crt字符控制器设计毕业设计(编辑修改稿)

crt字符控制器设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

设计思路 CRT 字符控制器是一个较大的数字系统，采用模块化设计原则、借鉴自顶向下的程序设计思想，进行功能分离并按层次设计。 利用 VHDL 硬件描述语言对每个功能模块进行描述，并逐一对每个功能模块进行编译仿真，使顶层 VGA 显示控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过。 第一步：系统功能 结构设计 VGA 显示控制器实现的主要功能是向 CRT 显示器发出图形 、图像 控制信号，产生相应的图形 、图像 显示。 由此，容易得到系统 功能 结构框图，有关系统功能分析和输入输出约束，详述于。 第二步：系统层次模块划分 从系统逻辑结构出发 ，将系统设计为 3层。 顶层用于描述整个系统的功能和运行；第二层承接顶层，负责实现系统中各个独立而完整的功能部分；第三层为第二层的子模块，用于扩展第二层的功能，具体负责用户模式的实现。 每个层次可用一个或多个具体模块加以实现，层次模块划分详述于 小节中。 控制器部分是系统的核心部分，负责协调和控制各子模块的工作。 控制器设计采用有限状态机的方法，详述于 小节中。 第三步： 系统 硬件语言描述 在前述工作的基础上，采用 VHDL 语言对 VGA显示控制器的三 个层次依次进行描述，具体描述出每个模块，生成具体电路视图。 详述 于 小节中。 第四步： 系统 仿真验证 经过前三步之后，系统设计基本完成，需要对系统主要功能进行仿真验证，更进一步分析状态机、电路逻辑和时序配合等是否正确。 详述于。 系统 功能 结构设计 CRT 显示器 VGA 显示控制器 用户输入接口 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 7 页 共 36 页 图 4 VGA显示控制器系统 功能 结构框图 VGA 显示控制器的输入是用户控制信息，如显示模式的切换命令、 汉字、图形 和图像 移动的控制命令等。 控制器根据用户 的输入信息，决定工作模式 功能 ，这里定义为汉字 模式、 图像 模式、色彩模式、用户模式 的功能。 用户模式中，还应根据用户的输入控制图形的运动方向。 而 颜色信息的产生、显示器扫描同步信号等由 VGA 控制器产生，其输出为 CRT 显示器。 如图 4 所示。 系统 层次模块划分 系统划分为三层，自顶向下分别是顶层模块、 各部分控制 模块、用户模式底层模块。 顶层描述了整个系统的功能和运行； 各部分控制 模块实现系统中各个独立而完整的功能部分；第三层为第二层的子模块，用于扩展第二层的功能，具体负责用户模式的实现。 每个层次可用一个或多个具体模块加以实现。 然后从逻辑上划分出各层次的具体模块，分别 如下。 顶层模块 作用为集成子模块功能，控制子模块的连接和耦合信号。 定义实体为VGAController，在其中例化子模块。 顶层模块 VGAController 在 数字系统中属于控制器模块，其设计是数字系统设计的核心。 子 模块 中包括二层和三层设计中的 八 个模块，各模块间存在信号的传递，其中时钟信号由 Clock 产生，驱动其他各个模块，像素位置信号由 PixelCNT 产生，输出到VGAColor、 VGASig、 HanziMode、 ImageMode 以及 UserMode 模块，作为产生颜色图像信号和扫描同步消隐信号的依据， VGAMode 模 块决定当前的模式状态，输出当前需要显示的颜色图像信号。 顶层模块 和子 模块 的耦合关系 ，一方面， VGAController 获取输入信号， 传递给子模块 ，其中输入控制信号 sw0 和 sw1 传递给 VGAMode 用以控制状态的转移， S0、 S1 状态分别控制显示汉字模式 HanziMode 和图像动态显示模式 ImageMode， sw2～ sw17 传递给VGAColor 用以控制产生纯色 彩 ， bt0～ bt4 传递给 UserMode 用以控制用户自定义图形图像。 另一方面， VGAMode 将当前颜色图像信号、 VGASig 将行场同步和消隐信号输出到VGAController，控制器再输出到 VGA 接口，以控制 CRT 显示器。 当然，以上信号的传递是基于逻辑和系统设计的角度加以分析的，顶层设计实际是逻辑概念，并非有实实在在的电路，实际生成电路时信号是直接连线的传递的。 各部分控制 模块 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 8 页 共 36 页 具体实现顶层模块的描述，包括的功能主要是产生时钟信号，状态机的定义和状态的转移，产生像素位置信号，并根据不同的状态和像素位置产生 RGB 颜色信号。 由此，可定义如下模块： VGAMode、 Clock、 PixelCNT、 VGASig、 VGAColor、 HanziMode、 ImageMode。 顶层状态机 模块 VGAMode 该模块 定义 了 顶层状态机， 有 四种状态分别为 汉字 模式 S0、 图像 模式 S 色 彩 模式 S用户模式 S3。 根据拨码开关 SW0 和 SW1 的四种组合选择各模式，完成状态的转移。 根据当前状态选择 VGAColor 模块送入的多个颜色图像信号，发送给 VGA 接口 RGB 端口。 输入：拨码开关 SW0、 SW1 的值。 输出：送往 VGA 接口的 RGB 颜色信号。 时钟控制 模块 Clock 作分频，由 50MHz 的板级输入得到系统所需的 25MHz、 100Hz 和 1Hz时钟信号。 输入： 50MHz 晶振信 号。 输出： 25MHz、 100Hz、 1Hz 时钟信号。 像素控制 模块 PixelCNT 产生像素位置信号。 为 VGAColor 模块产生颜色和图像作定位参考。 输入： 25MHz 时钟信号。 输出：行和列像素位置信号。 同步信号控制 模块 VGASig 根据行列像素位置输出 VGA 接口标准中定义的行列同步负脉冲信号和行列消隐信号，两种信号输入到 VGA接口中可控制 CRT 显示器的扫描。 输入：行和列像素位置信号。 输出： VGA 扫描同步信号和消隐信号。 颜色信号控制 模块 VGAColor 产生所有状态的颜色和图像信号，输出到 VGAMode 模块进行选择后送 VGA 接口。 为实现 汉字 模式 S0、 图像 模式 S 用户模式 S3 状态 下复杂的用户图像输出，定义了子模块 HanziMode、 ImageMode 、 UserMode，专门负责用户自定义颜色和图像的产生。 输入：行和列像素位置信号，用户颜色控制信号 SW2～ SW17。 输出： S0、 S S S3 状态的颜色图像信号 ,16 位 色 共 65536 种 色 彩。 其中 S2 是 色 彩 模式 状态 ，由拨码开关 SW2～ SW17 分别代表 RGB 三基色，每个 R、 G基色 5个比特 ， B 基色 6个比特，只要在 VGAColor 中读取出这 5 个比特组合 成为颜色码输出到 VGA接口即可。 因而是容易实现的。 汉字显示控制 模块 HanziMode 将需要显示的汉字 或 图像 信号发送到 VGA 接口，有 2种方法：一是对像素进行计数后，将计数数值 (像素信息 )直接赋值给 RGB(颜色信号 )；二是使用 FPGA 内部的存储资源Lpm_Rom 来存储显示内容的像素信息，之后，经过程序将显示信号发送到 VGA 接口，实 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 9 页 共 36 页 现汉字 或 图像的显示。 在 汉字模式下，主要是 先 将多个一定大小字体的汉字以扫描图片 的方式取模， 生成mif 文件供 Lpm_Rom 使用，由 VGAColor 模块传送过来的 hpos(行 计数器值 )、 vpos(列 计数器值 )及相关控制信号计算出正确的内存地址 romaddr， 再 从 rom 中取出所需要的像素点的三基色数据。 图像显示控制 模块 ImageMode 图像模式跟汉字模式显示原理一样， 在 640*480分辨率的显示器上开辟一 64*64 的显示区域来显示图片，因为显示的图片的大小为 64*64。 在此区域以外显示指定颜色，例如黑色、蓝色等，作为一个背景色显示。 此外在本模块中，通过对 ROM 内存地址的控制，实现了图片的动态显示功能。 汉字 模式 和图像模式 均 以图片形式嵌入 ，其实现思路 大体 一致，差别仅仅在于 图像模式多了动态 显示的功能，其控制相对复杂一些， 以下通过一段关键代码详细讲解其实现原理。 romaddr_control = (vt(5 downto 0)count_tempv(5 downto 0)) amp。 (ht(5 downto 0)count_temph(5 downto 0))。 注： romaddr_control 为从 rom 中取数据时所需要的地址，它对应着图片的每一个像素点的三基色数据； vt(5 downto 0)和 ht(5 downto 0)分别表示取 vt(9 downto 0)、ht(9 downto 0)的后 6 个二进制位来做运算。 count_tempv(5 downto 0)和count_temph(5 downto 0)同理可以理解其含义。 Vt、 ht 实际上可以分别理解为屏幕显示的行和列计数器， count_tempv 和 count_temph 可以分别理解为图片在屏幕上显示的起始行和列坐标。 以上模块分别由各个 Component 具体实现，由一个 Package 进行封装。 用户模式 底层模块 考虑到用户模式功能较多，仍需采用状态机设计，故将其独立出来，作为第三 层的模块加以封装和实现，实体定义为 UserMode。 完成系统拓展部分 中用户模式下的 3 种子模式。 子模式的状态分别定义 US0、 US US2。 子模式 US0是 沿固定轨迹运动模式， 即 固定图形 或字符 沿水平方向运动，行运动到边界后折回到下一行继续水平运动； 子模式 US1是反弹 球 模式 ，即 固定图形 或字符 在矩形屏幕做内直线运动，到边界后沿反射角方向反弹，周而复始； 子模式 US2是 受控运动模式， 即 使用上下左右 4个按键控制固定图形 或字符 在屏幕内的运动方向。 子模式也采用状态机的方式进行设计。 状态转移图如图 5所示。 转移条件均是子 模式切换按键按下。 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 10 页 共 36 页 图 5 用户模式状态转移图 UserMode 模块的输入行列像素位置信号 hpos 和 vpos、按键控制信号 bt0～ bt4，首先根据 hpos 和 vpos 画出静态的图形，由于绘制圆形色块耗费的器件资源电路 板无法提供，这里选择了画正方形色块。 定义一个二维位置坐标变量（ hmov， vmov）为方块中心，画图时以（ hpos， vpos）、（ hmov， vmov）联立不等式可确定屏幕内一块区域的坐标点，在这一区域输出某种颜色值，其余区域输出黑色即可显示一个静态的色块。 当需要色块运动时，只要改变 二维变量（ hmov， vmov）值即可实现横向和纵向的运动。 因而动态图形的设计，关键在于在 US0、 US US2 状态下以不同的方式设法控制（ hmov， vmov）的运动方向和速度。 子模式切换时采用了控制按键 bt4，需要进行按键防抖动设计。 子模式 US0是 沿固定轨迹运动模式， 即 固定图形 或字符 沿水平方向运动，行运动到边界后折回到下一行继续水平运动； 只要判断 hmov 在小于 640 像素区域内，就不断增大 hmov 就能实现横向移动，当移动到右边界，即到达 640 像素，则将 vmov 增加，使得竖向移动， hmov 同时赋值为 0即可使 色块折回左边界。 子模式 US1是反弹 球 模式 ，即 固定图形 或字符 在矩形屏幕做内直线运动，到边界后沿反射角方向反弹，周而复始； 此种运动的关键点在于到达左右边界时使得 hmov 反向，到达上下边界时使得 vmov 反向。 抓住这一核心点，可以使得设计大为简化，否则要反映反弹运动完整过程需要定义多种状态，初步估计 16 种状态可以完整描述。 采用简化的方案，设置两个标志位 borderlr 和 borderud 分别表示左右边界和上下边界，可认为设定边界为 ‘ 1’ 时向 hmov 和 vmov 减小方向运动，反之则增大方向运动，当到达四个边界中任意边界 时（容易根据 hmov 和 vmov 值判断），对应的 borderlr 或者 borderud区反，这样就使得色块反弹了。 子模式 US2是 受控运动模式， 即 使用上下左右 4个按键控制固定图形 或字符 在屏幕内的运动方向。 实现思路也是很明确的，即判断按键是上下左右中的哪个，然后做相应的运动，使 hmov 和 vmov 对应改变即可。 四个方向看作四种状态，依旧采类似顶层状态。