FPGA——基于VGA协议显示彩条、图片、字符

前言

本篇博客主要是深入了解VGA协议，理解不同显示模式下的VGA控制时序参数（行频、场频、水平/垂直同步时钟周期、显示后沿/前沿等概念和计算方式）。并通过Verilog编程，实现以下VGA显示：1、屏幕上显示彩色条纹；2、显示自定义的汉字字符；3、输出一幅彩色图像。

一、VGA协议

VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是 IBM 于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点。VGA 接口不但是CRT 显示设备的标准接口，同样也是 LCD 液晶显示设备的标准接口，具有广泛的应用范围。
使用原理：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，从左向右逐点扫描，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，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，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。在此我们选择逐行扫描的方式。
VGA时序图：

而通过FPGA芯片驱动VGA显示，需要先产生模拟信号，这就要借助数模转换器D/A，利用D/A产生模拟信号，输出至VGA的RED、GREEN、BLUE基色数据线。另一种方法是利用电阻网络分流模拟D/A实现的。

二、VGA显示字符

1、取模

该部分需要使用汉字点阵，对汉字进行取模，与之前的OLED的汉字显示同理，可以参考：STM32完成基于SPI协议的0.96OLED屏显
使用取模软件提取汉字点阵：

说明：这里使用点阵显示时，汉字是16x16点阵，而符号或是数字或是英文字母是32x16点阵。
点阵拼接时，用第一个字的前4位拼上下一个字的前4位…一直到最后一个字，它们构成VGA显示的一行。

2、代码实现

module VGA_test(
OSC_50,     //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK,    //VGA自时钟
VGA_HS,     //行同步信号
VGA_VS,     //场同步信号
VGA_BLANK,  //复合空白信号控制信号  当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平，此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC,   //符合同步控制信号      行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R,      //VGA绿色
VGA_B,      //VGA蓝色
VGA_G);     //VGA绿色
 input OSC_50;     //外部时钟信号CLK2_50
 output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;
 output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;
 parameter H_FRONT = 16;     //行同步前沿信号周期长
 parameter H_SYNC = 96;      //行同步信号周期长
 parameter H_BACK = 48;      //行同步后沿信号周期长
 parameter H_ACT = 640;      //行显示周期长
 parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK;        //行空白信号总周期长
 parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT;  //行总周期长耗时
 parameter V_FRONT = 11;     //场同步前沿信号周期长
 parameter V_SYNC = 2;       //场同步信号周期长
 parameter V_BACK = 31;      //场同步后沿信号周期长
 parameter V_ACT = 480;      //场显示周期长
 parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK;        //场空白信号总周期长
 parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT;  //场总周期长耗时
 reg [10:0] H_Cont;        //行周期计数器
 reg [10:0] V_Cont;        //场周期计数器
 wire [7:0] VGA_R;         //VGA红色控制线
 wire [7:0] VGA_G;         //VGA绿色控制线
 wire [7:0] VGA_B;         //VGA蓝色控制线
 reg VGA_HS;
 reg VGA_VS;
 reg [10:0] X;             //当前行第几个像素点
 reg [10:0] Y;             //当前场第几行
 reg CLK_25;
 always@(posedge OSC_50)
    begin 
      CLK_25=~CLK_25;         //时钟
    end 
    assign VGA_SYNC = 1'b0;   //同步信号低电平
    assign VGA_BLANK = ~((H_Cont<H_BLANK)||(V_Cont<V_BLANK));  //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时，空白信号低电平
    assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反
    assign CLK_to_DAC = CLK_25;
 always@(posedge CLK_to_DAC)
    begin
        if(H_Cont<H_TOTAL)           //如果行计数器小于行总时长
            H_Cont<=H_Cont+1'b1;      //行计数器+1
        else H_Cont<=0;              //否则行计数器清零
        if(H_Cont==H_FRONT-1)        //如果行计数器等于行前沿空白时间-1
            VGA_HS<=1'b0;             //行同步信号置0
        if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1
            VGA_HS<=1'b1;             //行同步信号置1
        if(H_Cont>=H_BLANK)          //如果行计数器大于等于行空白总时长
            X<=H_Cont-H_BLANK;        //X等于行计数器-行空白总时长   （X为当前行第几个像素点）
        else X<=0;                   //否则X为0
    end
 always@(posedge VGA_HS)
    begin
        if(V_Cont<V_TOTAL)           //如果场计数器小于行总时长
            V_Cont<=V_Cont+1'b1;      //场计数器+1
        else V_Cont<=0;              //否则场计数器清零
        if(V_Cont==V_FRONT-1)       //如果场计数器等于场前沿空白时间-1
            VGA_VS<=1'b0;             //场同步信号置0
        if(V_Cont==V_FRONT+V_SYNC-1) //如果场计数器等于行前沿+场同步-1
            VGA_VS<=1'b1;             //场同步信号置1
        if(V_Cont>=V_BLANK)          //如果场计数器大于等于场空白总时长
            Y<=V_Cont-V_BLANK;        //Y等于场计数器-场空白总时长    （Y为当前场第几行）  
        else Y<=0;                   //否则Y为0
    end
    reg valid_yr;
 always@(posedge CLK_to_DAC)
    if(V_Cont == 10'd32)         //场计数器=32时
        valid_yr<=1'b1;           //行输入激活
    else if(V_Cont==10'd512)     //场计数器=512时
        valid_yr<=1'b0;           //行输入冻结
    wire valid_y=valid_yr;       //连线   
    reg valid_r;            
 always@(posedge CLK_to_DAC)   
    if((H_Cont == 10'd32)&&valid_y)     //行计数器=32时
        valid_r<=1'b1;                   //像素输入激活
    else if((H_Cont==10'd512)&&valid_y) //行计数器=512时 
        valid_r<=1'b0;                   //像素输入冻结
    wire valid = valid_r;               //连线
    wire[10:0] x_dis;     //像素显示控制信号
    wire[10:0] y_dis;     //行显示控制信号
    assign x_dis=X;       //连线X
    assign y_dis=Y;       //连线Y
        parameter

    char_line00=240'h010010400000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line01=240'h010010400000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line02=240'h7FFCFE780000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line03=240'h03801088000007F00FE000800FE007E01FFC07E007F007E00FE000800080,
    char_line04=240'h05407C100000081830180780301818183008181808181818301807800780,
    char_line05=240'h092011FC0000100038180180300C381C2010381C1000381C381801800180,
    char_line06=240'h3118FE240000300000180180700C300C0020300C3000300C001801800180,
    char_line07=240'hC10600247FFE37F000600180301C300C0040300C37F0300C006001800180,
    char_line08=240'h0FE07DFE0000380C01F00180382C300C0080300C380C300C01F001800180,
    char_line09=240'h004044240000300C001801800FCC300C0180300C300C300C001801800180,
    char_line0a=240'h00807C240000300C000C0180001C300C0300300C300C300C000C01800180,
    char_line0b=240'hFFFE45FC0000300C380C01800018381803003818300C3818380C01800180,
    char_line0c=240'h01007C24000018183018018038301C1003801C1018181C10301801800180,
    char_line0d=240'h01004420000007E00FE00FF80FC007E0030007E007E007E00FE00FF80FF8,
    char_line0e=240'h050054A00000000000000000000000000000000000000000000000000000,
    char_line0f=240'h020048400000000000000000000000000000000000000000000000000000;

    reg[7:0] char_bit;
    always@(posedge CLK_to_DAC)
        if(X==10'd180)char_bit<=9'd240;   //当显示到144像素时准备开始输出图像数据
        else if(X>10'd180&&X<10'd420)     //左边距屏幕144像素到416像素时    416=144+272（图像宽度）
            char_bit<=char_bit-1'b1;       //倒着输出图像信息
            
    reg[29:0] vga_rgb;                //定义颜色缓存
    always@(posedge CLK_to_DAC) 
        if(X>10'd180&&X<10'd420)    //X控制图像的横向显示边界：左边距屏幕左边144像素  右边界距屏幕左边界416像素
            begin case(Y)            //Y控制图像的纵向显示边界：从距离屏幕顶部160像素开始显示第一行数据
                10'd200:
                if(char_line00[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;  //如果该行有数据 则颜色为红色
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;                      //否则为黑色
                10'd201:
                if(char_line01[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd202:
                if(char_line02[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd203:
                if(char_line03[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd204:
                if(char_line04[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 
                10'd205:
                if(char_line05[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd206:
                if(char_line06[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 
                10'd207:
                if(char_line07[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd208:
                if(char_line08[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 
                10'd209:
                if(char_line09[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd210:
                if(char_line0a[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd211:
                if(char_line0b[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd212:
                if(char_line0c[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd213:
                if(char_line0d[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd214:
                if(char_line0e[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                10'd215:
                if(char_line0f[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;
                else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;
                default:vga_rgb<=30'h0000000000;   //默认颜色黑色
            endcase 
        end
    else vga_rgb<=30'h000000000;             //否则黑色
    assign VGA_R=vga_rgb[23:16];
    assign VGA_G=vga_rgb[15:8];
    assign VGA_B=vga_rgb[7:0];
endmodule

三、VGA显示彩色条纹

采用模块化设计：
VGA驱动模块

`define vga_640_480

`include "vga_para.v"

module vga_ctrl(
    input                 clk         ,//时钟信号 //25.2MHZ
    input                 rst_n       ,//复位信号
    input         [23:0]  data_disp   ,

    output  reg   [10:0]  h_addr      ,//数据有效显示区域行地址
    output  reg   [10:0]  v_addr      ,//数据有效显示区域场地址

    output  reg           vsync       ,
    output  reg           hsync       ,

    output  reg   [7 :0]  vga_r       ,
    output  reg   [7 :0]  vga_b       ,
    output  reg   [7 :0]  vga_g       ,
    output  wire          vga_blk     ,
    output  wire          vga_sync    ,
    output  reg           vga_clk      //25.2MHZ
);

//参数定义
    parameter   H_SYNC_START = 1,
                H_SYNC_STOP  = `H_Sync_Time ,
                H_DATA_START = `H_Sync_Time + `H_Back_Porch + `H_Left_Border,
                H_DATA_STOP  = `H_Sync_Time + `H_Back_Porch + `H_Left_Border + `H_Data_Time,

                V_SYNC_START = 1,
                V_SYNC_STOP  = `V_Sync_Time,
                V_DATA_START = `V_Sync_Time + `V_Back_Porch + `V_Top_Border,
                V_DATA_STOP  = `V_Sync_Time + `V_Back_Porch + `V_Top_Border + `V_Data_Time;

//信号定义
    reg     [11:0]  cnt_h_addr  ;//行地址计数器
    wire            add_h_addr  ;
    wire            end_h_addr  ;

    reg     [11:0]  cnt_v_addr  ;//长地址计数器
    wire            add_v_addr  ;
    wire            end_v_addr  ;

    assign vga_sync = 1'b0;

    assign vga_blk = ~((cnt_h_addr<`H_Front_Porch + `H_Sync_Time + `H_Back_Porch)||(cnt_v_addr<`V_Front_Porch + `V_Sync_Time + `V_Back_Porch)); 

    always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            cnt_h_addr <= 12'd0;
        end
        else if(add_h_addr)begin
            if(end_h_addr)begin
                cnt_h_addr <= 12'd0;
            end
            else begin
                cnt_h_addr <= cnt_h_addr + 12'd1;
            end
        end
        else begin
            cnt_h_addr <= 12'd0;
        end
    end

    assign add_h_addr = 1'b1;
    assign end_h_addr = add_h_addr && cnt_h_addr == `H_Total_Time - 1;

    always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            cnt_v_addr <= 12'd0;
        end
        else if(add_v_addr)begin
            if(end_v_addr)begin
                cnt_v_addr <= 12'd0;
            end
            else begin
                cnt_v_addr <= cnt_v_addr + 12'd1;
            end
        end
        else begin
            cnt_v_addr <= cnt_v_addr;
        end
    end

    assign add_v_addr = end_h_addr;
    assign end_v_addr = add_v_addr && cnt_v_addr == `V_Total_Time - 1;

    //行场同步信号
    always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            hsync <= 1'b1;
        end
        else if(cnt_h_addr == H_SYNC_START - 1)begin
            hsync <= 1'b0;
        end
        else if(cnt_h_addr == H_SYNC_STOP - 1)begin
            hsync <= 1'b1;
        end
        else begin
            hsync <= hsync;
        end
    end

    always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            vsync <= 1'b1;
        end
        else if(cnt_v_addr == V_SYNC_START - 1)begin
            vsync <= 1'b0;
        end
        else if(cnt_v_addr == V_SYNC_STOP - 1)begin
            vsync <= 1'b1;
        end
        else begin
            vsync <= vsync;
        end
    end

    always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            vga_clk =0;
        end
        else begin
            vga_clk = ~vga_clk;
        end
    end 

    //数据有效显示区域定义
    always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            h_addr <= 11'd0;
        end
        else if((cnt_h_addr >= H_DATA_START - 1) &&( cnt_h_addr <= H_DATA_STOP - 1))begin
            h_addr <= cnt_h_addr - H_DATA_START - 1;
        end
        else begin
            h_addr <= 11'd0;
        end
    end

    always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            v_addr <= 11'd0;
        end
        else if((cnt_v_addr >= V_DATA_START - 1) && (cnt_v_addr <= V_DATA_STOP - 1))begin
            v_addr <= cnt_v_addr - V_DATA_START -1;
        end
        else begin
            v_addr <= 11'd0;
        end
    end

    //显示数据
    always@(posedge vga_clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            vga_r <= 8'b0;
            vga_g <= 8'b0;
            vga_b <= 8'b0;
        end
        else if((cnt_h_addr >= H_DATA_START - 1) &&( cnt_h_addr <= H_DATA_STOP - 1) 
                && (cnt_v_addr >= V_DATA_START - 1) && (cnt_v_addr <= V_DATA_STOP - 1))begin
            vga_r <= data_disp[23:16];
            vga_g <= data_disp[15: 8];
            vga_b <= data_disp[7 : 0];
        end
        else begin
            vga_r <= 8'b0;
            vga_g <= 8'b0;
            vga_b <= 8'b0;
        end
    end

endmodule

生成数据：

module data_gen(
    input                   clk     ,//时钟信号
    input                   rst_n   ,//复位信号

    input       [10:0]      h_addr  ,//数据有效显示区域地址
    input       [10:0]      v_addr  ,//数据有效显示区域地址
    
    output  reg [23:0]      data_disp        
);
//参数定义
    parameter   BLACK       = 24'h000000,
                RED         = 24'hFF0000,
                GREEN       = 24'h00FF00,
                BLUE        = 24'h0000FF,
                YELLOW      = 24'hFFFF00,
                SKY_BULE    = 24'h00FFFF,
                PURPLE      = 24'hFF00FF,
                GREY        = 24'hC0C0C0,
                WIGHT       = 24'hFFFFFF;

    always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            data_disp <= BLACK;
        end
        else begin
            case(h_addr)
                0  : data_disp <= RED;
                80 : data_disp <= GREEN;
                160: data_disp <= BLUE;
                240: data_disp <= YELLOW;
                320: data_disp <= SKY_BULE;
                400: data_disp <= PURPLE;
                480: data_disp <= GREY;
                560: data_disp <= WIGHT;
                default:data_disp <= data_disp;
            endcase
        end
    end


endmodule

顶层文件：

module vga_top(
    input                  clk         ,//时钟信号
    input                  rst_n       ,//复位信号
  
    output  wire           vsync       ,
    output  wire           hsync       ,
    output  wire   [7 :0]  vga_r       ,
    output  wire   [7 :0]  vga_b       ,
    output  wire   [7 :0]  vga_g       ,
    output                 vga_blk     ,
    output  wire           vga_sync    ,
    output                 vga_clk                  
);
    wire     [23:0]      data_disp   ;

    wire     [10:0]      h_addr      ;
    wire     [10:0]      v_addr      ;


data_gen u_data_gen(
    .clk        (vga_clk    ),//时钟信号
    .rst_n      (rst_n      ),//复位信号
    
    .h_addr     (h_addr     ),//数据有效显示区域地址
    .v_addr     (v_addr     ),//数据有效显示区域地址
        
    .data_disp  (data_disp  )        
);

vga_ctrl u_vga_ctrl(
    .clk         (clk       ),//时钟信号 25.2MHZ
    .rst_n       (rst_n     ),//复位信号
    .data_disp   (data_disp ),

    .h_addr      (h_addr    ),//数据有效显示区域行地址
    .v_addr      (v_addr    ),//数据有效显示区域场地址

    .vsync       (vsync     ),
    .hsync       (hsync     ),

    .vga_r       (vga_r     ),
    .vga_b       (vga_b     ),
    .vga_g       (vga_g     ),
    .vga_blk     (vga_blk   ),
    .vga_sync    (vga_sync  ),
    .vga_clk     (vga_clk   )
);

endmodule

运行效果：

四、VGA显示彩色图片

由于VGA的驱动程序显示的格式为RGB565，因此我们需要将图片转化为ROM可以存储的格式，然后VGA驱动程序从ROM中读取数据，输出到VGA显示屏显示。使用软件将bmp格式图片转换为hex文件。

建立Quartus工程，将生成的文件保存在ROM中。

取出数据：

module data_drive (
    input			wire						vga_clk,
    input			wire						rst_n,
    input			wire		[ 11:0 ]		addr_h,
    input			wire		[ 11:0 ]		addr_v,
    output			reg		    [ 15:0 ]		rgb_data
);

localparam	black  = 16'd0;

parameter	height = 48; // 图片高度
parameter	width  = 48; // 图片宽度

reg			[ 13:0 ]		rom_address				; // ROM地址
wire		[ 15:0 ]		rom_data				; // 图片数据

wire						flag_enable_out2			; // 图片有效区域
wire						flag_clear_rom_address		; // 地址清零
wire						flag_begin_h			    ; // 图片显示行
wire						flag_begin_v			    ; // 图片显示列


always @( posedge vga_clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)begin
        rgb_data = black;
    end
    else if ( flag_enable_out2 ) begin
        rgb_data = rom_data;
    end
    else begin
        rgb_data = black;
    end
end

//ROM地址计数器
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        rom_address <= 0;
    end
    else if ( flag_clear_rom_address ) begin //计数满清零
        rom_address <= 0;
    end
        else if ( flag_enable_out2 ) begin  //在有效区域内+1
        rom_address <= rom_address + 1;
        end
    else begin  //无效区域保持
        rom_address <= rom_address;
    end
end
assign flag_clear_rom_address = rom_address == height * width - 1;
assign flag_begin_h     = addr_h > ( ( 640 - width ) / 2 ) && addr_h < ( ( 640 - width ) / 2 ) + width + 1;
assign flag_begin_v     = addr_v > ( ( 480 - height )/2 ) && addr_v <( ( 480 - height )/2 ) + height + 1;
assign flag_enable_out2 = flag_begin_h && flag_begin_v;

//实例化ROM
rom	rom_inst (
.address    ( rom_address   ),
.clock      ( vga_clk       ),
.q          ( rom_data      )
);
endmodule

VGA驱动：

module vga_display_pic (
    input			wire					clk,      //系统时钟
    input			wire					rst_n,    //复位
    input			wire	[ 15:0 ]		rgb_data, //16位RGB对应值
    output			wire					vga_clk,  //vga时钟 25M
    output			reg						h_sync,   //行同步信号
    output			reg						v_sync,   //场同步信号
    output			reg		[ 11:0 ]		addr_h,   //行地址
    output			reg		[ 11:0 ]		addr_v,   //列地址
    output			wire	[ 4:0 ]		    rgb_r,    //红基色
    output			wire	[ 5:0 ]			rgb_g,    //绿基色
    output			wire	[ 4:0 ]			rgb_b     //蓝基色
);

// 640 * 480 60HZ
localparam	 H_FRONT = 16; // 行同步前沿信号周期长
localparam	 H_SYNC  = 96; // 行同步信号周期长
localparam	 H_BLACK = 48; // 行同步后沿信号周期长
localparam	 H_ACT   = 640; // 行显示周期长
localparam	 V_FRONT = 11; // 场同步前沿信号周期长
localparam	 V_SYNC  = 2; // 场同步信号周期长
localparam	 V_BLACK = 31; // 场同步后沿信号周期长
localparam	 V_ACT   = 480; // 场显示周期长

localparam	H_TOTAL = H_FRONT + H_SYNC + H_BLACK + H_ACT; // 行周期
localparam	V_TOTAL = V_FRONT + V_SYNC + V_BLACK + V_ACT; // 列周期

reg			[ 11:0 ]			cnt_h			; // 行计数器
reg			[ 11:0 ]			cnt_v			; // 场计数器
reg			[ 15:0 ]			rgb			; // 对应显示颜色值

// 对应计数器开始、结束、计数信号
wire							flag_enable_cnt_h			;
wire							flag_clear_cnt_h			;
wire							flag_enable_cnt_v			;
wire							flag_clear_cnt_v			;
wire							flag_add_cnt_v  			;
wire							valid_area      			;


// 25M时钟
wire							clk_25			;
// 50M时钟
wire							clk_50			;
wire                            locked          ;
//PLL
pll	pll_inst (
	.areset     ( ~rst_n    ),
	.inclk0     ( clk       ),
	.c0         ( clk_50    ), //50M
	.c1         ( clk_25    ), //25M
    .locked     (locked     )
	);
//根据不同分配率选择不同频率时钟
assign vga_clk = clk_25;


// 行计数
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        cnt_h <= 0;
    end
    else if ( flag_enable_cnt_h ) begin
        if ( flag_clear_cnt_h ) begin
            cnt_h <= 0;
        end
        else begin
            cnt_h <= cnt_h + 1;
        end
    end
    else begin
        cnt_h <= 0;
    end
end
assign flag_enable_cnt_h = 1;
assign flag_clear_cnt_h  = cnt_h == H_TOTAL - 1;

// 行同步信号
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        h_sync <= 0;
    end
    else if ( cnt_h == H_SYNC - 1 ) begin // 同步周期时为1
        h_sync <= 1;
    end
        else if ( flag_clear_cnt_h ) begin // 其余为0
        h_sync <= 0;
        end
    else begin
        h_sync <= h_sync;
    end
end

// 场计数
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        cnt_v <= 0;
    end
    else if ( flag_enable_cnt_v ) begin
        if ( flag_clear_cnt_v ) begin
            cnt_v <= 0;
        end
        else if ( flag_add_cnt_v ) begin
            cnt_v <= cnt_v + 1;
        end
        else begin
            cnt_v <= cnt_v;
        end
    end
    else begin
        cnt_v <= 0;
    end
end
assign flag_enable_cnt_v = flag_enable_cnt_h;
assign flag_clear_cnt_v  = cnt_v == V_TOTAL - 1;
assign flag_add_cnt_v    = flag_clear_cnt_h;

// 场同步信号
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        v_sync <= 0;
    end
    else if ( cnt_v == V_SYNC - 1 ) begin
        v_sync <= 1;
    end
        else if ( flag_clear_cnt_v ) begin
        v_sync <= 0;
        end
    else begin
        v_sync <= v_sync;
    end
end

// 对应有效区域行地址 1-640
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        addr_h <= 0;
    end
    else if ( valid_area ) begin
        addr_h <= cnt_h - H_SYNC - H_BLACK + 1;
    end
    else begin
        addr_h <= 0;
    end
end
// 对应有效区域列地址 1-480
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        addr_v <= 0;
    end
    else if ( valid_area ) begin
        addr_v <= cnt_v -V_SYNC - V_BLACK + 1;
    end
    else begin
        addr_v <= 0;
    end
end
// 有效显示区域
assign valid_area = cnt_h >= H_SYNC + H_BLACK && cnt_h <= H_SYNC + H_BLACK + H_ACT && cnt_v >= V_SYNC + V_BLACK && cnt_v <= V_SYNC + V_BLACK + V_ACT;


// 显示颜色
always @( posedge vga_clk or negedge rst_n ) begin
    if ( !rst_n ) begin
        rgb <= 16'h0;
    end
    else if ( valid_area ) begin
        rgb <= rgb_data;
    end
    else begin
        rgb <= 16'b0;
    end
end
assign rgb_r = rgb[ 15:11 ];
assign rgb_g = rgb[ 10:5 ];
assign rgb_b = rgb[ 4:0 ];

endmodule

顶层模块：

module vga_top (
    input			wire						clk,
    input			wire						rst_n,
    output			wire						vga_clk,
    output			wire						h_sync,
    output			wire						v_sync,
    output			wire		[ 4:0 ]			rgb_r,
    output			wire		[ 5:0 ]			rgb_g,
    output			wire		[ 4:0 ]			rgb_b
);

wire		[ 11:0 ]		    addr_h              ;
wire		[ 11:0 ]		    addr_v              ;
wire		[ 15:0 ]			rgb_data			;

//模块例化
vga_display_pic (
    .clk        (clk        ),
    .rst_n      (rst_n      ),
    .rgb_data   (rgb_data   ),
    .vga_clk    (vga_clk    ),
    .h_sync     (h_sync     ),
    .v_sync     (v_sync     ),
    .addr_h     (addr_h     ),
    .addr_v     (addr_v     ),
    .rgb_r      (rgb_r      ),
    .rgb_g      (rgb_g      ),
    .rgb_b      (rgb_b      ) 
);

//数据模块
data_drive u_data_drive(
.vga_clk        ( vga_clk   ),
.rst_n          ( rst_n     ),
.addr_h         ( addr_h    ),
.addr_v         ( addr_v    ),
.rgb_data       ( rgb_data  )
);

endmodule

显示效果：

五、总结

学习VGA显示协议，首先要明白他的原理，可以把显示屏看为N*M大小的一个坐标系，为每个坐标分配一个RGB三通道的值，也就是每个像素，行场信号扫描的速度很快，就能连成一副完整的图像。图片显示只需要将数据存进ROM里，需要时取出来就能显示了。

六、参考资料

https://blog.csdn.net/junseven164/article/details/125165822
https://blog.csdn.net/qq_47281915/article/details/125134764文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-766632.html

到了这里，关于FPGA——基于VGA协议显示彩条、图片、字符的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！