【正文】 I ，并采用自頂向下的 VHDL 設(shè)計(jì)方法， 將該控制器分成用 VHDL 語言 進(jìn)行描述的五個(gè)子模塊來實(shí)現(xiàn)的 。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 基于 FPFA 的 VGA 顯示控制器 設(shè)計(jì) 摘要 目前，數(shù)碼產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了人們生活的每一個(gè)領(lǐng)域，而此類產(chǎn)品大多都帶有顯示屏，可見對(duì)顯示屏的控制電路進(jìn)行研究具有很大的市場(chǎng)需求。 VGA 作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)基于 VGA 技術(shù)的顯示 控制器也擁有廣泛的使用領(lǐng)域。 在Quartus II 軟件平臺(tái)上，完成了對(duì)該控制器的設(shè)計(jì)輸入、綜合、仿真和下載 。 調(diào)試 結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的 VGA 控制器能夠正確地輸出 RGB 顏色信號(hào)和時(shí)序控制信號(hào)， 可以顯示符合 VGA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試彩條信號(hào)，內(nèi)置 ROM 信息 ,實(shí)時(shí) RAM 信息，還能夠分屏顯示三路 RGB圖像信息，并在這幾種模式之間靈活切換和通斷。 本設(shè)計(jì)利用了不同于以往傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法，具有修改靈活，高移植性，維護(hù)簡單，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；硬 件描述語言；視頻圖 像 陣列 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II The VGA Display Controller Design Based on FPFA Abstract The currently, the digital products which most of them have a display screen entered in every area of people39。 隨著 半導(dǎo)體技術(shù) 、 材料技術(shù) 、微電子 技術(shù)和加工工藝的發(fā)展，基于乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)的 CPLD 以及基于查找表法的 FPGA 等超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷漠a(chǎn)生 。 與此同時(shí)， EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)也取得飛速發(fā)展。 EDA 技術(shù)使得設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件方式，即利用硬件描述語言和EDA 軟件來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的設(shè)計(jì)。它與這些超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷嘟Y(jié)合，更是具備了開發(fā)SOPC(可編程片上系統(tǒng) )的實(shí)力，極大地改變了傳統(tǒng)的 ASIC 等電子設(shè)計(jì)方法。 目前，連接計(jì)算機(jī)與顯示設(shè)備的主要接口是 VGA 接口，而且在較短的一段時(shí)間內(nèi) VGA 接口仍然會(huì)有很大的使用價(jià)值。同時(shí)，基于 VGA 技術(shù)的數(shù)碼產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入到人們的生活中，例如手機(jī)、 MP4 等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品中的顯示屏都是利用 VGA 控制方式進(jìn)行顯示的。 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 顯示技術(shù)的發(fā)展 史 1897 年德國 ，用于測(cè)量儀器上顯示快速變化的電信號(hào)。 到 20 世紀(jì) 50 年代，電視技術(shù)的發(fā)展成為顯示技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。顯示設(shè)備分為電子束管型、平板型和投影型。鍵盤、光筆、圖形板等輸入裝置提供了人機(jī)交互的工具。交互式顯示設(shè)備的交互能力由圖形軟件實(shí)現(xiàn)。電子束管顯示器件在顯示技術(shù)中居主要地位，但各種平板顯示器件（即矩陣顯示）將得到迅速發(fā)展。 到目前為止， 從 CRT 到 LCD、 PDP、 LED、 OELD、 FED 及 FPD 等 各種顯示技術(shù) 以及顯示控制技術(shù) 都在不斷發(fā)展， 不斷完善， 呈現(xiàn)出 百花齊放，百家爭鳴的景象。 各種顯示器的顯示原理 通過對(duì)不同的物理特性的 技術(shù)應(yīng)用， 產(chǎn)生了不同顯示原理的顯示器。所以 CRT 必然包含三大部件：發(fā)射電子并將它們會(huì)聚成細(xì)束的電子槍、使電子束在熒光屏上 掃描的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、根據(jù)電子束能量強(qiáng)弱而發(fā)出不同亮度光的熒光屏。 CRT 顯示器占了顯示器行業(yè)的 很 大比重，如電視機(jī)顯示器等絕大多數(shù)都采用 CRT 顯示技術(shù) 。 物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài) 、液 態(tài) 和氣 態(tài) 。然而，有些有機(jī)材料 并 不是直接從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，而是經(jīng)過中間狀態(tài)， xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 然后才轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。 這種 處于中間狀態(tài)物質(zhì)，一方面具有 像 液體一樣的流動(dòng)性和連續(xù)性，另一 方面又具有 像 晶體一樣的各向異性， 像 這樣的有序流體就是液晶。向列相的分子具有一長的剛性中心部分，呈棒狀，其一端或兩端具有柔性尾鏈，分子取向是長程有序的，但分子質(zhì)心的分布是無規(guī)則的；膽甾相的分子呈層狀排列，每層中分子長軸大致平行，相鄰兩個(gè)平面上的分子長軸方向相差一確定角度，分子取向的扭轉(zhuǎn)，使分子的排列呈螺旋狀；近晶相的分子形成層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)分子長軸大致平行，層內(nèi)分子的質(zhì)心可呈無序狀 態(tài)，也可呈二維有序狀態(tài)，較前兩種具有更大的粘度。 液晶顯示器 的 工作原理就是 自然光經(jīng)過一偏振片后 ―過濾 ‖為線性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距遠(yuǎn)比可見光波長大得多，所以當(dāng)沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的線性偏振光入射后，其偏光方向在經(jīng)過整個(gè)液晶層后會(huì)扭曲 90176。旋光的功能消失，在正交 偏 振片 間失去了旋光作用，使器件不能透光。 液晶顯示器具有 平板式結(jié)構(gòu)， 顯 示信息量大，易于彩色化，壽命長，低電壓，微功耗，無輻射和 無污染等優(yōu)點(diǎn) ； 但也存在 顯示視角小，響應(yīng)速度慢， 怕高溫 等缺點(diǎn)。 它屬于冷陰極放 電管，其利用加在陰極和陽極間一定的電壓，使氣體產(chǎn)生輝光放電。 等離子體顯示板（ Plasma Display Panel,PDP）具有易于實(shí)現(xiàn)大屏幕，厚度薄，重量輕， 具有高速響應(yīng)特性， 視角寬可達(dá) 160 度， 伏安特性非線性強(qiáng) ， 有很陡的閥值特性 ， 具有存儲(chǔ)功能 ， 無圖像畸變，不受磁場(chǎng)干擾 ， 工作于全數(shù)字化模式 ， 可實(shí)現(xiàn)全 彩顯示 和 長壽命 等優(yōu)點(diǎn)。 器的顯示原理 投影顯示是指由平面 圖像信息控制光源，利用光學(xué)系統(tǒng)和投影空間把圖像放大并顯示在屏幕上的方法或裝置。它 是 由光學(xué)成像系統(tǒng)最終來完成圖像的顯示。 CRT(Cathode Ray Tube)是陰極射線管，主要是由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈及管屏組成。由于使用內(nèi)光源， 屬于 主動(dòng)式投影方式。 器顯示原理 發(fā)光二極管簡稱為 LED， 它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能 ， 當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。 有機(jī)電致發(fā)光 顯示就 來源于 電致發(fā)光 (EL)， 電致發(fā)光是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為光輻射的物理現(xiàn)象，有機(jī) EL 是在發(fā)光層上使用有機(jī)化合物的發(fā)光型顯示器件 ,由于采用電流注入型的工作機(jī)制，故屬于發(fā)光二極管類。如染料及顏料為發(fā)光材料的小分子組件(moleculebased device)系統(tǒng)，即 OELD，它具有先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、主動(dòng)發(fā)光、低電壓驅(qū)動(dòng)、高亮度、全色彩、厚度小、可大面積顯示、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度可達(dá)到 LCD 的 1000 倍以上等優(yōu)點(diǎn)，是 21 世紀(jì)很有前途的顯示器。 顯示標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 在計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，業(yè)界制定了多種顯示標(biāo)準(zhǔn)，從最初的MDA 經(jīng)歷了 CGA， EGA， VGA， XGA， SVGA 等 發(fā)展過程。顯示器的標(biāo)準(zhǔn)主要反映在它們的接口，顯示功能和行，場(chǎng)工作頻率上。它只支持字符顯示功能，無圖形 和 彩色顯示能力，也無灰度等級(jí)。 MDA 顯示標(biāo)準(zhǔn)的字符顯示規(guī)格為 80 列 25 行，分辨率為720350。 其 信號(hào)接口采用 9 針 D 形接口。它的最高分辨率為 640200，但此方式只能顯示單一顏色。 它的行頻為 ， 場(chǎng)頻為 60Hz， 它規(guī)定了兩種接口形式，一種是 9 針 D 形接口，管腳與 MDA 的接口排列相同。 標(biāo)準(zhǔn)： EGA 是當(dāng)時(shí)的一種增補(bǔ)型圖形適配器。 可以設(shè)置成單顯方式。 標(biāo)準(zhǔn)： VGA 彩色顯示 標(biāo)準(zhǔn) 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)。 以上 MDA， CGA， EGA 三種標(biāo)準(zhǔn)都是以 TTL 數(shù)字信號(hào)輸出。它的最高分辨率為 640480， 行頻為 ， 場(chǎng)頻為 6070Hz。 標(biāo)準(zhǔn)： XGA 標(biāo)準(zhǔn)它是一種擴(kuò)展圖形陣列適配器，它的最高分辨率為 1024768， 但與 8514 標(biāo)準(zhǔn)相比有著更好的圖形 顯示能力，因?yàn)樗捎昧酥鹦袙呙璺绞?，它的行頻為 48KHz， 場(chǎng)頻為 60Hz。接口為 15 針 D 形標(biāo)準(zhǔn)接口。同以上幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相比 SVGA 一般都有多個(gè)掃描頻率，如：640480， 800600， 1024768， 12801024， 16001200 等。 由前面的顯示標(biāo)準(zhǔn)可知， 它是 IBM 公司在 1987 年隨著 IBM PC 機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有 很多 優(yōu)點(diǎn)，在單色、彩色圖像顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持在 640480的較高分辨率下同時(shí)顯示 16種彩色或 256種灰度，而在320x240分辨率下可以同時(shí)顯示 256種顏色。它的主要顯示模式有： 640480， 256顏色； 800600， 16顏色； 1024768， 16顏色等。 VGA 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于現(xiàn)今的個(gè)人電腦市場(chǎng)已經(jīng)十分過時(shí)。 接口 顯卡所處理的信息最終都要輸出到顯示器上，顯卡的輸出接口就是電腦與顯示器之間的橋梁，它負(fù)責(zé)向顯示器輸出相應(yīng)的圖像信號(hào)。VGA 接口就是顯卡上輸出模擬信號(hào)的接口，這就是 VGA 接口產(chǎn)生的原因。雖然液晶顯示器可以直接接收數(shù)字信號(hào)，但很多低端產(chǎn)品為了與 VGA 接口顯卡相匹配，因 而采用 VGA 接口。它的具體分布和實(shí)物圖如圖 11所示，其管腳功能分配則如表 11 所示。有些不帶 VGA 接口而帶有 DVI(Digital Visual Interface 數(shù)字視頻接口）接口的顯卡，也可以通過一個(gè)簡單的轉(zhuǎn)接頭將 DVI 接口轉(zhuǎn)成 VGA 接口，專業(yè)的顯示設(shè)備除了有 D15 接口外，還有 rgbhv 的 BNC 接口。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 論文研究內(nèi)容 本論文研究的內(nèi)容就是 利用 EDA 技術(shù) 和 FPGA 相結(jié)合這種先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)方法，靈活并且快捷地來實(shí)現(xiàn)基于 FPGA 的 VGA 顯示控制器的設(shè)計(jì) 。 本論文 對(duì) 完成 該控制器設(shè)計(jì)的具體過程如下： 首先， 通過閱讀已學(xué) 過 的電子設(shè)計(jì)相關(guān)書籍、在圖書館查閱相關(guān)資料以及網(wǎng)絡(luò)搜索等途徑，較詳細(xì)地了解了 EDA 設(shè)計(jì)、 CPLD/FPGA 結(jié)構(gòu)、各種顯示器的顯示原理以及基于這些顯示器的顯示標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)知識(shí) ，另外， 還有 VGA 接口、 VGA 時(shí)序控制、顏色模型、分屏顯示技術(shù)、矩陣切換技術(shù)等與該控制器設(shè)計(jì)相關(guān)的理論和工具。 在此基礎(chǔ)上，整合 了 這些 設(shè)計(jì) ， 同時(shí)， 通過 引入 了分屏顯示技術(shù)和矩陣切換技術(shù) ， 提出了一個(gè) 基于 VHDL 的自頂向下模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 方案 ， 利 用 VHDL（硬件描述語言）來 描述 各個(gè)模塊的功能， 并 在 Quartus II 軟件平臺(tái)上 分別 對(duì)其進(jìn)行 了 仿真 和分析 。 分別 對(duì) 整體設(shè)計(jì)進(jìn)行 綜合 、 仿真 分析 并且下載到 EDA 實(shí)驗(yàn)調(diào)試平臺(tái)（內(nèi)含 Cyclone 系列 FPGA 芯片 EP1C12Q240C8N）上進(jìn)行硬件調(diào)試， 來驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能的控制情況，并給出了相應(yīng) 調(diào)試結(jié)果的效果圖。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 2章 VGA 顯示控制 的 相關(guān)理論 本章主要介紹了一些有關(guān)顯示控制的 相關(guān) 理論，如 VGA 的控制顯示方式、顏 色模型、分屏技術(shù)以及矩陣切換技術(shù)等顯示控制技術(shù)。 VGA 顯示控制 VGA 顯示控制方式 常見的顯示屏有 LCD、 CRT、等離子、 LED 等，雖然它們的工作原理和顯示方式是不同的，但它們的控制信號(hào)和控制方式是相同的。下面 就 僅 基于 CRT 顯示器 來 詳述VGA 的 顯示 控制 過程 。電子束不斷地從左到右掃描顯示屏，與此同時(shí)，它的亮度調(diào)制在熒光屏上產(chǎn)生了顯示圖案，這個(gè)過程稱為顯示刷新或屏幕刷新。在完成全部水平方向的掃描之后， 電子束將在屏幕的右下角結(jié)束。為了使顯示區(qū)工作在線性掃描的范圍內(nèi)，無論是水平方向還是垂直方向，都有一定的 “ 過量掃描 (overscan)”。只有在掃描過程的允許期內(nèi)，電子束才打開，因而屏幕上才會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的圖畫。 加 亮控 制 信 號(hào)顏 色 數(shù) 據(jù)行 同 步放 大放 大放 大場(chǎng) 同 步V G A 顯 示 模 塊C R T 顯 示 器RGB? ? ? ?水 平 掃 描水 平 回 掃垂 直 回 掃垂直掃描 圖 21 VGA 顯示原理及掃描過程 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 所以， CRT 顯示器要正確顯示圖像 , 就需要 RGB(3 基色信號(hào) ) ,HS(行同步信號(hào) ) ,VS(場(chǎng)同步信號(hào) )這 5 個(gè)信號(hào)來共同驅(qū)動(dòng)。 圖 22 HS 掃描時(shí)序圖 圖 23 VS 掃描時(shí)序圖 VGA 顯示要嚴(yán)格遵循 ―VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ‖, 即 640 Hz 480 Hz 60Hz 模式。 VGA 的 HS 行掃描時(shí)序要求如表 21 所示； VS 場(chǎng)掃描時(shí)序要求如表 22 所示。依據(jù) VGA 時(shí)序標(biāo)準(zhǔn) ,行同步信號(hào) HS，行周期為 31. 78μs，每顯示行包括 800 點(diǎn)，其中 640 點(diǎn)為有效顯示區(qū)， 160 點(diǎn)為行消隱區(qū) ,每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為 3. 81μs (96 個(gè)脈沖 )；場(chǎng)同步信號(hào) VS ，場(chǎng)周期為 ，每場(chǎng)有 525 行，其中 480 行為有效顯示行， 45 行為場(chǎng)消隱區(qū) ,每場(chǎng)有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為 63μs (