【正文】 電子信息工程專業(yè)綜合設(shè)計(jì) （報(bào)告） （課 程 設(shè) 計(jì)） 題目 基于 FPGA 的 VGA 圖像 漢字 顯示及PS/2 鍵盤控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用 二級(jí)學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 時(shí) 間 基于 FPGA 的 VGA 圖像 漢字 顯示及 PS/2鍵盤控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用 摘 要 ： 現(xiàn)在社會(huì)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的信息技術(shù)迅速發(fā)展，以及信息的爆炸式增長(zhǎng)，人類獲得視覺信息的很大一部分是從各種各樣的電子顯示器件上獲得的，對(duì)這些電子顯示器件的要求也越來越高，在這些諸多因素的驅(qū)動(dòng)下，顯示技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展。 VGA(Video Graphics Array)是 IBM在 1987年隨 PS／ 2機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有分 辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 使用 FPGA設(shè)計(jì)的 VGA顯示控制器具有很高的靈活性，可以根據(jù)其不同的類型、尺寸、適用場(chǎng)合特別是不同的工業(yè)產(chǎn)品，做一些特殊的設(shè)計(jì)，以最小的代價(jià)滿足系統(tǒng)的要求，而且可以解決通用的顯示控制器本身固有的一些缺點(diǎn)。 VGA(視頻圖形陣列 )作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到廣泛的應(yīng)用。本文依據(jù) VGA顯示原理，介紹了利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)對(duì) VGA圖形控制器 VHDL設(shè)計(jì)及 PS/2鍵盤與按鍵對(duì)顯示圖象控制的方法。詳細(xì)描述了各硬件模塊的工作原理及實(shí)現(xiàn)途徑，并給出了軟件設(shè) 計(jì)思路及部分代碼。 關(guān)鍵詞 ： VGA； FPGA； VHDL； PS/2 0. 引言 隨著可編程邏輯器件的不斷發(fā)展及其價(jià)格的不斷下降， EDA 開發(fā)軟件的不斷完善，可編程邏輯設(shè)計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸顯示出來， 特別是大規(guī)?？删幊唐骷?。 而 FPGA 具有功能強(qiáng)大，開發(fā)過程投資小、周期短等特點(diǎn)，成為當(dāng)今硬件設(shè)計(jì)的首選方式之一。 VGA（視頻圖形陣列）作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到廣泛地應(yīng)用。利用 FPGA 芯片和 EDA 設(shè)計(jì)方法，可以靈活地根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)的 VGA 顯示控制器，不僅降低了生產(chǎn)成本也可以快速地對(duì)產(chǎn)品 進(jìn)行升級(jí)換代。 本文設(shè)計(jì)采用 Quartus II 軟件工具，并以 Altera 公司的 Cyclone 系列 FPGA 的器件 EP1C12F324C8 為主實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。 1． 方案設(shè)計(jì)及工作原理 VGA 模塊方案設(shè)計(jì) 采用模塊化設(shè)計(jì)方法，我們對(duì) VGA 圖形控制器按功能進(jìn)行層次劃分。本設(shè)計(jì)的VGA 控制器主要由以下模塊組成： VGA 時(shí)序控制模塊、 ROM 內(nèi)存地址控制模塊、 ROM 內(nèi)存模塊、按鍵掃描控制模塊。如圖 1 所示。 圖 工作 原理 VGA 時(shí)序控制 模塊 ROM 內(nèi)存地址控制模塊 ROM 按鍵掃描 控制模塊 50MHz 5Hz addr data 首坐標(biāo) xx、 yy VGA 接口 RGB HS、 VS D/A CRT 根據(jù) VGA 的顯示協(xié)議，可以選擇不同的顯示分辨率。本設(shè)計(jì)選擇的是 800*600的分辨率。根據(jù)相應(yīng)協(xié)議，在“ VGA 時(shí)序控制模塊”對(duì)行掃描信號(hào) HS 和場(chǎng)掃描信號(hào) VS 進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)序控制（具體控制詳細(xì)信息見“ VGA 驅(qū)動(dòng)原理”資料文檔）。 “ ROM 內(nèi)存地址控制模塊”根據(jù)“按鍵掃描控制模塊”獲得的圖片顯示首 坐標(biāo) xx、 yy 信息和“ VGA 時(shí)序控制模塊”傳送過來的 ht(列計(jì)數(shù)器值 )、vt(行計(jì)數(shù)器值 )及相關(guān)控制信號(hào)計(jì)算出正確的內(nèi)存地址，從 rom 中取出所需要的像素點(diǎn)的三基色數(shù)據(jù)。 PS/2 接口電路的工作原理 PS/2 協(xié)議和接口最初是 IBM公司開發(fā)并推廣使用的一種應(yīng)用于鍵盤 /鼠標(biāo)的協(xié)議和接口， PS/2 鍵盤按鍵接口是 6 芯的插頭與 PC 機(jī)的鍵盤相連接，插頭、插座定義如圖所示。 鍵盤 /鼠標(biāo)接口的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線采用集電極開路結(jié)構(gòu)，平時(shí)都是高電平當(dāng)這些設(shè)備等待發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先檢查 clock 是否為高。如果為低 ，則認(rèn)為 PC 抑制了通訊，此時(shí)它緩沖數(shù)據(jù)直到獲得總線的控制權(quán)。如果 clock 為高電平，設(shè)備則開始向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。一般都是由 ps2 設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。發(fā)送按幀格式。數(shù)據(jù)位在 clock 為高電平時(shí)準(zhǔn)備好，在 clock 下降沿被 PC 讀入。圖 3 所示是按下 Q鍵的時(shí)序圖“ Q”鍵的掃描碼從鍵盤發(fā)送到計(jì)算機(jī)（通道 A 是時(shí)鐘信號(hào)，通道 B是數(shù)據(jù)信號(hào)）。因本設(shè)計(jì)只需進(jìn)行控制，所以 PS/2 模塊并未設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)碼功能。 2． 模塊設(shè)計(jì)及仿真 VGA 顯示 模塊 圖片想要在顯示器上顯示出來，它主要需要 5 個(gè)信號(hào)，行同步信號(hào)（ HS）、場(chǎng)同步信號(hào)（ VS）和 RGB 三基色信號(hào)。 VGA 時(shí)序控制模塊是須嚴(yán)格按照 VGA時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)。對(duì)這 5 個(gè)信號(hào)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)， VGA 顯示器要嚴(yán)格遵守“ VGA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即 640*480*60Hz 模式，否則會(huì)損壞 VGA 顯示器。 VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率是：時(shí)鐘頻率為 ，行頻為 31469Hz，場(chǎng)頻為。圖為行 HS、場(chǎng) VS 時(shí)序圖 圖 行 HS、場(chǎng) VS 時(shí)序圖 顯示模塊是整個(gè)顯示控制器的重要組成部分，各個(gè)模塊的輸出數(shù)據(jù)都要經(jīng)過模塊處理后送到顯示器。顯示模塊在 VGA 顯示控制器中起至關(guān)重要的作 用。顯示模塊的輸出信號(hào)通過 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換連到 VGA 接口，它是控制器和顯示器進(jìn)行通信的橋梁。該模塊以可以 VHDL 語言實(shí)現(xiàn)。 ROM 內(nèi)存地址控制模塊 整個(gè)顯示思路是在 640*480分辨率的顯示器上開辟一 128*128的顯示區(qū)域來 顯示圖片，因?yàn)轱@示的圖片的大小為 128*128。在此區(qū)域以外顯示指定顏色，例如黑色、藍(lán)色等，作為一個(gè)背景色顯示。在本模塊中，通過在對(duì) ROM 內(nèi)存地址的控制，實(shí)現(xiàn)了圖片顯示功能。以下通過一段關(guān)鍵代碼詳細(xì)講解其實(shí)現(xiàn)原理。 的計(jì)算原 理： romaddr_control = (vt(6 downto 0)count_tempv(6 downto 0)) amp。 (ht(6 downto 0)count_temph(6 downto 0))。 注： romaddr_control 為從 rom 中取數(shù)據(jù)時(shí)所需要的地址，它對(duì)應(yīng)著圖片的沒一個(gè)像素點(diǎn)的三基色數(shù)據(jù)； vt(5 downto 0)和 ht(7 downto 0)分別表示取 vt(9 downto 0)、 ht(10 downto 0)的后 后 8 個(gè)二進(jìn)制位來做運(yùn)算。 count_tempv(5 downto 0)和 count_temph(7 downto 0)同理可以理解其含義。 Vt、 ht 實(shí)際上可以分別理解為屏幕顯示的行和列計(jì)數(shù)器， count_tempv 和 count_temph 可以分別理解為圖片在屏幕上顯示的起始行和列坐標(biāo)。 拋開以上等式，按照正常思路，我們可以得到圖片控制地址： addr_control=( vt count_tempv ) * 256 + ( ht – count_temph ) 通過分析整個(gè) 文件，會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)上面代 碼是該等式的高效等效實(shí)現(xiàn)。 ROM 內(nèi)存模塊 ROM 內(nèi)存中存儲(chǔ)的是圖片的依次行掃描三基色數(shù)據(jù)，作為顯示時(shí)送給 VGA顯 示器的 RGB 數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)存儲(chǔ)的是一幅 128*128 的圖片，所以定義了一輸出為 3 位，大小為 128*128=16384 byte 的 rom 內(nèi)存。 鍵盤控制模塊 本模塊主要實(shí)現(xiàn)由鍵盤上的 WASD 控制圖片上下左右移動(dòng)以及速度