【正文】 n was pleted on the puter editing, pilation, simulation of a circuit, chip download programming to a specific destination, ultimately downloaded to the hardware circuit board test passed. Key words: FPGA。VGA interface。Display Chinese characters。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(shù)來實現(xiàn) VGA漢字顯示可以有效解決傳統(tǒng)技術(shù)中的缺點。 VGA 接口大多應(yīng)用在顯示器與顯卡之間；同時還可以應(yīng)用在彩色等離子電視輸入圖像的模數(shù)轉(zhuǎn)換上； VGA 接口同樣也是 LCD 液晶顯示設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。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(fù)雜的邏輯功能，速度更快，規(guī)模更大，功耗更低。 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(shè)計，有大量的軟核可用，便于進(jìn)行二次開發(fā)。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(shè)備或手持設(shè)備 )， 應(yīng)用于地面勘測、性能監(jiān)測等方面，具有重要的現(xiàn)實意義。它是作為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)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。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(jìn)行初始化。 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（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。下面介紹 FPGA 的發(fā)展過程。推出的這款 FPGA 包括兩個器件和支持布同布線的設(shè)計工具。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(lǐng)了電子設(shè)計領(lǐng)域很大的一塊市場。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。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）。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(gòu)成，通過 NiCr 熔絲實現(xiàn)連續(xù)的斷開或連接。但是這款可編程器件需要人工來設(shè)置熔絲的斷或合，因此很復(fù)雜而且容易出錯。 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(dāng)于 25 000 個等效門。一個 CLB 的運行頻率可達(dá) 250MHz，但如果將互連線網(wǎng)絡(luò)引入的延遲以及像加法器這樣更復(fù)雜的邏 輯考慮進(jìn)去，還可以獲得 2050MHz 的時鐘頻率。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)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(nèi)部連線（ Interconnect）三個部分。 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 3 頁 共 36 頁 FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。 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。 FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此， 工作時需要對片內(nèi)的 RAM進(jìn)行編程。 加電時， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后， FPGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。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。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。 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(shè)模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對其編程。 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(gòu)成的 。 越小像素越密 , 則畫面越清晰和細(xì)膩?？梢酝ㄟ^顯示器的實際尺寸除以像距近似得到 。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描。此后，電子束又回到左上方起點，開始下一幀的掃描 。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。目前微機所用顯示器幾乎都是逐行掃描。常見的有 60Hz 、 75Hz 等，標(biāo)準(zhǔn)VGA 顯示的場頻 60Hz ，行頻為 。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(xué)實訓(xùn)（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。隨著技術(shù)的進(jìn)步顯示卡的功能也不斷增加。 VGA 接口也叫做 D Sub 接口，是顯卡上輸出模擬信號的接口。 VGA 接口定義 VGA 接口負(fù)責(zé)向顯示器輸出相應(yīng)的顯示信號。 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(lán)基色 (R)、綠基色 (G)、紅基色 (B)這 5個信號。 VGA 時序控制 VGA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，像素的輸出頻率為 MHz，行頻率是 ，場頻率是。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。在這 800 個像素當(dāng)中， 640 點是有效顯示區(qū)， 160 點是消隱區(qū) (即非顯示區(qū) )。行掃描時序要求如表 1 所示，時序圖如圖 2所示。這 525 行當(dāng)中，有 480行是有效顯示區(qū)， 45行是場消隱區(qū)。場掃描的時序要求如表 2 所示，時序圖如圖 3所示。利用 VHDL 硬件描述語言對每個功能模塊進(jìn)行描述，并逐一對每個功能模塊進(jìn)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 。由此，容易得到系統(tǒng) 功能 結(jié)構(gòu)框圖，有關(guān)系統(tǒng)功能分析和輸入輸出約束，詳述于 。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(fù)責(zé)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(kuò)展第二層的功能，具體負(fù)責(zé)用戶模式的實現(xiàn)。 控制器部分是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制各子模塊的工作。 第三步： 系統(tǒng) 硬件語言描述 在前述工作的基礎(chǔ)上，采用 VHDL 語言對 VGA顯示控制器的三 個層次依次進(jìn)行描述，具體描述出每個模塊，生成具體電路視圖。 第四步： 系統(tǒng) 仿真驗證 經(jīng)過前三步之后，系統(tǒng)設(shè)計基本完成，需要對系統(tǒng)主要功能進(jìn)行仿真驗證，更進(jìn)一步分析狀態(tài)機、電路邏輯和時序配合等是否正確。 系統(tǒng) 功能 結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)實訓(xùn)（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。用戶模式中，還應(yīng)根據(jù)用戶的輸入控制圖形的運動方向。 如圖 4 所示。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(kuò)展第二層的功能，具體負(fù)責(zé)用戶模式的實現(xiàn)。 然后從邏輯上劃分出各層次的具體模塊，分別 如下。定義實體為VGAController，在其中例化子模塊。 子 模塊 中包括二層和三層設(shè)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(dāng)前的模式狀態(tài)，輸出當(dāng)前需要顯示的顏色圖像信號 。另一方面， VGAMode 將當(dāng)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。 各部分控制 模塊 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（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。 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)當(dāng)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。 輸出：送往 VGA 接口的 RGB 顏色信號。 輸入： 50MHz 晶振信 號。 像素控制 模塊 PixelCNT 產(chǎn)生像素位置信號。 輸入： 25MHz 時鐘信號。 同步信號控制 模塊 VGASig 根據(jù)行列像素位置輸出 VGA 接口標(biāo)準(zhǔn)中定義的行列同步負(fù)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。 輸出： VGA 掃描同步信號和消隱信號。為實現(xiàn) 漢字 模式 S0、 圖像 模式 S 用戶模式 S3 狀態(tài) 下復(fù)雜的用戶圖像輸出，定義了子模塊 HanziMode、 ImageMode 、 UserMode，專門負(fù)責(zé)用戶自定義顏色和圖像的產(chǎn)生。 輸出： S0、 S S S3 狀態(tài)的顏色圖像信號 ,16 位 色 共 65536 種 色 彩 。因而是容易實現(xiàn)的。 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(guān)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)。 在此區(qū)域以外顯示指定顏色，例如黑色、藍(lán)色等，作為一個背景色顯示。 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(fù)雜一些， 以下通過一段關(guān)鍵代碼詳細(xì)講解其實現(xiàn)原理。 (ht(5 downto 0)count_temph(5 downto 0))。 count_tempv(5 downto 0)和count_temph(5 downto 0)同理可以理解其含義。 以上模塊分別由各個 Component 具體實現(xiàn)，由一個 Package 進(jìn)行封裝。完成系統(tǒng)拓展部分 中用戶模式下的 3 種子模式。 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(fù)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 。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 5所示。 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（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。當(dāng)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。 子模式切換時采用了控制按鍵 bt4，需要進(jìn)行按鍵防抖動設(shè)計。 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(fù)始； 此種運動的關(guān)鍵點在于到達(dá)左右邊界時使得 hmov 反向，到達(dá)上下邊界時使得 vmov 反向。采用簡化的方案，設(shè)置兩個標(biāo)志位 borderlr 和 bor