协议——VGA

　　VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。不支持热插拔，不支持音频传输。对于一些嵌入式VGA显示系统，可以在不使用VGA显示卡和计算机的情况下，实现VGA图像的显示和控制。VGA显示器具有成本低、结构简单、应用灵活的优点。对于一名FPGA工程师，尤其是视频图像的方向的学习者，VGA协议是必须要掌握的。

一、外部接口

　　由电路图可以看到，VGA并没有特殊的外部芯片，我们需要关注的其实只有5个信号：HS行同步信号，VS场同步信号，R红基色，G绿基色，B蓝基色。下面慢慢解释这些信号。

二、色彩原理

　　经过九年义务教育的我们都应该听过三基色，还给老师了的那就在再复习一下。三基色是指通过其他颜色的混合无法得到的“基本色”由于人的肉眼有感知红、绿、蓝三种不同颜色的锥体细胞，因此色彩空间通常可以由三种基本色来表达。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。我们的RGB信号真是三基色的运用，对这三个信号赋予不同的数值，混合起来便是不同的色彩。

　　设计RGB信号时，既可以R信号、G信号和B信号独立的赋值，最后连到端口上，也可以直接用RGB当做一个整体信号，RGB信号在使用时的位宽有三种常见格式，以你的VGA解码芯片的配置有关。

　　1. RGB_8，R：G：B = 3：3：2，即RGB332

　　2. RGB_16，R：G：B = 5：6：5，即RGB565

　　3. RGB_24，R：G：B = 8：8：8，即RGB888

三、扫描方式

　　VGA显示器扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描：逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左像右逐点扫描，每扫描完一行,电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行同步；当扫描完所有的行，形成一帧，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐,开始下一帧。隔行扫描是指电子束扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后在返回来扫描剩下的线，隔行扫描的显示器闪烁的厉害，会让使用者的眼睛疲劳。因此我们一般都采用逐行扫描的方式。

　　扫描原理如下所示：

四、行场信号

　

　　一开始看这个时序图可能看不懂，它是把行场信号绘制在同一张图里，说明行场信号的控制是相似的，只是时间参数不一样而已。如果展开的话，其实时序是这样的：

　　这样就清楚了，大致是若干个HS信号才组合而成一个VS，如果在一副图片中，那正确的时序表示方式应该如下图这样。

　　现在稍稍解释一下这些参数。SYNC是“信号同步”，Back proch和Left border常常加在一起称为“显示后沿”，Addressable video为“显示区域”，Right porder和Front porch常常加在一起称为“显示前沿”，一个时序其实就是先拉高一段较短的“信号同步”时间，然后拉低一段很长的时间，这就是一个回合。同时需要注意，其实也可以完全相反。即先拉低一段时间“信号同步”时间，然后拉高一段很长的时间。

　　具体这些时间参数是怎么来的呢？且看下文。

五、规格参数

　　直接拿数据手册说话！

　　以上是 640x480 @60Hz 的规格参数表，对着这个表即可确定时间。如果为了嫌麻烦，也可以先计算好写在代码里。

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 // *** 名称 : VGA_driver.v
 // *** 作者 : xianyu_FPGA
 // *** 博客 : https://www.cnblogs.com/xianyufpga/
 // *** 日期 : 2019-06-26
 // *** 描述 : VGA驱动模块,pixel_req和pixel_x、pixel_y信号一般不同时使用
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 module VGA_driver
 //========================< 端口 >==========================================
 (
 //system ----------------------------------------
 input   wire                clk                 , //时钟，25Mhz
 input   wire                rst_n               , //复位，低电平有效
 //vga_display -----------------------------------
 input   wire  [:]        pixel_data          , //得到图像数据
 output  wire                pixel_req           , //请求图像数据
 output  wire  [ :]        pixel_x             , //请求显示区域横坐标
 output  wire  [ :]        pixel_y             , //请求显示区域纵坐标
 //vga output ------------------------------------
 output  reg                 vga_de              , //VGA接口使能
 output  wire                vga_hsync           , //VGA接口行信号
 output  wire                vga_vsync           , //VGA接口场信号
 output  wire  [:]        vga_data              //VGA接口rgb数据信号
 );
 //========================< 参数 >==========================================
 //640x480 @60Hz 25Mhz -----------------------------------------
 parameter H_TOTAL           =                              ; //行扫描周期
 parameter H_ADDR            =                              ; //行有效数据
 parameter H_RIGHT_BORDER    =                                ;
 parameter H_FRONT_PORCH     =                                ;
 parameter H_FRONT           = H_RIGHT_BORDER + H_FRONT_PORCH  ; //行显示前沿
 parameter H_SYNC            =                               ; //行同步
 parameter H_BACK_PORCH      =                               ;
 parameter H_LEFT_BORDER     =                                ;
 parameter H_BACK            = H_BACK_PORCH + H_LEFT_BORDER    ; //行显示后沿
 //-------------------------------------------------------------
 parameter V_TOTAL           =                              ; //场扫描周期
 parameter V_ADDR            =                              ; //场有效数据
 parameter V_BOTTOM_BORDER   =                                ;
 parameter V_FRONT_PORCH     =                                ;
 parameter V_FRONT           = V_BOTTOM_BORDER + V_FRONT_PORCH ; //场显示前沿
 parameter V_SYNC            =                                ; //场同步
 parameter V_BACK_PORCH      =                               ;
 parameter V_TOP_BORDER      =                                ;
 parameter V_BACK            = V_BACK_PORCH + V_TOP_BORDER     ; //场显示后沿
 //========================< 信号 >==========================================
 reg   [ :]                cnt_h                             ;
 wire                        add_cnt_h                         ;
 wire                        end_cnt_h                         ;
 reg   [ :]                cnt_v                             ;
 wire                        add_cnt_v                         ;
 wire                        end_cnt_v                         ;
 //==========================================================================
 //==    行、场计数
 //==========================================================================
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt_h <= ;
     else if(add_cnt_h) begin
         if(end_cnt_h)
             cnt_h <= ;
         else
             cnt_h <= cnt_h + ;
     end
 end

 assign add_cnt_h = ;
 assign end_cnt_h = add_cnt_h && cnt_h==H_TOTAL-;

 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt_v <= ;
     else if(add_cnt_v) begin
         if(end_cnt_v)
             cnt_v <= ;
         else
             cnt_v <= cnt_v + ;
     end
 end

 assign add_cnt_v = end_cnt_h;
 assign end_cnt_v = add_cnt_v && cnt_v==V_TOTAL-;
 //==========================================================================
 //==    VGA display
 //==========================================================================
 //vga请求
 assign pixel_req = (cnt_h >= H_SYNC + H_BACK - ) && (cnt_h < H_SYNC + H_BACK + H_ADDR - ) &&
                    (cnt_v >= V_SYNC + V_BACK    ) && (cnt_v < V_SYNC + V_BACK + V_ADDR    )
                    ?  : ;
 //vga坐标
 assign pixel_x = pixel_req ? (cnt_h - (H_SYNC + H_BACK - 'b1)) : 10'd0;
 assign pixel_y = pixel_req ? (cnt_v - (V_SYNC + V_BACK - 'b1)) : 10'd0;
 //==========================================================================
 //==    VGA output
 //==========================================================================
 always @(posedge clk) begin
     vga_de <= pixel_req;
 end

 assign vga_hsync = (cnt_h < H_SYNC) ?  : ;
 assign vga_vsync = (cnt_v < V_SYNC) ?  : ;

 assign vga_data = vga_de ? pixel_data : 'b0;

 endmodule

六、实例讲解

　　最近使用的开发板带了一个TFT屏，分辨率为480x272，其显示原理和VGA接口完全相同，因此拿这个屏幕编写一段程序看看。

 //==========================================================================
 // --- 名称 : TFT_driver.v
 // --- 作者 : xianyu_FPGA
 // --- 日期 : 2019-01-03
 // --- 描述 : TFT显示屏控制器，分辨率480x272，显示三个竖着的彩条
 //==========================================================================

 module TFT_driver
 //=====================<端口声明>===========================================
 (
 //input -------------------------------------
 input  wire             clk                 , //时钟，9Mhz
 input  wire             rst_n               , //复位，低电平有效
 //user interfaces ---------------------------
 output wire             TFT_req             , //输出请求信号
 input  wire [:]      data                , //得到图像数据
 //output ------------------------------------
 output wire             TFT_clk             , //TFT像素时钟
 output wire             TFT_de              , //TFT使能
 output wire             TFT_pwm             , //TFT背光控制
 output wire             TFT_hsync           , //TFT行同步信号
 output wire             TFT_vsync           , //TFT场同步信号
 output reg  [:]      TFT_rgb               //TFT像素输出
 );
 //=====================<参数定义>===========================================
 //480x272 @60 9Mhz --------------------------
 parameter H_TOTAL       =                ; //行扫描周期
 parameter H_ADDR        =                ; //行有效数据
 parameter H_FRONT       =                  ; //行显示前沿
 parameter H_SYNC        =                 ; //行同步
 parameter H_BACK        =                  ; //行显示后沿
 parameter V_TOTAL       =                ; //场扫描周期
 parameter V_ADDR        =                ; //场有效数据
 parameter V_FRONT       =                  ; //场显示前沿
 parameter V_SYNC        =                 ; //场同步
 parameter V_BACK        =                  ; //场显示后沿

 //=====================<信号定义>===========================================
 //行场信号
 reg  [:]              cnt_h               ;
 wire                    add_cnt_h           ;
 wire                    end_cnt_h           ;
 reg  [:]              cnt_v               ;
 wire                    add_cnt_v           ;
 wire                    end_cnt_v           ;
 reg                     TFT_en              ;
 wire                    red_area            ;
 wire                    green_area          ;
 wire                    blue_area           ;

 //--------------------------------------------------------------------------
 //--   行、场计数
 //--------------------------------------------------------------------------
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt_h <= ;
     else if(add_cnt_h) begin
         if(end_cnt_h)
             cnt_h <= ;
         else
             cnt_h <= cnt_h + ;
     end
 end

 assign add_cnt_h = ;
 assign end_cnt_h = add_cnt_h && cnt_h==H_TOTAL-;

 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt_v <= ;
     else if(add_cnt_v) begin
         if(end_cnt_v)
             cnt_v <= ;
         else
             cnt_v <= cnt_v + ;
     end
 end

 assign add_cnt_v = end_cnt_h;
 assign end_cnt_v = add_cnt_v && cnt_v==V_TOTAL-;

 //--------------------------------------------------------------------------
 //--    TFT请求信号和使能信号，注意时序的对齐
 //--------------------------------------------------------------------------
 assign TFT_req = (cnt_h >= H_SYNC + H_BACK - ) && (cnt_h < H_SYNC + H_BACK + H_ADDR - ) &&
                  (cnt_v >= V_SYNC + V_BACK    ) && (cnt_v < V_SYNC + V_BACK + V_ADDR    )
                  ?  : ;

 always @(posedge clk) begin
     TFT_en <= TFT_req;
 end

 //--------------------------------------------------------------------------
 //--   行场信号
 //--------------------------------------------------------------------------
 assign TFT_hsync = (cnt_h < H_SYNC) ?  : ;
 assign TFT_vsync = (cnt_v < V_SYNC) ?  : ;

 //--------------------------------------------------------------------------
 //--    其他信号
 //--------------------------------------------------------------------------
 assign TFT_clk = clk;
 assign TFT_de  = TFT_en;
 assign TFT_pwm = rst_n;

 //--------------------------------------------------------------------------
 //--   rgb信号
 //--------------------------------------------------------------------------
 //assign TFT_rgb = TFT_en ? data : 0;

 always @(*) begin
     if(TFT_en) begin

         if(red_area) begin                      //红色区域
             TFT_rgb <= 'b11111_000000_00000;
         end
         else if(green_area) begin               //绿色区域
             TFT_rgb <= 'b00000_111111_00000;
         end
         else if(blue_area) begin                //蓝色区域
             TFT_rgb <= 'b00000_000000_11111;
         end

     end
     else begin                                  //非显示区域
         TFT_rgb <= ;
     end
 end

 assign red_area   = cnt_h >= (H_SYNC + H_BACK) && cnt_h < (H_SYNC + H_BACK + H_ADDR*/) &&
                     cnt_v >= (V_SYNC + V_BACK) && cnt_v < (V_SYNC + V_BACK + V_ADDR);
 assign green_area = cnt_h >= (H_SYNC + H_BACK) && cnt_h < (H_SYNC + H_BACK + H_ADDR*/) &&
                     cnt_v >= (V_SYNC + V_BACK) && cnt_v < (V_SYNC + V_BACK + V_ADDR);
 assign blue_area  = cnt_h >= (H_SYNC + H_BACK) && cnt_h < (H_SYNC + H_BACK + H_ADDR*/) &&
                     cnt_v >= (V_SYNC + V_BACK) && cnt_v < (V_SYNC + V_BACK + V_ADDR);

 endmodule

　　这个工程还包括顶层top模块，pll分频模块，这些就不展示了。还一点是接口处的user interfaces的信号没有使用到，而是自己通过代码赋的值。工程最终正常运行，显示出从左到右的三个竖彩条，其效果如下所示：

七、后记

　　这样只是简单的使用了VGA，最终还是要以显示视频或图像为目标，这就涉及到模块之间的交互问题，下次再总结吧！

参考资料：

[1]开源骚客.VGA系列之一：VGA显示驱动篇

[2]NingHeChuan.基于FPGA的VGA显示静态图片

[3]威三学院FPGA教程

[4]袁玉卓, 曾凯锋, 梅雪松. FPGA自学笔记：设计与验证[M]. 北京航空航天出版社, 2017.