原创简单VGA的FPGA实现（上）

 2016-1-19 23:50  1321 9 9

最近打算用FPGA读取OV7670摄像头然后通过用VGA显示在电脑显示器上。但是要实现该功能工作量实在有点大，不过一步一步来总会做出来的。

先来了解一下VGA。

我们先来看一下VGA的接口定义。

除了电源线以及地线，VGA最重要的有5个端口：RED、GREEN、BLUE、H_SYNC、V_SYNC。这5个端口的作用如下：

RED：提供像素红色分量的模拟电压。（0——0.7V）

GREEN：提供像素绿分量的模拟电压。（0——0.7V）

BLUE：提供像素蓝色分量的模拟电压。（0——0.7V）

H_SYNC：水平同步（行同步）

V_SYNC：垂直同步（场同步）

在介绍这几个引脚的功能之前，先让我们做以下实验。

假设现在主机持续地发送同一个8bit的数据（0bXXXX_XXXX）给从机，主从机都知道该数据的长度为8bit，但是主机跟从机只有一个数据端口PA连接（已共地）。

主机在某个内部工作时钟的上升沿开始发送数据的LSB，然后依次在下一个时钟上升沿发送下一位，直到发送完8bit，然后等待一固定时间，再重复上述步骤。

PA端口的电平变化如下图所示(矩形表示根据数据具体变化的电平)

此时，从机能否识别出主机发送的数据？不能，因为不同数据会导致PA端口的电平出现不同的变化，从机无法根据PA端口的电平来反推主机发送过来的数据。

好，那我们再加一根线PB，该线加了下拉电阻。

在主机准备开始发送数据时，主机将其电平拉高，发送完了再放低。这样一来，从机就可以通过读取该线的电平来判断主机数据的发送状态：上升沿--->主机开始发送数据，高电平--->主机发送数据中，下降沿--->主机发送数据完毕。

由于主机发送一个8Bit的数据的时间是一定的，设为Ts；而从机又可以通过PB端口知道Ts的开始时刻以及持续时间。那么，从机就可以在PB的上升沿采集PA的数据作为8Bit数据的第一位，然后依次等待Ts/8的时间后，再采集下一位，直到采集完8bit的数据。这样，从机就可以得到主机发送过来的一个完整的数据了。

然后出于对线路以及其他一些方面的考虑，主机需要在正式开始发送之前，先预先通知一下从机，告诉从机，你在接收到通知时开始计时，经过时间Ta后，我们就正式开始发送数据；我们发送完数据后可能还需要处理一下别的事情，需要时间Tb,等我们处理完了，再通知你。该改变如下图所示。

则此时从机的读取顺序则改变为：在PB的上升沿开始等待Ta，时间一到就开始采集PA的数据作为8Bit数据的第一位，然后依次等待Ts/8的时间后，再采集下一位，直到采集完8bit的数据，然后再等待PB的下一个上升沿，开始下一轮的读取。

经过建立以上的连接与时序，主机就可以把数据源源不绝地发送从机。但此时的数据就是一串的，没有开头也没有结尾，主机可以持续地把一个一维数组的元素发送给从机，但是从机却无法知道哪个数据是这个数组的开始元素、这个数组的大小，所以也就无法把该数组从接收到的数据串中截取出来。

那没办法，我们只好在主机从机之间再接一根线，也接了下拉电阻。

主机在准备开始发送数组前就把PC拉高，正在发送数组成员时持续拉高，发送完毕后就放低。然后还是考虑到其他一些因素，PC需要提前拉高以及推后放低。如此一来，得到下面的图。

至此为止，主机已经可以把一个元素为8bit的数据的任意长度的一维数组发送给从机了。

那假如是9bit，10bit的呢？一样的道理，只要主机从机约定好就可以了。

接下来，我们把从机接收到的一维数组处理一下，转化成矩阵。

假设从机收到的数组的元素为n bit的数据，数组长度为m。那我们建立一个m行n列的矩阵，先取出数组的第一个元素，取其MSB的值放在矩阵（0,0）处，取下一bit放在矩阵（0,2）处，依次填充，该元素的LSB放在矩阵（0，n-1）处；再取出第二个元素，取其MSB的值放在矩阵（1,0）处，取下一bit放在矩阵（1,2）处，依次填充，该元素的LSB放在矩阵（1，n-1）处；依次类推，用数组填充好矩阵。于是，我们得到了一个矩阵。

假如我们再把数据线PA扩充成三根：PA0、PA1、PA2，那么，依照之前的时序，主机就可以同时发送三个元素数量相同、元素位宽相同的数组。而利用这三组数组，我们就可以把原先矩阵元素的位宽由1拓展为3。