本科毕业论文基于fpga的vga显示控制器设计管理资料.docx
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本科毕业论文基于fpga的vga显示控制器设计管理资料
基于FPFA的VGA显示控制器设计
摘要
目前，数码产品逐渐进入了人们生活的每一个领域，而此类产品大多都带有显示屏，可见对显示屏的控制电路进行研究具有很大的市场需求。
VGA作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用，同时基于VGA技术的显示控制器也拥有广泛的使用领域。
本文所设计的VGA控制器就是通过利用超大规模可编程逻辑器件FPGA和Altera公司开发的EDA设计软件QuartusII，并采用自顶向下的VHDL设计方法，将该控制器分成用VHDL语言进行描述的五个子模块来实现的。
在QuartusII，完成了对该控制器的设计输入、综合、仿真和下载。
在实验开发板上，也进行了硬件调试。
调试结果表明，设计的VGA控制器能够正确地输出RGB颜色信号和时序控制信号，可以显示符合VGA工业标准的测试彩条信号，内置ROM信息,实时RAM信息，还能够分屏显示三路RGB图像信息，并在这几种模式之间灵活切换和通断。
它工作稳定，达到了设计要求。
本设计利用了不同于以往传统的电子设计方法，具有修改灵活，高移植性，维护简单，可靠性好等优点。
大大地缩短了设计周期，降低了生产成本。
关键词 现场可编程门阵列；硬件描述语言；视频图像阵列
TheVGADisplayControllerDesignBasedonFPFA
Abstract
Thecurrently,thedigitalproductswhichmostofthemhaveadisplayscreenenteredineveryareaofpeople'slivesgradually,sowecanseethegreatmarketdemandofthestudyonthecontrolcircuit.Asastandarddisplayinterfacehasbeenwidelyused,theVGAdisplaycontrollerbasedonthisVGAnormalsohasabroadfieldofuseatthesametime.
Inthispaper,designedthroughtheuseofultra-large-scaleprogrammablelogicdevice-FPGAandAlteradevelopedEDAdesignsoftwareQuartusIIofversion,andtheVHDLtop-downdesignmethodology,theVGAcontrollerwasdividedintofivesub-moduleswhichdescribedwithVHDLlanguage.Ithasfinishedthedesignofthecontrollerinput,integrated,simulation,anddownloadonQuartusIIsoftwareplatform,andithascarriedouthardwaredebuggingontheexperimentaldevelopmentboard.TheresultsfromdebuggingshowedthatthedesignoftheVGAcontrollercanoutputthecolorsignalsofRGBandthecontrolsignalscorrectly.ItcanshowtheimagesthatcompliancewithindustrystandardofVGA,suchasthecolorbartestsignal,abuilt-ROMimage,andareal-timeRAMimage,butalsotoshowthethree-wayRGBimageinformationononescreenseparately,anditcanmakeachoicebetweenthesetypesofmodelsandcontroltheoutputconnectorworkStableandachievethedesignrequirements.
Withtheadvantageofeasilychange,highportability,easymaintenance,goodreliability,thisdesignisdifferentfromthetraditionalmethodofelectronicgreatlyshortthedesigncycleandreducetheproductioncosts.
Keywords FPGA；VHDL；VGA
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摘要……I
AbstractII
实现工具简介12
VHDL语言简介16
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第1章绪论
1.1课题背景
研究表明人的各种感觉器官从外界获得的信息中视觉占60%，听觉占20%，触觉占15%，味觉占3%，嗅觉占2%，近2/3的信息是通过眼睛获得的，从而图像显示成为传递信息最重要的方式，由此也就促进人们对显示以及控制技术的研究开发。
随着半导体技术、材料技术、微电子技术和加工工艺的发展，基于乘积项结构的CPLD以及基于查找表法的FPGA等超大规模可编程逻辑器件的产生。
它们的功能强大，逻辑资源丰富，编程方式简单先进，高速度，高可靠性，使用方便，开发简洁，维护简单，易学易用，开发周期和上市时间短以及节约开发成本等众多特点。
与此同时，EDA（ElectronicDesignAutomation）技术，即电子设计自动化技术也取得飞速发展。
它依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。
EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的设计。
这使得该技术成为了现代电子技术设计的核心。
它与这些超大规模可编程逻辑器件相结合，更是具备了开发SOPC（可编程片上系统）的实力，极大地改变了传统的ASIC等电子设计方法。
未来的电子设计更是在朝着这个方向发展。
目前，连接计算机与显示设备的主要接口是VGA接口，而且在较短的一段时间内VGA接口仍然会有很大的使用价值。
国内的现实设备绝大多数仍然是VGA显示类型的显示器，只有在诸如笔记本、数码相机等数码便携产品或者其他有特殊要求或更高端的产品中应用LCD等先进的显示设备来作为主要显示，但是为了跟其它的显示设备兼容互联，它也带有VGA接口；不仅如此在等离子电视、DVD、数字机顶盒等设备中都带有VGA接口。
同时，基于VGA技术的数码产品也逐渐进入到人们的生活中，例如手机、MP4等产品，这些产品中的显示屏都是利用VGA控制方式进行显示的。
可以见得，对VGA控制器的研究仍有着广泛的市场需求[1]。
1.2国内外文献综述
1.2.1显示技术的发展史
，用于测量仪器上显示快速变化的电信号。
后来经过显示材料及显示技术的发展，实现了从最简单的图象显示单元（即黑白两色或明暗两个状态点的集合），进一步发展到明暗程度可调，具有灰度等级的黑白显示，甚至引进红蓝绿三基色颜色模型，实现了彩色显示[2]。
到20世纪50年代，电视技术的发展成为显示技术发展的重要基础。
显示设备和显示软件构成了现代显示技术的基础。
显示设备分为电子束管型、平板型和投影型。
显示处理器是显示设备的重要部件，功能是对各种数据信息进行控制、处理等操作。
键盘、光笔、图形板等输入装置提供了人机交互的工具。
显示软件是在计算机系统软件的基础上编制而成的。
交互式显示设备的交互能力由图形软件实现。
在医疗、工程设计、办公自动化等方面显示软件得到广泛应用。
电子束管显示器件在显示技术中居主要地位，但各种平板显示器件（即矩阵显示）将得到迅速发展。
计算机显示技术的发展也将推动显示软件的发展。
到目前为止，从CRT到LCD、PDP、LED、OELD、FED及FPD等各种显示技术以及显示控制技术都在不断发展，不断完善，呈现出百花齐放，百家争鸣的景象。
每种显示技术都有其存在的优势，具有自己的市场定位和应用领域。
1.2.2各种显示器的显示原理
通过对不同的物理特性的技术应用，产生了不同显示原理的显示器。
这也就促进了显示控制技术的发展，拓宽了显示应用领域，这些显示器各有优点，适用于不同的领域，下面将分别介绍这些显示器及其显示原理：
CRT显示器的主体就是CRT显像管，CRT显像管是一种真空电子管，利用电子束轰击荧光屏来工作。
所以CRT必然包含三大部件：
发射电子并将它们会聚成细束的电子枪、使电子束在荧光屏上扫描的偏转系统、根据电子束能量强弱而发出不同亮度光的荧光屏。
在电子枪中，阴极的圆筒内装有灯丝，用来加热阴极，阴极受热后便能发射电子；控制极，又称栅极，它与阴极之间的电位差大小，将决定电子束的强弱；加速极加有500V左右的正电压，将阴极上的电子拉出来，并使电子加速射向荧光屏，通过调节此电压的大小，将影响显像管的亮度；聚焦极上面加有5KV左右的正电压，调节此电压的大小，可使聚焦良好，聚焦不良模糊图像；高压阳极上面加有25KV左右高压，此高压同时加到内导电层，形成一个均匀等电位空间，使阴极发射的电子高速轰击荧光屏上的荧光粉，就可以实现图像的显示。
CRT显示器占了显示器行业的很大比重，如电视机显示器等绝大多数都采用CRT显示技术。
与此同时，其它显示器也在迅速发展，与CRT显示器的差距正在逐步缩小。
物质有三态：
固态、液态和气态。
通常固体加热至溶点就变成透明的液体。
然而，有些有机材料并不是直接从固体转变为液体，而是经过中间状态，然后才转变为液体。
这种中间状态外观是流动性的混浊液体，同时又具有光学各向异性晶体所特有的双折射特性。
这种处于中间状态物质，一方面具有像液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有像晶体一样的各向异性，像这样的有序流体就是液晶。
从液晶分子排列的结构来看，液晶可分为向列相（Nematic）、胆甾相（Cholesteric）和近晶相（Smectic）三种类型。
向列相的分子具有一长的刚性中心部分，呈棒状，其一端或两端具有柔性尾链，分子取向是长程有序的，但分子质心的分布是无规则的；胆甾相的分子呈层状排列，每层中分子长轴大致平行，相邻两个平面上的分子长轴方向相差一确定角度，分子取向的扭转，使分子的排列呈螺旋状；近晶相的分子形成层状结构，层内分子长轴大致平行，层内分子的质心可呈无序状态，也可呈二维有序状态，较前两种具有更大的粘度。
液晶分子它柔软而易变形，受电场、磁场、温度、应力等外部作用时，比较容易重新排列，导致光学各向异性的各种特性也随之变化，这种柔软的分子排列是将其应用于显示器、光学器件、传感器等的基础[2]。
液晶显示器的工作原理就是自然光经过一偏振片后“过滤”为线性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距远比可见光波长大得多，所以当沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的线性偏振光入射后，其偏光方向在经过整个液晶层后会扭曲90°由另一侧射出，正交偏振片起到透光的作用；如果在液晶盒上施加一定值的电压，液晶长轴开始沿电场方向倾斜，当电压达到约2倍阈值电压后，除电极表面的液晶分子外，所有液晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列，这时90°旋光的功能消失，在正交偏振片间失去了旋光作用，使器件不能透光。
这就实现了对显示的控制。
液晶显示器具有平板式结构，显示信息量大，易于彩色化，寿命长，低电压，微功耗，无辐射和无污染等优点；但也存在显示视角小，响应速度慢，怕高温等缺点。
（等离子体显示器）显示原理
PDP是指所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。
它属于冷阴极放电管，其利用加在阴极和阳极间一定的电压，使气体产生辉光放电。
彩色PDP是通过气体放电发射的真空紫外线（VUV）,照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光来实现彩色显示。
等离子体显示板（PlasmaDisplayPanel,PDP）具有易于实现大屏幕，厚度薄，重量轻，具有高速响应特性，视角宽可达160度，伏安特性非线性强，有很陡的阀值特性，具有存储功能，无图像畸变，不受磁场干扰，工作于全数字化模式，可实现全彩显示和长寿命等优点。
其价格较高，主要用于公共场所。
投影显示是指由平面图像信息控制光源，利用光学系统和投影空间把图像放大并显示在屏幕上的方法或装置。
投影电视的显示方式与CRT显像管显示、液晶显示屏显示和等离子显示屏显示等的显示方式不同。
它是由光学成像系统最终来完成图像的显示。
如CRT三枪投影机，它主要是由三个CRT管组成。
CRT（CathodeRayTube）是阴极射线管，主要是由电子枪、偏转线圈及管屏组成。
为了使CRT管在屏幕上显示图像信息，CRT投影机把输入的信号源分解到R（红）、G（绿）、B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光，经过光学系统放大和会聚，在大屏幕上显示出彩色图像。
由于使用内光源，属于主动式投影方式。
经过大几十年的研究和开发，投影技术已经比较成熟，目前广泛地应用于宾馆、影院、会议室以及家庭中。
发光二极管简称为LED，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（molecule-baseddevice）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。
1.2.3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：
：
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720×350。
，场频为50Hz。
其信号接口采用9针D形接口。
：
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640×200，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320×200。
，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复合视频信号，因此可以用NTSC电视作计算机显示器。
：
EGA是当时的一种增补型图形适配器。
×350，，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。
：
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640×480，，场频为60-70Hz。
它可以兼容CGA，EGA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1024×768，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。
：
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：
640×480，800×600，1024×768，1280×1024，1600×1200等。
1.2.4VGA概述及其接口
VGA的英文全称是VideoGraphicsArray，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IBMPC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：
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640×480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（VideoElectronicsStandardsAssociation，视频电子标准协会）的SuperVGA模式，简称SVGA，它的体系结构与IBMVGA相同，其最显著的特点是具有高分辨率的显示功能和比IBMVGA更丰富的色彩显示能力。
它的主要显示模式有：
640×480，256颜色；800×600，16颜色；1024×768，16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之前，都必须支援VGA的标准。
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D-Sub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1-1所示，其管脚功能分配则如表1-1所示。
图1-1VGA接口及实物图
表1-1VGA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（DigitalVisualInterface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。
1.3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QuartusII。
然后，通过在QuartusII，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。
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。
2.1VGA显示控制
2.1.1VGA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
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