原创 【原创】基于Verilog的VGA显示控制（有源码）

最近一直在玩转自己板子上的VGA模块，前几天做了一个基于Verilog的VGA显示控制，拿出来和大家分享一下。

一、VGA时序

下面的图是本人画了一个晚上的结果，个人认为能够比较详细的阐述VGA的信号时序。

VGA的时序根据不同的显示分辨率和刷新频率会有变化，具体各种类型的时序信息可以参考下面的网站，这里非常详细的说明的每一种显示模式的VGA时序信息。

http://www.tinyvga.com/vga-timing

<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

二、VGA电平

VSYNC，HSYNC为标准TTL电平，0V~3.3V。

RGB的电平在0V~0.7V之间（0V为黑色，0.7V为全色）。

三、程序顶层框图

VGA产生行同步（HSYNC），场同步信号（VSYNC），并产生每个像素的地址输入单口ROM（显存）中，ROM输出该点需要显示的颜色值。

四、单口ROM（显存）设计

程序的显示模式为800*600，72Hz刷新频率，像素频率为50MHz。每个像素需要显示的颜色存储在单口RAM中，每种颜色用8个字节表示，则如果要显示800*600分辨率，则需要800*600字节（480KB）的单口ROM，由于FPGA内部没有这么大的RAM（我用的是ep<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />2c8），因此我把屏幕上100*100个像素组成的矩形作为一个逻辑像素（即显示同一种颜色），这样只要8*6字节（48字节），用FPGA自带的RAM是很容易实现的。

ROM中颜色存储地址表

将全屏划分成8*6的方格，每个方格的颜色存储在ROM中，VGA控制器不断产生行坐标（ROM水平地址）和场坐标（ROM垂直地址），最后组合成ROM实际地址输入ROM中，ROM输出该地址的颜色值，显示在LCD中。

五、程序设计

VGA控制器程序

module VGA(clk,rst_n,hsync,vsync,vga_r,vga_g,vga_b);

input clk;       //50MHz

input rst_n;    //复位信号

output hsync;  //行同步信号

output vsync; //场同步信号

// R、G、B信号输出

output[1:0] vga_r;

output[2:0] vga_g;

output[2:0] vga_b;

//--------------------------------------------------

reg[10:0] x_cnt;      //行坐标（这里包括了行同步、后沿、有效数据区、前沿）

reg[9:0] y_cnt;      //列坐标（这里包括了场同步、后沿、有效数据区、前沿）

reg[5:0] Xcoloradd;

reg[2:0] Ycoloradd;

parameter

      Left = 184,

      PixelWidth = 100,

      Top  = 29;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

       if(!rst_n) x_cnt <= 10'd0;

       else if(x_cnt == 11'd1040) x_cnt <= 10'd0;           //行计数记到1040

       else x_cnt <= x_cnt+1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)//产生行地址（ROM水平地址）

       if(!rst_n) Xcoloradd <= 6'b000000;

       else if(x_cnt >= Left && x_cnt <Left + PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000000;

       else if(x_cnt >= Left + PixelWidth && x_cnt <Left + 2*PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000001;

       else if(x_cnt >= Left + 2*PixelWidth && x_cnt <Left + 3*PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000010;

       else if(x_cnt >= Left + 3*PixelWidth && x_cnt <Left + 4*PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000011;

       else if(x_cnt >= Left + 4*PixelWidth && x_cnt <Left + 5*PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000100;

       else if(x_cnt >= Left + 5*PixelWidth && x_cnt <Left + 6*PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000101;

       else if(x_cnt >= Left + 6*PixelWidth && x_cnt <Left + 7*PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000110;

       else if(x_cnt >= Left + 7*PixelWidth && x_cnt <Left + 8*PixelWidth) Xcoloradd <= 6'b000111;

       else Xcoloradd <= 6'b110000;//背景颜色地址

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

       if(!rst_n) y_cnt <= 10'd0;

       else if(y_cnt == 10'd666) y_cnt <= 10'd0;             //场同步记到666

       else if(x_cnt == 11'd1040) y_cnt <= y_cnt+1'b1;//每计数完一行，场同步就加一

always @ (posedge clk or negedge rst_n)//产生列地址（ROM垂直地址）

       if(!rst_n) Ycoloradd <= 3'b000;

       else if(y_cnt >= Top && y_cnt < Top + PixelWidth) Ycoloradd <= 3'b000;

       else if(y_cnt >= Top + PixelWidth && y_cnt < Top + 2*PixelWidth) Ycoloradd <= 3'b001;

       else if(y_cnt >= Top + 2*PixelWidth && y_cnt < Top + 3*PixelWidth) Ycoloradd <= 3'b010;

       else if(y_cnt >= Top + 3*PixelWidth && y_cnt < Top + 4*PixelWidth) Ycoloradd <= 3'b011;

       else if(y_cnt >= Top + 4*PixelWidth && y_cnt < Top + 5*PixelWidth) Ycoloradd <= 3'b100;

       else if(y_cnt >= Top + 5*PixelWidth && y_cnt < Top + 6*PixelWidth) Ycoloradd <= 3'b101;

       else Ycoloradd <= 3'b110;//背景颜色地址

//--------------------------------------------------

// signal port ROM

wire[7:0] color;

wire[5:0] coloradd;

assign coloradd = {Ycoloradd,3'b000}|Xcoloradd;//将水平地址和垂直地址合成ROM实际地址

sprom u1(coloradd,clk,color);

//---------------------------------------------------

wire valid;      //有效数据显示区标志，就是你在液晶屏幕上可以看到的区域

assign valid = (x_cnt > 10'd184) && (x_cnt < 10'd984)

           && (y_cnt > 10'd29) && (y_cnt < 10'd629);

//--------------------------------------------------

reg hsync_r,vsync_r;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

   if (!rst_n) begin

              hsync_r <= 1'b0;

      vsync_r <= 1'b0;

      end

   else begin

      hsync_r <= x_cnt >= 10'd120;  //产生hsync信号（行同步）when x_cnt>=50,then hsync_r=1,else 0;低电平同步

      vsync_r <= y_cnt >= 10'd6;   //产生vsync信号（场同步）my LCD is low sync

      end

assign hsync = hsync_r;

assign vsync = vsync_r;

//--------------------------------------------------

//颜色输出

assign vga_r[1] = valid ? color[7] : 1'b0;

assign vga_r[0] = valid ? color[6] : 1'b0;

assign vga_g[2] = valid ?  color[5] : 1'b0;

assign vga_g[1] = valid ?  color[4] : 1'b0;

assign vga_g[0] = valid ?  color[3] : 1'b0;

assign vga_b[2] = valid ? color[2] : 1'b0;  

assign vga_b[1] = valid ? color[1] : 1'b0;

assign vga_b[0] = valid ? color[0] : 1'b0;

endmodule

六、运行结果

相机不好，拍的不太清晰，大家将就看看。

七、后记

在这次程序中只在ROM中存储了一些随机的数，因此显示出来是一些小方格，如果ROM做的更大，完全可以存储一幅图像，显示在LCD中。

不过由于由于用ROM做为显存，每次只能显示一幅静态的图像，而且没有加入字符库，不能显示字符，在下次的文章中，我将使用双口RAM，加上Nios II处理器，这样可以方便的显示各种字符。