本科毕业论文___基于fpga的vga显示控制器设计(编辑修改稿)

本科毕业论文___基于fpga的vga显示控制器设计(编辑修改稿)内容摘要：

， 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能 ， 当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。 发光二极管显示技术(LED)发展速度很快，超高亮度 LED 和蓝色 LED 的研制成功使其发展进入了一个崭新的阶段。 有机电致发光 显示就 来源于 电致发光 (EL)， 电致发光是一种将电能直接转化为光辐射的物理现象，有机 EL 是在发光层上使用有机化合物的发光型显示器件 ,由于采用电流注入型的工作机制，故属于发光二极管类。 但以薄膜面发光，因此称为有机 EL 或有机薄膜 EL。 如染料及颜料为发光材料的小分子组件(moleculebased device)系统，即 OELD，它具有先进的生产工艺、主动发光、低电压驱动、高亮度、全色彩、厚度小、可大面积显示、发光效率高、响应速度可达到 LCD 的 1000 倍以上等优点，是 21 世纪很有前途的显示器。 另外， 如场致发射显示 (FED)是将真空微电子管应用于显示而非使用热能 ,因而场发射电子束能量分布范围较传统热电子束窄且具有较高亮度 ,此外非常薄、轻、省能源 ,它集 CRT 的高显示质量和 LCD 的低功耗优点于一身 ,是一种新兴的具有广阔发展潜力的自发光平板显示技术。 显示标准的发展 在计算机显示系统的发展历程中，业界制定了多种显示标准，从最初的MDA 经历了 CGA， EGA， VGA， XGA， SVGA 等 发展过程。 与相应的显示标准相配的显示器也 可 称之为 EGA， VGA， XGA 显示器等。 显示器的标准主要反映在它们的接口，显示功能和行，场工作频率上。 这些标准分别 如下： 标准： MDA 标准是 IBM 公司制定的 PC 视频显示的第一个标准。 它只支持字符显示功能，无图形 和 彩色显示能力，也无灰度等级。 因而它在使用中很受限制。 MDA 显示标准的字符显示规格为 80 列 25 行，分辨率为720350。 行频为 ，场频为 50Hz。 其 信号接口采用 9 针 D 形接口。 标准： CGA 是作为 MDA 的替代品出现的，它与 MDA 相比增加了两大功能，即彩色显示和图形显示。 它的最高分辨率为 640200，但此方式只能显示单一颜色。 而在彩色图形显示方式下工作时分辨率很低，只能达到320200。 它的行频为 ， 场频为 60Hz， 它规定了两种接口形式，一种是 9 针 D 形接口，管脚与 MDA 的接口排列相同。 另一种是输出 NTSC 复合视 xx 大学学士学位论文 5 频信号，因此可以用 NTSC 电视作计算机显示器。 标准： EGA 是当时的一种增补型图形适配器。 在软件上兼容 CGA.它的最高分辨率为 640350， 行频为 ， 场频为 60Hz。 可以设置成单显方式。 它的信号接口也是采用 D 形 9 针，其排列与 MDA 相同。 标准： VGA 彩色显示 标准 是 IBM 在 1987 年随 PS/2 机一起推出的一种视频传输标准。 它采 用模拟信号代替数字信号显示，具有分辨率高，显示速率快，颜色丰富等优点，作为一种公认的技术 标准， 它在彩色显示器领域得到了广泛的应用。 以上 MDA， CGA， EGA 三种标准都是以 TTL 数字信号输出。 而 VGA 标准采用了模拟信号输出，因而其彩色显示能力大大加强了，原则上可以显示无穷多的颜色。 它的最高分辨率为 640480， 行频为 ， 场频为 6070Hz。 它可以兼容 CGA， EGA 标准。 标准： XGA 标准它是一种扩展图形阵列适配器，它的最高分辨率为 1024768， 但与 8514 标准相比有着更好的图形 显示能力，因为它采用了逐行扫描方式，它的行频为 48KHz， 场频为 60Hz。 它兼容 VGA、 8514/A 标准。 接口为 15 针 D 形标准接口。 标准： SVGA 标准是 VESA(视频电子标准协会）为了统一显示器的视频显示标准，对以前的标准进行了修订，并同时制定了一些超过VGA,XGA 的标准。 同以上几个标准相比 SVGA 一般都有多个扫描频率，如：640480， 800600， 1024768， 12801024， 16001200 等。 VGA 概述 及其接口 VGA 的英文全称 是 Video Graphics Array ，即视频 图像 阵列。 由前面的显示标准可知， 它是 IBM 公司在 1987 年随着 IBM PC 机一起推出的一种视频传输标准，具有 很多 优点，在单色、彩色图像显示领域得到了广泛的应用。 下面将详细介绍 VGA 现状及其接口 ： 显示标准 现状 如今 VGA彩色显示系统的技术指标己被工业界所采纳并己标准化。 该技术标准支持在 640480的较高分辨率下同时显示 16种彩色或 256种灰度，而在320x240分辨率下可以同时显示 256种颜色。 VGA由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在 VGA基础上加以扩充，如将显存存储容量提高至 IM字节使其能支持更高的分辨率，这些扩充的模式就称之为 VESA（ Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会）的 Super VGA 模式，简称 SVGA，它的体系结构与 IBM VGA相同，其最显著的特点是具有高分辨率的显示功能和比 IBM VGA更丰富的色彩显示能力。 它的主要显示模式有： 640480， 256颜色； 800600， 16颜色； 1024768， 16颜色等。 现在的显卡和显示器都支持SVGA模式。 VGA 标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。 即使如 此， VGA 仍然是最多制造商所共同支援的一个低标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程式 xx 大学学士学位论文 6 之前，都必须支援 VGA 的标准。 接口 显卡所处理的信息最终都要输出到显示器上，显卡的输出接口就是电脑与显示器之间的桥梁，它负责向显示器输出相应的图像信号。 CRT 显示器因为设计制造上的原因，只能接受模拟信号输入，这就需要显卡能输入模拟信号。 VGA 接口就是显卡上输出模拟信号的接口，这就是 VGA 接口产生的原因。 VGA 接口，也叫 DSub 接口。 虽然液晶显示器可以直接接收数字信号，但很多低端产品为了与 VGA 接口显卡相匹配，因 而采用 VGA 接口。 这种 D 型接口，上面共有 15 针空，分成三排，每排五个。 它的具体分布和实物图如图 11所示，其管脚功能分配则如表 11 所示。 图 11 VGA 接口及实物图 表 11 VGA 接口管脚功能分配 管脚 功能 1 红基色 2 绿基色 3 蓝基色 4 地址码 5 自测试 (各家定义不同 ) 6 红地 7 绿地 8 蓝地 9 保留 (各家定义不同 ) 10 数字地 11 地址码 12 地址码 13 行同步 14 场同步 15 地址码 (各家定义不同 ) VGA 接口是显卡上应用最为 广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。 有些不带 VGA 接口而带有 DVI(Digital Visual Interface 数字视频接口）接口的显卡，也可以通过一个简单的转接头将 DVI 接口转成 VGA 接口，专业的显示设备除了有 D15 接口外，还有 rgbhv 的 BNC 接口。 BNC 接口仅有 rgbhv这 5 根连接线，一一连接即可，但得注意选用 75 欧的 BNC 头。 xx 大学学士学位论文 7 论文研究内容 本论文研究的内容就是 利用 EDA 技术 和 FPGA 相结合这种先进的电子设计方法，灵活并且快捷地来实现基于 FPGA 的 VGA 显示控制器的设计。 让该控制器能够实现 彩条 信号产生 、 ROM 信息读取显示 、 实时 RAM 信息显示 、分屏 显示 以及 多路信号 选择切换 等 功能。 本论文 对 完成 该控制器设计的具体过程如下： 首先， 通过阅读已学 过 的电子设计相关书籍、在图书馆查阅相关资料以及网络搜索等途径，较详细地了解了 EDA 设计、 CPLD/FPGA 结构、各种显示器的显示原理以及基于这些显示器的显示标准等基础知识 ，另外， 还有 VGA 接口、 VGA 时序控制、颜色模型、分屏显示技术、矩阵切换技术等与该控制器设计相关的理论和工具。 其次 ， 对已实现的 许多 符合 VGA 显示标准的显示控制器 的 设计 思 想和 设计过程 ，进行了详细 的分析。 在此基础上，整合 了 这些 设计 ， 同时， 通过 引入 了分屏显示技术和矩阵切换技术 ， 提出了一个 基于 VHDL 的自顶向下模块化设计实现 方案 ， 利 用 VHDL（硬件描述语言）来 描述 各个模块的功能， 并 在 Quartus II 软件平台上 分别 对其进行 了 仿真 和分析。 然后 ， 通过 在 Quartus II 的顶层原理图 中 调用 这些 功能模块 的符号元件， 来 实现 VGA 控制器的整体功能。 分别 对 整体设计进行 综合 、 仿真 分析 并且下载到 EDA 实验调试平台（内含 Cyclone 系列 FPGA 芯片 EP1C12Q240C8N）上进行硬件调试， 来验证设计功能的控制情况，并给出了相应 调试结果的效果图。 最后， 分析总结 了所设计的这个控制器的优点和存在的不足。 xx 大学学士学位论文 8 第 2章 VGA 显示控制 的 相关理论 本章主要介绍了一些有关显示控制的 相关 理论，如 VGA 的控制显示方式、颜 色模型、分屏技术以及矩阵切换技术等显示控制技术。 另外，还介绍了一些EDA 设计 理念、 实现 工具和硬件 结构 等知识。 VGA 显示控制 VGA 显示控制方式 常见的显示屏有 LCD、 CRT、等离子、 LED 等，虽然它们的工作原理和显示方式是不同的，但它们的控制信号和控制方式是相同的。 所以，基于 VGA 技术的控制方式可应用到上述显示设备中。 下面 就 仅 基于 CRT 显示器 来 详述VGA 的 显示 控制 过程。 CRT 显示器的阴极射线管发射电子束， RGB 三束电子束击打在 CRT 屏幕背面的荧光层上形成一个像素。 电子束不断地从左到右扫描显示屏，与此同时，它的亮度调制在荧光屏上产生了显示图案，这个过程称为显示刷新或屏幕刷新。 电子束从屏幕的左上角开始向右扫描，在到达屏幕的右边缘后，电子束被关闭 (水平断开 )，接着，它又迅速地返回到屏幕的左边缘 (水平回扫 )，并开始进行下一行水平方向的扫描，这是通过 HS 来控制的。 在完成全部水平方向的扫描之后， 电子束将在屏幕的右下角结束。 在此处电子束被关闭 (垂直断开 )，接着又迅速返回到左上角 (垂直回扫 )，这样下一个屏幕就开始显示了，而这又是VS 来控制的。 为了使显示区工作在线性扫描的范围内，无论是水平方向还是垂直方向，都有一定的 “ 过量扫描 (overscan)”。 在过量扫描期间，电子束也被关闭，因而与回扫过程一样， CRT 处于消隐状态 (blank)。 只有在扫描过程的允许期内，电子束才打开，因而屏幕上才会出现相应的图画。 其 控制显示 的过程如图 21 所示。 加 亮控 制 信 号颜 色 数 据行 同 步放 大放 大放 大场 同 步V G A 显 示 模 块C R T 显 示 器RGB„ „ „ „水 平 扫 描水 平 回 扫垂 直 回 扫垂直扫描 图 21 VGA 显示原理及扫描过程 xx 大学学士学位论文 9 所以， CRT 显示器要正确显示图像 , 就需要 RGB(3 基色信号 ) ,HS(行同步信号 ) ,VS(场同步信号 )这 5 个信号来共同驱动。 HS,VS 时序分别如图 22 和 23所示。 图 22 HS 扫描时序图 图 23 VS 扫描时序图 VGA 显示要严格遵循 ―VGA工业标准 ‖, 即 640 Hz 480 Hz 60Hz 模式。 VGA 工业标准要求的频率为：时钟频率： (像素输出的频率 )，行频 :31 469 Hz，场频： Hz(每秒图像刷新频率 )。 VGA 的 HS 行扫描时序要求如表 21 所示； VS 场扫描时序要求如表 22 所示。 表 21 HS行扫描时序要求： 行同步头 行图像 行周期 对应位置 时间（ Pixels） Tf 8 Ta 96 Tb 40 Tc 8 Td 640 Te 8 Tg 800 表 22 VS行扫描时序要求： 场同步头 场图像 场周期 对应位置 时间（ Lines） Tf 2 Ta 2 Tb 25 Tc 8 Td 480 Te 8 Tg 525 对 VGA 显示器 ,每个像素点 的 输出频率为 25. 175MHz ，因此 25MHz 的输入时钟脉冲 采用 50MHz 经 二分频得到。 依据 VGA 时序标准 ,行同步信号 HS，行周期为 31. 78μs，每显示行包括 800 点，其中 640 点为有效显示区， 160 点为行消隐区 ,每行。