基于FPGA的真彩VGA显示的实现

Mif文件在FPGA中的应用，主要是在RAM，ROM中，一般用来存储字模、波形数据、信号采样、数据序列等，可以看做是C语言中的数组，用来存储数据。Bingo当年也是郁闷的很啊，当年做电子琴，在Quartus II Memory Initialzation File 也手动写过曲谱的mif文件。眼睛都花了；曾经做过波形发生器，有康芯的Guagle的支持，很方便；对于VGA字符图片显示，字模数据的庞大，Bingo最后通过C语言，根据mif格式，设计了软件，今天定格。

一、讲真彩显示的理由：

毕竟这是电脑的液晶，为啥我们就不能做的想电脑一样显示彩色的图片呢？只是单纯的显示线条，字符，感觉还是在玩LCD1602、LCD12864似地，不爽，不爽，灰常的不爽。那么大的VGA，不做点像样的东西，还真的很不甘心。

视觉的冲击，真彩的诱惑，内心的萌动，如果你是个不愿意放弃的人，没做到真彩显示，我想，你应该不会那么踏实；如果你是一个对视觉有冲动的人，单调的VGA驱动，决不会甘心。Bingo当年就是很不爽，为了那一刻，走一步，再走一步，潜行了很久，终于在某年某月某一天，视觉暂留于荧光屏，彩色的诱惑，阻隔了前面的世界，历史从此定格。

本章将讲述VGA真彩显示的设计，通过硬件设计，软件设计，以及各种不同的方案来讲解，同时通过对Bingo设计的真彩显示的一个工程稍做分析；最后展望未来，继续走下一步，视觉暂留的我们不能就此停下脚步，，风雨兼程决不放弃，接下来要做的将会更多更多，其实这才是真正的开始。

二、真彩显示的要求

1、数据的流通

要想在VGA上显示一张彩色的图片，就必须有充足的条件。简单的说，那就必须要有图片数据源、要能实现数据缓存，最后以标准的时序给VGA刷屏。整体流程如下图所示：

（1）外部数据源，由CPU捕获

（2）由CPU捕获的数据，缓存与SRAM或者SDRAM等显存

（3）由CPU控制VGA状态，以固定的时序给VGA刷屏

关于标准时序给VGA刷屏也就是以上的（3），Bingo在前面两张已经讲的非常清楚，掌握的朋友应该可以应用自如了。前文中VGA的驱动没有数据源（暂且认为Mif文件的数据属于逻辑电路的描述），我们只是用FPAG逻辑描述的电路，给VGA固定坐标显示固定的内容。因此，这一章的关键是将VGA刷屏的数据源，以及数据缓存处理，Bingo通过分析数据流通渠道来分析VGA真彩图像显示的技术。

2、色彩的识别

关于图像的格式，有JPEG、BMP、PNG等多种格式；图像的位数，也有单色、4灰、256色、4096色、16位真彩色、24位真彩色、32位真彩色这几种。

有一种方法是直接通过读取存放于SD卡、U盘等移动数据的图片，通过图片解码来得到图像数据，真彩显示。FPGA并行数据输出，经过数模转换（电阻网络转换或者视频转换芯片），得到16位以上的VGA数据。人眼不能分辨的极限，至少也需要16位真彩色。16位以上的数据，24位、32位，人眼基本无法分辨清楚，因此，要求不是很高的情况下16位真彩色已经足够胜任。

前面讲过的VGA驱动，最基本的分辨率有如下三种：

（1）VGA_640_480_60FPS_25MHz

（2）VGA_800_600_72FPS_50MHz

（3）VGA_1024_768_60FPS_65MHz

可见，至少25MHz的速度刷屏，需要我们在软件中实现显卡刷屏的功能；在最小图片容量即（1）模式下的数据量是640*480*16 = 4915200Bits = 600KB，在（3）模式下的数据量是1024*768*16 = 1.5MB。如此大的图片数据，需要有如此容量的缓存区。

综上，也就是说，要实现真彩图像VGA显示，第一需要16位以上的VGA驱动电路，第二需要足够的容量来存放图片。

三、各种方案的汇总

1. 静态数据源

所谓静态数据源，就是数据已经保存在系统中，不能再改变的的数据源。为了显示真彩图像，我们可以将图像数据存放于SDRAM，或者Flash，从而通过读取IC上已经存储的图像数据，显存于SRAM，利用前面Bingo设计的VGA可移植模块驱动刷屏，实现真彩图像的显示。基本的架构就是：

FPGA + 静态数据源 + SDRAM/SRAM + VGA

当然此处数据存放于SDRAM，我们可以用Nios II 的C存放于数组，通过JTAG下载；FLASH中的数据，我们可以用Nios II 中的 Flash Programmer来完成配置。关于SDRAM中存放图像数据来实现真彩图像时最基本最简单的方法，Bingo将会在后文讲解。

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2. 动态数据源

所谓动态数据源，就是可以实时传输数据来改变显示的数据源。这关系数据传输的终端，以及数据传输的通道。基本的架构就是：

FPGA + 动态数据源 + SDRAM/SRAM + VGA

（1）前面章节中Bingo讲过的UART/USB硬核的编写，或者直接利用Quatus II 偏上系统的UART/USB软核，来作为动态数据通道。在这里可以应用，我们把PC当做智能终端，通过电脑处理，输出图片数据，更新SDRAM/SRAM内容，实时刷屏，从而更新VGA内容。当然由于带宽的限制，UART不可能达到实时显示，而USB则可以达到实时传输，但较UART接口的定义要稍微复杂。

（2）当然也不排除网络传输来作为动态数据源通道，实现动态真彩图片的显示。只是目前而言，可能难度有点大，但这只是时间问题。

（3）在这就是将图片数据存放于SD卡，通过驱动SD卡来缓存图片数据，然后刷屏显示真彩图像。

（4）此外，如果你玩过摄像头或者你想玩摄像头，我们也可以将摄像头作为外部数据源，来采集图像，传输至SDRAM/SRAM，提供给VGA刷屏，更是不错的方案。此方案关键在于摄像头的驱动，以及数据的处理，当硬件满足要求的情况下。实时显示，不在话下，因此受到了很多人的青睐。以下就是通过摄像头采集数据，实时显示的软件设计流程图：

这个方案实际应用中已经很多，Bingo在未来某一天会详细讲解视频图像采集、识别、处理的，敬请稍候……

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三、网上NB链接

VGA数码相框DIY-特权‘s Blog——永远忠于年轻时的梦想！

http://blog.ednchina.com/ilove314/33563/category.aspx

申酷！cpld+sdram方案 控制800480 7寸屏的相关资料，stm32底层函数驱动

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4355445&bbs_id=3020

曾经深受很多人打击的的 cpld+sdram tft控制器成功了

http://bbs.21ic.com/images/default/qq.gif

祝贺CPLD+SRAM完美现实TFT屏驱动！视频见证效果

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4269377&bbs_page_no=1&bbs_id=1029

终于看到了希望——基于美女的VGA系统构架 - CrazyBingo - 博客园.mht

http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/12/01/1892610.html

终于看到了希望——基于美女的VGA系统构架 - CrazyBingo - Ouravr论坛

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4437397&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=hanbin08041813&bbs_id=9999

四、Bingo的设计

1. 硬件设计

（1）16Bits RGB通道：真彩数据VGA接口。第十四章讲过VGA接口设计，要得到真彩数据，可以用电阻网络模拟，或者视频转换芯片来得到多路数字通道，此处Bingo采用了视频转换芯片ADV7120KST50，原理图如下：

（2）SDRAM：Nios II 内存存储芯片，Bingo此处采用了HY57V641620 SDRAM，硬件原理图如下：

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（3）SRAM：VGA刷屏数据显存IC，此处采用了ISSI的IS61LV51216AL-10TI 作为高速显存芯片。

2. 软件设计

如上图所示，Bingo设计的真彩图像显示的工程的RTL图。

这应该算是真彩显示的最简单的设计吧，将图像数据随Nios II配置JTAG下载SDRAM，再读取专一值SRAM，刷屏实现真彩图像的VGA显示。本工程的软件架构如下，主要用了以下这几个模块：

 

3. 注意问题

关于CPU传输数据给Sram_Ctrl模块，Bingo采用了模拟6800总线协议，来对数据进行交换处理。当然若有更好的方案，您可以自行设计协议，Verilog相当的灵活。

关于时钟的处理，由于设计中设计到了大量数据的传输，时序上需要严谨，因此要严格处理好CPU与Verilog的跨时钟、VGA刷屏时钟、复位信号等的协调，以及稳态亚稳态，甚至时序约束。