【正文】 ........................................................................... 36 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 1 頁 共 36 頁 引 言 隨著科技的發(fā)展， VGA 漢字顯示系統(tǒng)的應用范圍越來越廣泛，傳統(tǒng)的 VGA 字符顯示方案是通過通用處理器控制 VGA 接口顯示字符信息的，這種顯示方案是以通用處理器為核心的處理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)體積大、可靠性不高且靈活性差，不適合便攜設備的設計。而 FPGA 芯片具有可靠性高、編程靈活和體積小等特點，因此用 FPGA 技術來實現(xiàn) VGA漢字顯示可以有效解決傳統(tǒng)技術中的缺點。 顯示繪圖陣列 (video graphic array， VGA)接口 ，它作為一種標準的顯示接口得到了廣泛的應用。 VGA 接口大多應用在顯示器與顯卡之間；同時還可以應用在彩色等離子電視輸入圖像的模數(shù)轉換上； VGA 接口同樣也是 LCD 液晶顯示設備的標準接口?？删幊踢壿嬈骷S著微電子制造工藝的發(fā)展取得了長足的進步 。早期的器件只能存儲少量的數(shù)據(jù)，完成簡單的邏輯功能；發(fā)展到現(xiàn)在，可以完成復雜的邏輯功能，速度更快，規(guī)模更大，功耗更低。目前可編程邏輯器件主要有兩類：復雜可編程邏 輯器件 (plex programmable logic device， CPLD)和現(xiàn)場可編程邏輯器件 (field programmable gate array， FPGA) 。 FPGA 的運行速度快，管腳資源豐富，容易實現(xiàn)大規(guī)模的系統(tǒng)設計，有大量的軟核可用，便于進行二次開發(fā)。另外，由于 FPGA 具有可重構能力、抗干擾性強等特點 ，因此，F(xiàn)PGA 在工業(yè)控制等領域越來越受到重視。利用 FPGA 完成 VGA 顯示控制，可以使圖像和漢字的顯示脫離 PC機控制，形成體積小、功耗低的各式嵌入式系統(tǒng) (便攜式設備或手持設備 )， 應用于地面勘測、性能監(jiān)測等方面，具有重要的現(xiàn)實意義。 1 FPGA 和 VGA概述 FPGA 的 概念 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是專用集成電路（ ASIC）中集成度最高的一種，用戶可對 FPGA 內部的邏輯模塊和 I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯，因而也被用于對 CPU 的模擬。用戶對 FPGA 的編程數(shù)據(jù)放在 Flash 芯片中，通過上電加載到 FPGA 中，對其進行初始化。也可在線對其編程，實現(xiàn)系統(tǒng)在線重構，這一特性可以構建一個根據(jù)計算任務不同而實時定制的 CPU，這是當今研究的熱門領域。 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 2 頁 共 36 頁 FPGA 的發(fā)展 和其他可編程邏輯器件一樣， FPGA 也由未完成的邏輯陣列所組成，通過將這些邏輯陣列連接到一起來完成一定的功能。像 PAL 一樣，各個陣列單元之間的相互連接是可以編程的。下面介紹 FPGA 的發(fā)展過程。 1985 年， Xilinx公司推出了世界上第一款 FPGA。推出的這款 FPGA 包括兩個器件和支持布同布線的設計工具。 FPGA 的發(fā)展非?？欤诓坏?10 年的時間里，時鐘頻率就從不到 10MHz 提高到 規(guī)則已 經(jīng)達到亞微米級別， FPGA 芯片的規(guī)模也從幾千門增加到 2 萬多等效門。大量功能強大易用的軟件工具也相繼推出，使得 FPGA 很快占領了電子設計領域很大的一塊市場。 20世紀 80年代推出的 FPGA可以說是 Intel公司于 1971年推出第一款商用微處理器的延續(xù)。那個時期，典型的微處理器系統(tǒng)包含微處理器、存儲器和一些特殊功能 的中小規(guī)模（ MSI/SSI）器件。為追求更佳的件能、更小的尺寸、更低的成本、更快的錯誤恢復能力、高可靠性以及更快更易使用的原型，集成電路的設計者都意識到一定會有一種器件要取代當時的中小規(guī)模電路。這個概念的第一個嘗試是 Sigics 公司于 1975 年推出的 83S100 FPLA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）。這款可編程器件實際上是一款 PLA 結構的器件。它由 16 個輸人、 48個乘積項與陣列、 8 個輸出、 48個乘積項或陣列構成，通過 NiCr 熔絲實現(xiàn)連續(xù)的斷開或連接。這種方法在以降低速度和增加功耗為代價的前提下，給了設計師 們很大的電路設計空間。但是這款可編程器件需要人工來設置熔絲的斷或合，因此很復雜而且容易出錯。 FPGA 的工作原理 為了能讓不太熟悉 FPGA 的讀者能夠對 FPGA 有一個整體印 象 ，這里以 Xilinx 4000系列的 FPGA 為例簡單說明它的設汁能力。 XC4025 包含大約 1024 個 CLB，它們按 32 32的矩陣形式排列在 FPGA 芯片里，這相當于 25 000 個等效門。這款 FPGA 包含 422Kbit的 RAM，主要用于編程。一個 CLB 的運行頻率可達 250MHz，但如果將互連線網(wǎng)絡引入的延遲以及像加法器這樣更復雜的邏 輯考慮進去，還可以獲得 2050MHz 的時鐘頻率。直觀地講，加法器這樣的邏輯是由大量的 CLB 來構成的，例如 一 個 32bit 的加法器要用掉62 個 CLB。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內部連線（ Interconnect）三個部分。 FPGA 的基本特點主要有： 采用 FPGA 設計 ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到 合用的芯片。 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 FPGA 內部有豐富的觸發(fā)器和 I／ O引腳。 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 3 頁 共 36 頁 FPGA 是 ASIC 電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。 FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA 的品種很多，有 Xilinx 的 XC系列、 Altera 公司的 FIEX 系列等。 FPGA 是由存放在片內 RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此， 工作時需要對片內的 RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 加電時， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內編程 RAM 中，配置完成后， FPGA 進入工作狀態(tài)。掉電后， FPGA 恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此， FPGA 能夠反復使用。FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。當需要修改 FPGA 功能時，只需換一片 EPROM 即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此， FPGA 的使用非常靈活。 FPGA 有多種配置模式：并 行主模式為一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式；主從模式可以支持一片 PROM 編程多片 FPGA；串行模式可以采用串行 PROM 編程 FPGA；外設模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。 VGA 基本概念 像素和分辨率 : 目前的顯示器基木都采用 APA(all point addressable)即全點、了址方式。 顯示器上輸出的一切信息，包括數(shù)值、文字、表格、圖像、動畫等等，都是由光點（即像素）構成的 。 顯示的最小單位就是像素 , 像素之間的最 小間距就是點距。 越小像素越密 , 則畫面越清晰和細膩。而 分辨率的則指整個屏幕的像素得多少?？梢酝ㄟ^顯示器的實際尺寸除以像距近似得到 。 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(guī)律的移動。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，從屏幕左上角一點開始，向右逐點進行掃描，形成一條水平線；到達最右端后，又回到下一條水平線的左端，重復上面的過程；當電子束完成右下角一點的掃描后，形成一幀。此后，電子束又回到左上方起點，開始下一幀的掃描 。這種方法也就是常說的逐行掃描顯示。而隔行掃描指電子束在掃描時每隔一行掃一線，完成一屏后再返回來掃描剩下的線，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間稱為水平掃描時間，其倒數(shù)稱為行頻率；完成一幀（整屏）掃描所需的時間稱為垂直掃描時間，其倒數(shù)為垂直掃描頻率，又稱刷新頻率，即刷新一屏的頻率。常見的有 60Hz 、 75Hz 等，標準VGA 顯示的場頻 60Hz ，行頻為 。 顯示卡 : 一個像素點有多個顏 色 , 由表示該點的二進制的位數(shù)決定 (也稱為位寬 )。像素位寬為 8bit，則每個像素有 28=256 種顏色；位寬為 16bit 則有 2^16= 65536 種 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 4 頁 共 36 頁 顏色，位寬為 24bit 則有 2^24 即一千七百多萬種顏色。顯示卡內的 D / A（數(shù)／模）轉換電路將每個像素的位寬（二進位整數(shù)）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發(fā)光，產(chǎn)生所要求的顏色。隨著技術的進步顯示卡的功能也不斷增加。 VGA 顯示原理 VGA 標準是一種計算機顯示標準，最初是由 IBM 公司在 1987 年提出 的，分辨率是640*480。 VGA 接口也叫做 D Sub 接口，是顯卡上輸出模擬信號的接口。目前大多數(shù)計算機與外部顯示設備之間都是通過模擬 VGA 接口連接，計算機內部以數(shù)字方式生成的顯示圖像信息，被顯卡中的 D／ A 轉換器轉變?yōu)?R、 G、 B 三原色信號和行、場同步信號，信號通過電纜傳輸?shù)斤@示設備中。 VGA 接口定義 VGA 接口負責向顯示器輸出相應的顯示信號。 VGA 接口是一種 D 型接口，上面共有15 個針孔，非對稱地分成 3排，每排 5個，其排列及接口定義如圖 1所示。 圖 1 VGA接口 在基于 FPGA 的 VGA 控制中，只需要考慮行同步信號 (Hs)、場同步信號 (Vs)、藍基色 (R)、綠基色 (G)、紅基色 (B)這 5個信號。如果能從 FPGA 發(fā)出這 5個信號到 VGA接口，就可以實現(xiàn)對 VGA 的控制。 VGA 時序控制 VGA 工業(yè)標準中，像素的輸出頻率為 MHz，行頻率是 ，場頻率是。如果顯示器發(fā)這種標準頻率輸出，其分辨率為 640*480，即每行顯示 640 個像素，每場顯示 480 行。事實上，這 640*480 是顯示器的有效顯示區(qū)除了這一區(qū)域之外，還有行消隱區(qū)以及場消 隱區(qū)，以實現(xiàn)行列的同步操作， VGA 接口實際輸出的像素是800*525。 對于行同步信號，由于每行實際的像素數(shù)是 800，所以行頻率是 MHz／ 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 5 頁 共 36 頁 800= KHz，行周期是 1／ =。在這 800 個像素當中， 640 點是有效顯示區(qū)， 160 點是消隱區(qū) (即非顯示區(qū) )。行同步信號 Hs每行有一個脈沖，其低電平的寬度是 *96／ 800= ps，有 96 個脈沖。行掃描時序要求如表 1 所示，時序圖如圖 2所示。 表 1 行掃描時序要求 (單位：像素 ) 圖 2 行掃描時序圖 對于場同步信號 ， 每場實際的行數(shù)是 525 行，行頻率是 KHz，所以場頻率是 KHz／ 525= Hz，場周期是 1／ Hz= ms。這 525 行當中，有 480行是有效顯示區(qū)， 45行是場消隱區(qū)。場同步信號每場有一個脈沖，其低電平寬度是 16． 683 ms*2／ 525=63us(兩行 )。場掃描的時序要求如表 2 所示，時序圖如圖 3所示。 表 2 場 掃描時序要求 (單位： 行 ) 圖 3 場掃描時序圖 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 6 頁 共 36 頁 2 系統(tǒng)設計