3 第 26卷 第 2期 2009年 　4月 贵州大学学报 (自然科学版 ) Journal of Guizhou University (Natural Sciences) Vol. 26 No. 2 Ap r. 2009 文章编号 　1000 - 5269 (2009) 02 - 0109 - 03 3 基于 FPGA的 VGA图像控制器的设计与实现 朱文伟 ,许忠仁 (辽宁石油化工大学 信息工程学院 ,辽宁 抚顺 113001) 摘 　要 : VGA (视频图形阵列 )作为一种标准的显示接口得到广泛应用 。依据 VGA 显示原理 ,利 用 Verilog HDL作为逻辑描述手段 ,设计了一种基于现场可编程器件 FPGA的 VGA接口控制器 。 与传统设计相比 ,增加了光标处理器 ,便于与嵌入式系统扩展 。在使用 FPGA的嵌入式系统中能 代替 VGA的专用显示芯片 ,节约硬件成本 ,节省计算机处理过程 ,加快数据处理速度 。 关键词 : VGA;显示接口 ; FPGA;接口控制器. ;嵌入式系统 中图分类号 : TP391. 8　　文献标识码 : A 　　随着电子工艺的不断进步 ,低成本的 FPGA 器 件推陈出新 ,促使 FPGA成为当今硬件设计的首选 之一 。 FPGA已大量应用于采集和控制领域 ,其中 对 VGA信号的采集更有着大量的应用 。虽然专用 的 VGA芯片具有更稳定的时序 ,更多的显示模式 可供 选 择 等 优 点 , 但 基 于 FPGA 设 计 和 使 用 的 VGA接口更具有以下优势 : ( 1)使用芯片更少 ,节 省板上资源 ,减小布线难度 ; ( 2)当进行高速数据 传输时 ,具有更小的高频噪声干扰 ; ( 3)系统成本 下降 ,产品更有价格优势 。而且在现代 EDA 强大 功能的支持下 ,电子设计实现容易 、仿真方便 、周期 日益缩短 。 1　VGA 显示原理 VGA (V ideo Graphic A rray)作为一种标准的显 示接口得到了广泛的应用 。在 VGA接口协议框架 中 ,根据不同的分辨率和刷新频率 ,又分为不同的 显示模 VGA ( 640 ×480) 、XGA ( 800 ×600 )和 SV GA (1024 ×768) 。 常见的彩色显示器一般由 CRT (阴极射线管 ) 构成 , 彩 色是 由 R、G、B (红 : Red、绿 : Green、蓝 : B1ue)三色组成 。显示是采用逐行扫描的方式 ,阴 极射线枪发出的电子束打在涂有荧光粉的荧光屏 上 ,产生 RGB 三基色 ,最后合成一个彩色图像 。在 VGA接口协议中 ,不同的显示模式因为有不同的 分辨率或不同的刷新频率 ,所以其时序也不相同 。 对于每种显示模式的时序 , VGA 都有严格的工业 标准 。图 1为 VGA行扫描 、场扫描的时序图 。 图 1　VGA行扫描 、场扫描的时序图 2　FPGA 系统实现 VGA显示器的代码构架如图 2 所示 ,所设计 的 VGA /LCD实现了对 CRT、LCD 的支持 ,可用于 嵌入式系统的开发 。 图 2　VGA显示控制器代码框架 VGA显示控制器的代码框架包括以下几个主 要部分 : 颜色查找表 :颜色查找表保存了 256色分辨率 R、G、B所有可能的颜色 。它是一块 256X24 位的 静态 RAM 区 ,每个像素由 R、G、B每种颜色 8位数 收稿日期 : 2009 - 03 - 03 作者简介 : 朱文伟 (1984 - ) ,男 ,在读硕士研究生 ;研究方向 :过程计算机控制与智能控制. © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

·011· 贵州大学学报 (自然科学版 ) 第 26卷 据组成 , 代码包括两块这样的颜色查找表 , 一共 512X24位 。寄存器 :包括整个代码所需要的各种 控制 、状态寄存器 。颜色处理器 :用于将接收到的 像素数据转换成 RGB 的颜色信息 。光标处理器 : 用于将保存的光标信息转换成可见的光标 。输出 F IFO:用于保证连续的数据流输出到 VGA 或者 LCD显示器上 。视频定时器 : 用于产生显示需要 的各种同步信号 。下面将讨论颜色处理器 、光标处 理器和视频定时器的模块架构 。 2. 1　颜色处理器 颜色处理器负责每个像素的颜色的产生 。此 功能由颜色处理器与输出 F IFO 共同完成 。颜色 处理器的内部结构如图 3所示 。 一个像素 。色彩化模块 :将保存在数据缓存区的数 据转换成颜色数据 ,并输出 。 2. 2　光标处理器 VGA /LCD同时提供了硬件光标 ,可以为 GU I (用户图形界面 , Graphic U ser Interface)提供一个 箭头一样的光标 。光标的形成由光标处理器 (Cur soe Processor)完成 。代码为每个光标模式提供了 16kbit的空间 ,光标的分辨率可以选择 ,包括两种 模式 :模式一为 32x32 像素模式 ,每个像素数据保 存在 16位的字节中 。模式二为 64x64像素模式 , 每个像素数据保存在 4位字节中 。光标处理器的 代码结构如图 4所示 。 图 3　颜色处理器的内部结构 颜色处理器包括地址产生器 、数据缓冲和色 图 4　光标处理器的代码结构 彩化模块几部分组成 : 地址产生器 :在产生视频存储器地址的同时 , 地址存储器操作存储器块的切换并记载要读取的 像素数目 。当所有的像素读取完成之后 ,切换存储 器的块位置 。 数据缓存 :暂时保存从视频存储器中读取的数 据 ,对数据的访问可以按照连续地址进行 。所有的 数据按照连续的地址保存 。8 位模式下 ,一个 32 位的字保存 4个像素的数据 ; 16位模式下 ,一个 32 位的字保存 2个像素 ; 24位模式下 ; 1个 32位的字 保存 4 /3个像素 ; 32位模式下 ,一个 32位字保存 当拷贝光标到光标数据缓冲区时 ,地址产生器 进行写操作需要的存储地址 。光标数据缓冲器提 供一块 512x32位的 SRAM ,用来保存光标的数据 。 光标处理器负责跟踪光标的位置 ,决定光标模板是 否需要更新 、光标是否需要显示等 。 2. 3　视频定时产生器 视频定时产生器产生正确显示图像所必须的 同步信号 ———水平同步信号 、垂直同步信号 。图 5 是经 Quartus II软件综合后 ,在 Modelsim 中后仿真 的行同步时序图 ,由时序图可知设计完全满足实际 要求 。 图 5　行同步时序图 3　VGA 显示接口的验证方法 在正式调试或使用接口前 ,对设计进行基本 测 、论证是有必要的 ,通常方法是尽可能脱离其它 不确定因素 ,只对关心的部分电路进行测试 。如果 在 FPGA里构造的数据能够按要求在显示器上显 示 ,则表示基本可以使用了 。例如把计数器输出作 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 2 2 2 第 2期 朱文伟 等 : 基于 FPGA的 VGA图像控制器的设计与实现 ·111· 为实验板上外围 D /A 电路的红绿蓝数字信号输 入 ,以 clk作为计数脉冲 ,并引入上述的时序信号 , 正常情况下显示器显示结果是水平方向是反复由 亮到暗 ,或是由暗到亮显示 。还可以利用 FPGA 里 的 LPM _ROM 预存显示数据输出作为显示数据 。 仍以 clk作为计数脉冲 ,计数器作为地址发生器 , 输出到 LPM _ROM ,作为地址 。其性能取决于 Ver ilog HDL代码的编写和 Quartus II软件工具的综合 优化的结果 。 4　结论 VGA接口显示器给我们提供了一个方便的显 示方案 ,通过 FPGA 构造显示时序 ,在面积和速度 上能满足实际需要 。通过在 FPGA 实验开发板上 验证了基于 FPGA设计的 VGA显示控制模块可以 实现 VGA 的 各 项 功 能 。其 性 能 取 决 于 Verilog HDL代码的编写和 Quartus II软件工具的综合优 化的结果 。光标处理器的设计便于进行系统的扩 展 ,为在嵌入式系统中应用提供了一个良好的用户 界面标志 。 参考文献 : [ 1 ] 王金明. 数字系统设计与 Verilog HDL [M ]. 北京 :电子工业出 版社 , 2005. [ 2 ] 刘韬 ,楼兴华. 电子系统设计与开发实例导航 [M ]. 北京 :人民 邮电出版社 , 2005. [ 3 ] XESS Corporation. VGA Generator for the XSA Boards[ EB /OL ]. http: / /www. xess. com /p roject/ an - 101204 - vgagen. zip, 2007 - 8 - 12. [ 4 ] Palnitkars. Verilog HDL 数字设计与综合 [M ]. 夏宇闻 ,胡燕祥 , 刁岚松 ,等译. 北京 :电子工业出版社 , 2004. [ 5 ] 延明 ,张亦华. 数字电路 EDA入门 [M ]. 北京 ,北京邮电大学出 版社 , 2006. The Design and Implementation of VGA image Controller Based on FPGA (College of Info Eng under L iaoning Petrochem ical University , L iaoning Fushun 113001, China) ZHU W en wei, XU Zhong ren Abstract: A s a standard disp lay interface, VGA has been widely used. According to the p rincip le of VGA dis p lay, comp leted interface controller of VGA was based on FPGA while using Verilog HDL as a means of logic de scrip tion. Compared to the tradition design, add the cursor p rocessor is convenient to expand in the embedded system s. Key words: VGA; disp lay interface; FPGA; interface controller; embedded system s (上接第 100页 ) Spatial Database M odeling Analysis Based on Object Oriented M ethodology (Vocational and Technical College of Guizhou University, Guiyang 550003, China) ZHUO Tao Abstract: The actuality of spatial information technology app lied for City Fire Prevention fields was described. According to the spatial data’s basic concep tions and features, a spatial data model based on object oriented was oriented idea. And also, ADT (Abstract Data Type) - the type made to geographic environment data with object defined by user, was analyzed to its independence. It is indicated that the definition of spatial data type should oriented method. Additionally, an analysis summary was made to the re be noticed in the modeling w ith object lated p rocessing of spatial information based on its p rocessing flow in spatial information system. Key words: fire facility monitoring system; spatial information technology; object graphic information system; abstract data type oriented data model; open geo © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net