【文章內(nèi)容簡介】 設計思路 CRT 字符控制器是一個較大的數(shù)字系統(tǒng)，采用模塊化設計原則、借鑒自頂向下的程序設計思想，進行功能分離并按層次設計。利用 VHDL 硬件描述語言對每個功能模塊進行描述，并逐一對每個功能模塊進行編譯仿真，使頂層 VGA 顯示控制器的模塊實體仿真綜合得以順利通過 。 第一步：系統(tǒng)功能 結(jié)構(gòu)設計 VGA 顯示控制器實現(xiàn)的主要功能是向 CRT 顯示器發(fā)出圖形 、圖像 控制信號，產(chǎn)生相應的圖形 、圖像 顯示。由此，容易得到系統(tǒng) 功能 結(jié)構(gòu)框圖，有關系統(tǒng)功能分析和輸入輸出約束，詳述于 。 第二步：系統(tǒng)層次模塊劃分 從系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā) ，將系統(tǒng)設計為 3層。頂層用于描述整個系統(tǒng)的功能和運行；第二層承接頂層，負責實現(xiàn)系統(tǒng)中各個獨立而完整的功能部分；第三層為第二層的子模塊，用于擴展第二層的功能，具體負責用戶模式的實現(xiàn)。每個層次可用一個或多個具體模塊加以實現(xiàn)，層次模塊劃分詳述于 小節(jié)中。 控制器部分是系統(tǒng)的核心部分，負責協(xié)調(diào)和控制各子模塊的工作?？刂破髟O計采用有限狀態(tài)機的方法，詳述于 小節(jié)中。 第三步： 系統(tǒng) 硬件語言描述 在前述工作的基礎上，采用 VHDL 語言對 VGA顯示控制器的三 個層次依次進行描述，具體描述出每個模塊，生成具體電路視圖。詳述 于 小節(jié)中。 第四步： 系統(tǒng) 仿真驗證 經(jīng)過前三步之后，系統(tǒng)設計基本完成，需要對系統(tǒng)主要功能進行仿真驗證，更進一步分析狀態(tài)機、電路邏輯和時序配合等是否正確。詳述于 。 系統(tǒng) 功能 結(jié)構(gòu)設計 CRT 顯示器 VGA 顯示控制器 用戶輸入接口 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 7 頁 共 36 頁 圖 4 VGA顯示控制器系統(tǒng) 功能 結(jié)構(gòu)框圖 VGA 顯示控制器的輸入是用戶控制信息，如顯示模式的切換命令、 漢字、圖形 和圖像 移動的控制命令等?？刂破鞲鶕?jù)用戶 的輸入信息，決定工作模式 功能 ，這里定義為漢字 模式、 圖像 模式、色彩模式、用戶模式 的功能 。用戶模式中，還應根據(jù)用戶的輸入控制圖形的運動方向。 而 顏色信息的產(chǎn)生、顯示器掃描同步信號等由 VGA 控制器產(chǎn)生，其輸出為 CRT 顯示器。 如圖 4 所示。 系統(tǒng) 層次模塊劃分 系統(tǒng)劃分為三層，自頂向下分別是頂層模塊、 各部分控制 模塊、用戶模式底層模塊。頂層描述了整個系統(tǒng)的功能和運行； 各部分控制 模塊實現(xiàn)系統(tǒng)中各個獨立而完整的功能部分；第三層為第二層的子模塊，用于擴展第二層的功能，具體負責用戶模式的實現(xiàn)。每個層次可用一個或多個具體模塊加以實現(xiàn) 。 然后從邏輯上劃分出各層次的具體模塊，分別 如下。 頂層模塊 作用為集成子模塊功能，控制子模塊的連接和耦合信號。定義實體為VGAController，在其中例化子模塊。 頂層模塊 VGAController 在 數(shù)字系統(tǒng)中屬于控制器模塊，其設計是數(shù)字系統(tǒng)設計的核心。 子 模塊 中包括二層和三層設計中的 八 個模塊，各模塊間存在信號的傳遞，其中時鐘信號由 Clock 產(chǎn)生，驅(qū)動其他各個模塊，像素位置信號由 PixelCNT 產(chǎn)生，輸出到VGAColor、 VGASig、 HanziMode、 ImageMode 以及 UserMode 模塊，作為產(chǎn)生顏色圖像信號和掃描同步消隱信號的依據(jù)， VGAMode 模 塊決定當前的模式狀態(tài)，輸出當前需要顯示的顏色圖像信號 。 頂層模塊 和子 模塊 的耦合關系 ，一方面， VGAController 獲取輸入信號， 傳遞給子模塊 ，其中輸入控制信號 sw0 和 sw1 傳遞給 VGAMode 用以控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移， S0、 S1 狀態(tài)分別控制顯示漢字模式 HanziMode 和圖像動態(tài)顯示模式 ImageMode， sw2～ sw17 傳遞給VGAColor 用以控制產(chǎn)生純色 彩 ， bt0～ bt4 傳遞給 UserMode 用以控制用戶自定義圖形圖像。另一方面， VGAMode 將當前顏色圖像信號、 VGASig 將行場同步和消隱信號輸出到VGAController，控制器再輸出到 VGA 接口，以控制 CRT 顯示器。當然，以上信號的傳遞是基于邏輯和系統(tǒng)設計的角度加以分析的，頂層設計實際是邏輯概念，并非有實實在在的電路，實際生成電路時信號是直接連線的傳遞的。 各部分控制 模塊 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 8 頁 共 36 頁 具體實現(xiàn)頂層模塊的描述，包括的功能主要是產(chǎn)生時鐘信號，狀態(tài)機的定義和狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生像素位置信號，并根據(jù)不同的狀態(tài)和像素位置產(chǎn)生 RGB 顏色信號。由此，可定義如下模塊： VGAMode、 Clock、 PixelCNT、 VGASig、 VGAColor、 HanziMode、 ImageMode。 頂層狀態(tài)機 模塊 VGAMode 該模塊 定義 了 頂層狀態(tài)機， 有 四種狀態(tài)分別為 漢字 模式 S0、 圖像 模式 S 色 彩 模式 S用戶模式 S3。根據(jù)撥碼開關 SW0 和 SW1 的四種組合選擇各模式，完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。根據(jù)當前狀態(tài)選擇 VGAColor 模塊送入的多個顏色圖像信號，發(fā)送給 VGA 接口 RGB 端口。 輸入：撥碼開關 SW0、 SW1 的值。 輸出：送往 VGA 接口的 RGB 顏色信號。 時鐘控制 模塊 Clock 作分頻，由 50MHz 的板級輸入得到系統(tǒng)所需的 25MHz、 100Hz 和 1Hz時鐘信號。 輸入： 50MHz 晶振信 號。 輸出： 25MHz、 100Hz、 1Hz 時鐘信號。 像素控制 模塊 PixelCNT 產(chǎn)生像素位置信號。為 VGAColor 模塊產(chǎn)生顏色和圖像作定位參考。 輸入： 25MHz 時鐘信號。 輸出：行和列像素位置信號。 同步信號控制 模塊 VGASig 根據(jù)行列像素位置輸出 VGA 接口標準中定義的行列同步負脈沖信號和行列消隱信號，兩種信號輸入到 VGA接口中可控制 CRT 顯示器的掃描。 輸入：行和列像素位置信號。 輸出： VGA 掃描同步信號和消隱信號。 顏色信號控制 模塊 VGAColor 產(chǎn)生所有狀態(tài)的顏色和圖像信號，輸出到 VGAMode 模塊進行選擇后送 VGA 接口。為實現(xiàn) 漢字 模式 S0、 圖像 模式 S 用戶模式 S3 狀態(tài) 下復雜的用戶圖像輸出，定義了子模塊 HanziMode、 ImageMode 、 UserMode，專門負責用戶自定義顏色和圖像的產(chǎn)生。 輸入：行和列像素位置信號，用戶顏色控制信號 SW2～ SW17。 輸出： S0、 S S S3 狀態(tài)的顏色圖像信號 ,16 位 色 共 65536 種 色 彩 。 其中 S2 是 色 彩 模式 狀態(tài) ，由撥碼開關 SW2～ SW17 分別代表 RGB 三基色，每個 R、 G基色 5個比特 ， B 基色 6個比特，只要在 VGAColor 中讀取出這 5 個比特組合 成為顏色碼輸出到 VGA接口即可。因而是容易實現(xiàn)的。 漢字顯示控制 模塊 HanziMode 將需要顯示的漢字 或 圖像 信號發(fā)送到 VGA 接口，有 2種方法：一是對像素進行計數(shù)后，將計數(shù)數(shù)值 (像素信息 )直接賦值給 RGB(顏色信號 )；二是使用 FPGA 內(nèi)部的存儲資源Lpm_Rom 來存儲顯示內(nèi)容的像素信息，之后，經(jīng)過程序?qū)@示信號發(fā)送到 VGA 接口，實 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 9 頁 共 36 頁 現(xiàn)漢字 或 圖像的顯示。 在 漢字模式下，主要是 先 將多個一定大小字體的漢字以掃描圖片 的方式取模， 生成mif 文件供 Lpm_Rom 使用，由 VGAColor 模塊傳送過來的 hpos(行 計數(shù)器值 )、 vpos(列 計數(shù)器值 )及相關控制信號計算出正確的內(nèi)存地址 romaddr， 再 從 rom 中取出所需要的像素點的三基色數(shù)據(jù)。 圖像顯示控制 模塊 ImageMode 圖像模式跟漢字模式顯示原理一樣， 在 640*480分辨率的顯示器上開辟一 64*64 的顯示區(qū)域來顯示圖片，因為顯示的圖片的大小為 64*64。 在此區(qū)域以外顯示指定顏色，例如黑色、藍色等，作為一個背景色顯示。此外在本模塊中，通過對 ROM 內(nèi)存地址的控制，實現(xiàn)了圖片的動態(tài)顯示功能。 漢字 模式 和圖像模式 均 以圖片形式嵌入 ，其實現(xiàn)思路 大體 一致，差別僅僅在于 圖像模式多了動態(tài) 顯示的功能，其控制相對復雜一些， 以下通過一段關鍵代碼詳細講解其實現(xiàn)原理。 romaddr_control = (vt(5 downto 0)count_tempv(5 downto 0)) amp。 (ht(5 downto 0)count_temph(5 downto 0))。 注： romaddr_control 為從 rom 中取數(shù)據(jù)時所需要的地址，它對應著圖片的每一個像素點的三基色數(shù)據(jù)； vt(5 downto 0)和 ht(5 downto 0)分別表示取 vt(9 downto 0)、ht(9 downto 0)的后 6 個二進制位來做運算。 count_tempv(5 downto 0)和count_temph(5 downto 0)同理可以理解其含義。 Vt、 ht 實際上可以分別理解為屏幕顯示的行和列計數(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。 以上模塊分別由各個 Component 具體實現(xiàn)，由一個 Package 進行封裝。 用戶模式 底層模塊 考慮到用戶模式功能較多，仍需采用狀態(tài)機設計，故將其獨立出來，作為第三 層的模塊加以封裝和實現(xiàn)，實體定義為 UserMode。完成系統(tǒng)拓展部分 中用戶模式下的 3 種子模式。子模式的狀態(tài)分別定義 US0、 US US2。 子模式 US0是 沿固定軌跡運動模式， 即 固定圖形 或字符 沿水平方向運動，行運動到邊界后折回到下一行繼續(xù)水平運動； 子模式 US1是反彈 球 模式 ，即 固定圖形 或字符 在矩形屏幕做內(nèi)直線運動，到邊界后沿反射角方向反彈，周而復始； 子模式 US2是 受控運動模式， 即 使用上下左右 4個按鍵控制固定圖形 或字符 在屏幕內(nèi)的運動方向 。 子模式也采用狀態(tài)機的方式進行設計。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 5所示。轉(zhuǎn)移條件均是子 模式切換按鍵按下。 桂林電子科技大學實訓（論文）報告用紙 第 10 頁 共 36 頁 圖 5 用戶模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 UserMode 模塊的輸入行列像素位置信號 hpos 和 vpos、按鍵控制信號 bt0～ bt4，首先根據(jù) hpos 和 vpos 畫出靜態(tài)的圖形，由于繪制圓形色塊耗費的器件資源電路 板無法提供，這里選擇了畫正方形色塊。定義一個二維位置坐標變量（ hmov， vmov）為方塊中心，畫圖時以（ hpos， vpos）、（ hmov， vmov）聯(lián)立不等式可確定屏幕內(nèi)一塊區(qū)域的坐標點，在這一區(qū)域輸出某種顏色值，其余區(qū)域輸出黑色即可顯示一個靜態(tài)的色塊。當需要色塊運動時，只要改變 二維變量（ hmov， vmov）值即可實現(xiàn)橫向和縱向的運動。因而動態(tài)圖形的設計，關鍵在于在 US0、 US US2 狀態(tài)下以不同的方式設法控制（ hmov， vmov）的運動方向和速度。 子模式切換時采用了控制按鍵 bt4，需要進行按鍵防抖動設計。 子模式 US0是 沿固定軌跡運動模式， 即 固定圖形 或字符 沿水平方向運動，行運動到邊界后折回到下一行繼續(xù)水平運動； 只要判斷 hmov 在小于 640 像素區(qū)域內(nèi)，就不斷增大 hmov 就能實現(xiàn)橫向移動，當移動到右邊界，即到達 640 像素，則將 vmov 增加，使得豎向移動， hmov 同時賦值為 0即可使 色塊折回左邊界。 子模式 US1是反彈 球 模式 ，即 固定圖形 或字符 在矩形屏幕做內(nèi)直線運動，到邊界后沿反射角方向反彈，周而復始； 此種運動的關鍵點在于到達左右邊界時使得 hmov 反向，到達上下邊界時使得 vmov 反向。抓住這一核心點，可以使得設計大為簡化，否則要反映反彈運動完整過程需要定義多種狀態(tài)，初步估計 16 種狀態(tài)可以完整描述。采用簡化的方案，設置兩個標志位 borderlr 和 borderud 分別表示左右邊界和上下邊界，可認為設定邊界為 ‘ 1’ 時向 hmov 和 vmov 減小方向運動，反之則增大方向運動，當?shù)竭_四個邊界中任意邊界 時（容易根據(jù) hmov 和 vmov 值判斷），對應的 borderlr 或者 borderud區(qū)反，這樣就使得色塊反彈了 。 子模式 US2是 受控運動模式， 即 使用上下左右 4個按鍵控制固定圖形 或字符 在屏幕內(nèi)的運動方向 。 實現(xiàn)思路也是很明確的，即判斷按鍵是上下左右中的哪個，然后做相應的運動，使 hmov 和 vmov 對應改變即可。四個方向看作四種狀態(tài)，依舊采類似頂層狀態(tài)