基于FPGA的真彩VGA顯示的實(shí)現(xiàn)

Mif文件在FPGA中的應(yīng)用，主要是在RAM，ROM中，一般用來存儲字模、波形數(shù)據(jù)、信號采樣、數(shù)據(jù)序列等，可以看做是C語言中的數(shù)組，用來存儲數(shù)據(jù)。Bingo當(dāng)年也是郁悶的很啊，當(dāng)年做電子琴，在Quartus II Memory Initialzation File 也手動寫過曲譜的mif文件。眼睛都花了；曾經(jīng)做過波形發(fā)生器，有康芯的Guagle的支持，很方便；對于VGA字符圖片顯示，字模數(shù)據(jù)的龐大，Bingo最后通過C語言，根據(jù)mif格式，設(shè)計(jì)了軟件，今天定格。

一、講真彩顯示的理由：

畢竟這是電腦的液晶，為啥我們就不能做的想電腦一樣顯示彩色的圖片呢？只是單純的顯示線條，字符，感覺還是在玩LCD1602、LCD12864似地，不爽，不爽，灰常的不爽。那么大的VGA，不做點(diǎn)像樣的東西，還真的很不甘心。

視覺的沖擊，真彩的誘惑，內(nèi)心的萌動，如果你是個不愿意放棄的人，沒做到真彩顯示，我想，你應(yīng)該不會那么踏實(shí)；如果你是一個對視覺有沖動的人，單調(diào)的VGA驅(qū)動，決不會甘心。Bingo當(dāng)年就是很不爽，為了那一刻，走一步，再走一步，潛行了很久，終于在某年某月某一天，視覺暫留于熒光屏，彩色的誘惑，阻隔了前面的世界，歷史從此定格。

本章將講述VGA真彩顯示的設(shè)計(jì)，通過硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，以及各種不同的方案來講解，同時通過對Bingo設(shè)計(jì)的真彩顯示的一個工程稍做分析；最后展望未來，繼續(xù)走下一步，視覺暫留的我們不能就此停下腳步，，風(fēng)雨兼程決不放棄，接下來要做的將會更多更多，其實(shí)這才是真正的開始。

二、真彩顯示的要求

1、數(shù)據(jù)的流通

要想在VGA上顯示一張彩色的圖片，就必須有充足的條件。簡單的說，那就必須要有圖片數(shù)據(jù)源、要能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存，最后以標(biāo)準(zhǔn)的時序給VGA刷屏。整體流程如下圖所示：

（1）外部數(shù)據(jù)源，由CPU捕獲

（2）由CPU捕獲的數(shù)據(jù)，緩存與SRAM或者SDRAM等顯存

（3）由CPU控制VGA狀態(tài)，以固定的時序給VGA刷屏

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)時序給VGA刷屏也就是以上的（3），Bingo在前面兩張已經(jīng)講的非常清楚，掌握的朋友應(yīng)該可以應(yīng)用自如了。前文中VGA的驅(qū)動沒有數(shù)據(jù)源（暫且認(rèn)為Mif文件的數(shù)據(jù)屬于邏輯電路的描述），我們只是用FPAG邏輯描述的電路，給VGA固定坐標(biāo)顯示固定的內(nèi)容。因此，這一章的關(guān)鍵是將VGA刷屏的數(shù)據(jù)源，以及數(shù)據(jù)緩存處理，Bingo通過分析數(shù)據(jù)流通渠道來分析VGA真彩圖像顯示的技術(shù)。

2、色彩的識別

關(guān)于圖像的格式，有JPEG、BMP、PNG等多種格式；圖像的位數(shù)，也有單色、4灰、256色、4096色、16位真彩色、24位真彩色、32位真彩色這幾種。

有一種方法是直接通過讀取存放于SD卡、U盤等移動數(shù)據(jù)的圖片，通過圖片解碼來得到圖像數(shù)據(jù)，真彩顯示。FPGA并行數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換或者視頻轉(zhuǎn)換芯片），得到16位以上的VGA數(shù)據(jù)。人眼不能分辨的極限，至少也需要16位真彩色。16位以上的數(shù)據(jù)，24位、32位，人眼基本無法分辨清楚，因此，要求不是很高的情況下16位真彩色已經(jīng)足夠勝任。

前面講過的VGA驅(qū)動，最基本的分辨率有如下三種：

（1）VGA_640_480_60FPS_25MHz

（2）VGA_800_600_72FPS_50MHz

（3）VGA_1024_768_60FPS_65MHz

可見，至少25MHz的速度刷屏，需要我們在軟件中實(shí)現(xiàn)顯卡刷屏的功能；在最小圖片容量即（1）模式下的數(shù)據(jù)量是640*480*16 = 4915200Bits = 600KB，在（3）模式下的數(shù)據(jù)量是1024*768*16 = 1.5MB。如此大的圖片數(shù)據(jù)，需要有如此容量的緩存區(qū)。

綜上，也就是說，要實(shí)現(xiàn)真彩圖像VGA顯示，第一需要16位以上的VGA驅(qū)動電路，第二需要足夠的容量來存放圖片。

三、各種方案的匯總

1. 靜態(tài)數(shù)據(jù)源

所謂靜態(tài)數(shù)據(jù)源，就是數(shù)據(jù)已經(jīng)保存在系統(tǒng)中，不能再改變的的數(shù)據(jù)源。為了顯示真彩圖像，我們可以將圖像數(shù)據(jù)存放于SDRAM，或者Flash，從而通過讀取IC上已經(jīng)存儲的圖像數(shù)據(jù)，顯存于SRAM，利用前面Bingo設(shè)計(jì)的VGA可移植模塊驅(qū)動刷屏，實(shí)現(xiàn)真彩圖像的顯示?；镜募軜?gòu)就是：

FPGA + 靜態(tài)數(shù)據(jù)源 + SDRAM/SRAM + VGA

當(dāng)然此處數(shù)據(jù)存放于SDRAM，我們可以用Nios II 的C存放于數(shù)組，通過JTAG下載；FLASH中的數(shù)據(jù)，我們可以用Nios II 中的 Flash Programmer來完成配置。關(guān)于SDRAM中存放圖像數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)真彩圖像時最基本最簡單的方法，Bingo將會在后文講解。

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2. 動態(tài)數(shù)據(jù)源

所謂動態(tài)數(shù)據(jù)源，就是可以實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)來改變顯示的數(shù)據(jù)源。這關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。基本的架?gòu)就是：

FPGA + 動態(tài)數(shù)據(jù)源 + SDRAM/SRAM + VGA

（1）前面章節(jié)中Bingo講過的UART/USB硬核的編寫，或者直接利用Quatus II 偏上系統(tǒng)的UART/USB軟核，來作為動態(tài)數(shù)據(jù)通道。在這里可以應(yīng)用，我們把PC當(dāng)做智能終端，通過電腦處理，輸出圖片數(shù)據(jù)，更新SDRAM/SRAM內(nèi)容，實(shí)時刷屏，從而更新VGA內(nèi)容。當(dāng)然由于帶寬的限制，UART不可能達(dá)到實(shí)時顯示，而USB則可以達(dá)到實(shí)時傳輸，但較UART接口的定義要稍微復(fù)雜。

（2）當(dāng)然也不排除網(wǎng)絡(luò)傳輸來作為動態(tài)數(shù)據(jù)源通道，實(shí)現(xiàn)動態(tài)真彩圖片的顯示。只是目前而言，可能難度有點(diǎn)大，但這只是時間問題。

（3）在這就是將圖片數(shù)據(jù)存放于SD卡，通過驅(qū)動SD卡來緩存圖片數(shù)據(jù)，然后刷屏顯示真彩圖像。

（4）此外，如果你玩過攝像頭或者你想玩攝像頭，我們也可以將攝像頭作為外部數(shù)據(jù)源，來采集圖像，傳輸至SDRAM/SRAM，提供給VGA刷屏，更是不錯的方案。此方案關(guān)鍵在于攝像頭的驅(qū)動，以及數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)硬件滿足要求的情況下。實(shí)時顯示，不在話下，因此受到了很多人的青睞。以下就是通過攝像頭采集數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示的軟件設(shè)計(jì)流程圖：

這個方案實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)很多，Bingo在未來某一天會詳細(xì)講解視頻圖像采集、識別、處理的，敬請稍候……

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三、網(wǎng)上NB鏈接

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終于看到了希望——基于美女的VGA系統(tǒng)構(gòu)架 - CrazyBingo - 博客園.mht

http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/12/01/1892610.html

終于看到了希望——基于美女的VGA系統(tǒng)構(gòu)架 - CrazyBingo - Ouravr論壇

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4437397&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=hanbin08041813&bbs_id=9999

四、Bingo的設(shè)計(jì)

1. 硬件設(shè)計(jì)

（1）16Bits RGB通道：真彩數(shù)據(jù)VGA接口。第十四章講過VGA接口設(shè)計(jì)，要得到真彩數(shù)據(jù)，可以用電阻網(wǎng)絡(luò)模擬，或者視頻轉(zhuǎn)換芯片來得到多路數(shù)字通道，此處Bingo采用了視頻轉(zhuǎn)換芯片ADV7120KST50，原理圖如下：

（2）SDRAM：Nios II 內(nèi)存存儲芯片，Bingo此處采用了HY57V641620 SDRAM，硬件原理圖如下：

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（3）SRAM：VGA刷屏數(shù)據(jù)顯存IC，此處采用了ISSI的IS61LV51216AL-10TI 作為高速顯存芯片。

2. 軟件設(shè)計(jì)

如上圖所示，Bingo設(shè)計(jì)的真彩圖像顯示的工程的RTL圖。

這應(yīng)該算是真彩顯示的最簡單的設(shè)計(jì)吧，將圖像數(shù)據(jù)隨Nios II配置JTAG下載SDRAM，再讀取專一值SRAM，刷屏實(shí)現(xiàn)真彩圖像的VGA顯示。本工程的軟件架構(gòu)如下，主要用了以下這幾個模塊：

 

3. 注意問題

關(guān)于CPU傳輸數(shù)據(jù)給Sram_Ctrl模塊，Bingo采用了模擬6800總線協(xié)議，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行交換處理。當(dāng)然若有更好的方案，您可以自行設(shè)計(jì)協(xié)議，Verilog相當(dāng)?shù)撵`活。

關(guān)于時鐘的處理，由于設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)到了大量數(shù)據(jù)的傳輸，時序上需要嚴(yán)謹(jǐn)，因此要嚴(yán)格處理好CPU與Verilog的跨時鐘、VGA刷屏?xí)r鐘、復(fù)位信號等的協(xié)調(diào)，以及穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)，甚至?xí)r序約束。