【導(dǎo)讀】本實驗報告為VGA顯示控制器設(shè)計報告。完成的功能包括64種純色的顯示、橫向和縱向彩色條幅的顯示以及正。方形色塊的運動與控制。實驗的重心放在了顯示控制器的系統(tǒng)層面的設(shè)計，采用了自。頂向下的思路進行設(shè)計，系統(tǒng)的核心為有限狀態(tài)機。過程，并將系統(tǒng)分模塊進行了詳細的設(shè)計，給出了VHDL語言描述。核心模塊以及系統(tǒng)整體的仿真驗證。最終下載到實驗板上測試通過。

　　

【正文】 報告 第 30頁 process(clk100hz) user state:us2 begin if (rising_edge(clk100hz)) then if (userstate = us2) then if((hmovus2 610) or (vmovus2 450) or (hmovus2 30) or (vmovus2 30)) then hmovus2 = 0101000000。 vmovus2 = 0011110000。 else case button is when 01000 = hmovus2 = hmovus2 1。 when 00100 = hmovus2 = hmovus2 + 1。 when 00010 = vmovus2 = vmovus2 1。 when 00001 = vmovus2 = vmovus2 + 1。 when others = null。 end case。 end if。 end if。 end if。 end process。 最后再利用選擇器對三種子模式的行列位置控制信號進行選擇，完成模式的選擇，同時避免多驅(qū)動問題。 process(clk100hz) begin if(rising_edge(clk100hz)) then case userstate is when us0 = vmov = vmovus0。 hmov = hmovus0。 when us1 = vmov = vmovus1。 hmov = hmovus1。 when us2 = vmov = vmovus2。 hmov = hmovus2。 end case。 end if。 end process。 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 31頁 系統(tǒng)仿真驗證 系統(tǒng)仿真分為兩個步驟進行，首先是關(guān)鍵模塊的仿真，驗證子系統(tǒng)功能的正確性，然后是綜合仿真，驗證整個系統(tǒng)的功能。仿真環(huán)境是 QuartusII 。 在 QuartusII 菜單的 Assignments 下的 Settings 中依次指定各個子模塊為 Toplevel Entity，編譯后建立仿真文件，可完成各子模塊的仿真。對關(guān)鍵模塊的仿真結(jié)果和分析如下。 首先是 Clock模塊的仿真，由于 50M分頻難以仿真，故將輸入時鐘 clk50m設(shè)置為50kHz，分頻得到 clk25m實際為 25kHz， 1Hz和 100Hz分頻結(jié)果不改變。如圖 和圖 。仿真結(jié)果表明分頻模塊滿足設(shè)計要求。 圖 Clock 模塊仿真圖（ 25MHz 分頻） 圖 Clock 模塊仿真圖（ 1Hz 和 100Hz 分頻） 由于像素位置信息對于多個模塊中的計數(shù)判斷有重要作用，故進行仿真驗證。如圖 PixelCNT模塊的列像素計數(shù)和行像素計數(shù)器的仿真波形。 圖 PixelCNT 模塊仿真圖（列計數(shù) vt 值） 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 32頁 圖 PixelCNT 模塊仿真圖（行計數(shù) ht 值） 從圖 和圖 不難看出像素計數(shù)值的變化和清零正確，符合 VGA 標準的定義參數(shù)要求。 對關(guān)鍵的模塊進行仿真以后，進一步對系統(tǒng)整體進行仿真驗證。 首先仿真的是系統(tǒng)的核心狀態(tài)機。圖 (a)為頂層狀態(tài)機的仿真，此時直接引入枚舉類型變量 state 進行仿真。仿真波形出現(xiàn)了未定狀態(tài)。但實際下載到實驗板實驗時沒有錯誤發(fā)生。初步的原因分析，主要是頂層狀態(tài)機的轉(zhuǎn)移是“異步”的轉(zhuǎn)移，是根據(jù) SW1 和 SW0 兩個按鍵的四種狀態(tài)直接決定當前狀態(tài)的。單純由按鍵直接控制下一狀態(tài)和 Mealy 與 Moore 型狀態(tài)機的定義存在很大差別，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移是強制的，且與當前狀態(tài)無關(guān)，而僅與輸入狀態(tài)相關(guān)。 但進一步細致的仿真讓我發(fā)現(xiàn)了問題的根源。當引入 S0、 S S S3三個獨立的狀態(tài)仿真時，編譯顯示警告信息：“ Warning: Can39。t display state machine states register holding state machine bit |vgacontroller|vgasmode:vgaemode_port_map| was synthesized away”。得到的仿真結(jié)果如圖 (b)所示。圖中顯示的狀態(tài)機轉(zhuǎn)移正常，但由于 S0被綜合優(yōu)化掉了，故沒有顯示。 綜合器對狀態(tài)機的識別和優(yōu)化可能超出了系統(tǒng)設(shè)計者的預(yù)期，這也是硬件設(shè)計中應(yīng)該注意的問題，而且不同的綜合軟件 可能出現(xiàn)不同的綜合結(jié)果。 圖 (a) 頂層狀態(tài)機仿真波形圖 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 33頁 圖 (b) 頂層狀態(tài)機仿真波形圖 而圖 給出的底層用戶模式下的狀態(tài)機的仿真，由于其狀態(tài)轉(zhuǎn)移是以按鍵為條件的，為典型的 Mealy 型狀態(tài)機，故以時序邏輯實現(xiàn)其狀態(tài)轉(zhuǎn)移，狀態(tài)機的行為可仿真。仿真結(jié)果說明狀態(tài)機工作正常。 圖 用戶模式 UserMode 狀態(tài)機的仿真 以下再進一步對每個狀態(tài)進行仿真驗證。 值得說明的是，下面的仿真中，在不影響系統(tǒng)功能的情況下，將時鐘 clk50m 作了降頻處理，仿真中輸入 clk50m 為 50kHz，產(chǎn)生的 VGA 掃描信號 clk25m 相應(yīng)為25kHz， 1Hz和 100Hz由于更改了計數(shù)器的最大值 max1和 max2而保持不變。 圖 SW1和 SW0為“ 00”狀態(tài)，即狀態(tài)機處于 S0狀態(tài)，輸出橫向彩色條幅時的仿真。容易看出，系統(tǒng)當前正從第一個橫向彩條（顏色為 100100）轉(zhuǎn)向下一個彩條（顏色為 000001），這與代碼描述中定義值一致。從行列消隱信號 hs 和 vs 的狀態(tài)還可看出，在行消隱區(qū) RGB顏色值為黑色 000000。 圖 狀態(tài) S0 仿真圖（兩條幅切換時的情形） 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 34頁 圖 所示為 S1 狀態(tài) 時縱向彩色條幅的仿真，沿行掃描時顏色信號 RGB 的值依次按照定義代碼中的定義變化，同樣也可看出消隱區(qū)的作用。這里 SW 顯示“ 10”是因為仿真中 SW1和 SW0的位置交換了，實際代表的模式是 S1。 圖 狀態(tài) S1 仿真波形圖（縱向彩色條幅依次掃過） 圖 S2（純色模式）的仿真波形圖，圖中 SW1和 SW0位置放置相反，故“ 01”實際代表的是 S2 狀態(tài)，仿真時將 SW1 設(shè)置為強制高電平， SW0 為強制低電平， SW7～ SW2 作為撥碼開關(guān)的輸入，將其設(shè)置為隨機值，以產(chǎn)生可能的 64 種顏色組合，其跳變周期是 1 秒。截圖是部分波形，反映的是撥碼開關(guān) SW7～ SW2 從“ 000101”到“ 100101”切換時的 RGB 輸出，圖中 RGB 輸出與撥碼開關(guān)的輸入一致，說明純色模式正確。 圖 狀態(tài) S2 仿真波形圖 以上完成了重要模塊和 S0、 S S2三種狀態(tài)的仿真。 仿真的重點在于控制器部分的狀態(tài)仿真。對于子模塊 UserMode，由于其圖形是動態(tài)的，且包含了 3種子模式 US0、 US US2，仿真出波形難以觀察出有效信息。實際的仿真波形波形冗長，給截圖帶來不便，無法在本報告列出有信息量的波形圖。對于動態(tài)圖形的顯示，關(guān)鍵列出像素信息的不等式，然后依據(jù)一定的條件控制圖形參考坐標的移動。只要位置信息模塊 PixelCNT和行列同步與消隱信號正常（實際上前述仿真已能夠說明其正確性），即可很容易畫出動態(tài)的圖形。比較好的調(diào)試方法是下載到板上通過 CRT顯示器直接觀察，然后處理相應(yīng)的問題與錯誤。 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 35頁 第三部分 結(jié)果與分析 實現(xiàn)功能說明 本實驗完成的 VGA 顯示控制器，完成了課題要求的所有功能（參看 節(jié)“課題要求”），并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計完成了用戶模式，實現(xiàn)了三種用戶子模式圖形的動態(tài)顯示，完成設(shè)計目標（參看 “設(shè)計目標”）。 由于頂層設(shè)計采用了有限狀態(tài)機和子系統(tǒng)分模塊描述的方法，使得控制器具有很好的擴展性。可以在不改變系統(tǒng)框架和模塊間電路連接關(guān)系、不增加模塊的情況下對用戶模塊 UserMode 或者顏色圖形產(chǎn)生模塊 VGAColor 進行任意的有效修改，實現(xiàn)其他功能。事實上例如增加游戲模式，在反彈球和受控運動的基礎(chǔ)繼續(xù)增加圖形和顯示控制的復(fù)雜性，都是很容易實現(xiàn)的。限于學(xué)期末時間緊張，也因為設(shè)計的重點不在于顯示圖形多 么復(fù)雜，沒有再進一步深入設(shè)計用戶子模塊。 另外，如果換用其他的實驗板，例如帶有 ROM 和 RAM 的實驗板可以在不修改頂層描述的情況下，增加讀取 RAM 存儲的圖像的模塊，即可實現(xiàn)如漢字顯示和照片顯示的功能。如果換用擁有更多邏輯資源的實驗板，可以支持編寫更為復(fù)雜的圖形，如圓形或者是菱形等，所要做的只是給出坐標方程即可。 但從系統(tǒng)設(shè)計的角度來講，沒有必要過多關(guān)注控制器以外的功能的實現(xiàn)。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，例如 VGA顯示控制器的設(shè)計，重點不在于把子系統(tǒng)或者子模塊中的數(shù)學(xué)表達式寫得有多么復(fù)雜，圖形有多么絢麗，也不在于可以在子系 統(tǒng)或者子模塊中實現(xiàn)復(fù)雜運動模式的控制。而真正的重點在于把系統(tǒng)層面的設(shè)計做好，把系統(tǒng)狀態(tài)機設(shè)計完整，系統(tǒng)架構(gòu)清晰，層次明確，穩(wěn)定性好，可擴展和可移植性好，這樣的系統(tǒng)給到用戶，只要添加用戶模塊或者稍作修改即可完成非特定的功能。 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 36頁 器件資源分析 在設(shè)計階段，對系統(tǒng)描述采用過多種方式，嘗試了多種描述，代碼的長度在增加，模塊在增多，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴展性也在增強，層次結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計也更加完善。 設(shè)計之初對資源使用沒有多少概念，時常以軟件的思想描述硬件，在描述中使用乘法等資源耗費嚴重的操作，也曾使用過嵌套多層的 IFELSE 語句，產(chǎn)生很長的選擇器，降低了模塊的可靠性，增加處理延時。隨著設(shè)計的深入，加上反復(fù)求精的過程磨練，逐步對硬件描述綜合出的實際電路形式有了更多的理解，對延時和資源占用有了初步概念。一個顯見的結(jié)論是描述代碼的長度和綜合后的電路形式與資源占用無必然聯(lián)系。需要關(guān)注編譯器在綜合時如何將 VHDL 行為級描述轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的門級電路，才能分析清楚資源占用率和電路結(jié)構(gòu)。行為級描述可能與實際綜合的電路產(chǎn)生不一致，需要謹慎對待。 圖 QuartusII編譯工程后的綜合報告。邏輯單元占用率 34%。 圖 QuartusII 編譯綜合報告 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 37頁 再進一步從圖 進行分析，可以看出，資源占用最多的是 UserMode 子模塊，這是很容易理解的，該模塊定義了正方形色塊，僅這一個定義就采用了四個與操作，每個與操作塊內(nèi)部又有 10 位的比較器，運動圖形的產(chǎn)生運用了多處算數(shù)運算與比較，消耗的器件資源是很可觀的。其余子模塊占用資源數(shù)都是很少的。 圖 QuartusII 編譯綜合 后各實體占用資源詳表 對各子模塊分析如下。 Clock模塊需要產(chǎn)生 25MHz、 100Hz、 1Hz頻率的時鐘信號，其中 100Hz和 1Hz時鐘的產(chǎn)生是靠計數(shù)觸發(fā)的，與邏輯描述對應(yīng)，生成的邏輯器件主要是計數(shù)器和比較器。此外，時鐘模塊可以考慮將計數(shù)器級聯(lián)，減少邏輯資源的使用，但是以犧牲運行速度為代價的，但本系統(tǒng)非高速系統(tǒng)，可以使用。參看附錄圖 RTL圖。 PixelCNT 模塊是依靠計數(shù)和比較來輸出像素位置的信息，生成的電路中使用的主要邏輯器件也是計數(shù)器和比較器。參看附錄圖 RTL圖。 VGAMode 模塊輸入狀態(tài)控制信號 SW1 和 SW0 以及 VGA 消隱信號，完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)移操作和 VGA顏色信號的生成。狀態(tài)的選擇在邏輯器件實現(xiàn)時是 6個選擇器，其 輸入為 S0、 S S2 以及 S3 中的 US0、 US US2 共計 6 種狀態(tài)的六位顏色信號。中間一個六位 colorstmp 信號作為緩存，與消隱信號 hen 和 ven相與后輸出給 VGA 接口。參看附錄圖 RTL圖。 VGASig模塊產(chǎn)生 VGA掃描時的行列同步信號和消隱信號，主要是根據(jù) PixelCNT模塊的計數(shù)信息，進行比較，在滿足條件時輸出同步和消隱信號。其主要實現(xiàn)邏輯器件是比較器。參看附錄圖 RTL圖。 數(shù)字電路綜合 實驗報告 第 38頁 VGAColor 模塊產(chǎn)生橫彩、縱彩、純色四種模式的顏色。橫彩和縱彩產(chǎn)生機理一致，由于采用了多分支的 IFELSIF 語句描述，產(chǎn)生的邏輯器件時用比較器判斷位置，利用多路選擇器 MUX選擇寄存器中的固定顏色值輸出。純色模式相對簡單， CASE語句綜合成為了選擇編碼器。用戶模式產(chǎn)生的 Colors3 則直接通過總線給到上層VGAMode模塊進行選擇。參看附錄圖 RTL圖。 UserMode 模塊負責(zé)產(chǎn)生用戶的定義的動態(tài)圖形。使用的描述語句主要是判斷和選擇，其中涉及較多比較數(shù)值大小的操作，根據(jù)比較結(jié)果選擇對進行信號賦值。綜合產(chǎn)生的邏輯器件主要是多路選擇器和比較器，邏輯簡單，但算數(shù)運算消耗了大量器件資源。參看附錄圖 RTL圖。 在 VHDL 語言電 路優(yōu)化設(shè)計當中，優(yōu)化主要包括面積優(yōu)化和速度優(yōu)化。面積優(yōu)化即資源利用率的降低， 速度優(yōu)化即