= 10'd0; else if ( x_cnt == 10'd1000 ) x_cnt ＜= 10'd0; else x_cnt ＜= x_cnt + 1'b1; always @ ( posedge clkornegedge rst_n ) if ( !rst_n ) y_cnt ＜= 10'd0; else if ( y_cnt == 10'd665 ) y_cnt ＜= 10'd0; else if ( x_cnt == 10'd1000 ) y_cnt ＜= y_cnt + 1'b1; always @ ( posedge clkornegedge rst_n ) if ( !rst_n ) begin hsync ＜= 1'b0; vsync ＜= 1'b0; end else begin hsync ＜= x_cnt ＜= 10'd50; vsync ＜= y_cnt ＜= 10'd6; end always @ ( posedge clkornegedge rst_n ) if ( !rst_n ) valid ＜= 1'b0; else valid ＜= ( ( x_cnt ＞ 10'd180 ) && ( x_cnt ＜ 10'd980) && ( y_cnt ＞ 10'd35) && ( y_cnt ＜ 10'd635) ); endmodule |
