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--实验题号 : lab5
--项目名称 : VGA实验
--文件名 : VGA_640480.vhd
--作者 :
--班号. :
--创建日期 :
--目标芯片 : EP1C6Q240C8
--电路模式 : 模式5
--演示说明 : 输入时钟为clock0，50Mhz
-- 输出接VGA
-- 请在通电后先reset
-- 键1信号上升沿改变字符颜色
-- 键2信号上升沿改变字符
-- 键3开关控制字符y方向移动
-- 键4开关控制字符x方向移动
-- 键5开关控制字符闪烁
-- 键6开关控制字符边框
-- 键8 reset
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library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
entity vga640480 is
port(
address : out STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0); --连接ROM地址
reset : in STD_LOGIC;
q : in STD_LOGIC; --ROM数据的返回
clk : buffer std_logic; --分频后的25M时钟
clk_0 : in STD_LOGIC; --50M时钟输入
r,g,b : out STD_LOGIC; --颜色信号
hs,vs : out STD_LOGIC; --行同步、场同步信号
in_frame_switch : in STD_LOGIC; --加边框开关
in_blink_switch : in STD_LOGIC; --闪烁开关
in_enlarge_switch : in STD_LOGIC; --大字符开关
in_num_change : in STD_LOGIC; --改变显示的数值
in_color_change : in STD_LOGIC; --改变显示的颜色
in_v_x,in_v_y : in STD_LOGIC; --显示字符的是否向x,y方向位移
vga_syn : out STD_LOGIC;
vga_clk : out STD_LOGIC;
vga_blank : out STD_LOGIC
);
end vga640480;
architecture behavior of vga640480 is
signal r1,g1,b1 : std_logic;
signal hs1,vs1 : std_logic;
signal vector_x : std_logic_vector(9 downto 0); --扫描点X坐标
signal vector_y : std_logic_vector(8 downto 0); --扫描点Y坐标
signal target_x : std_logic_vector(9 downto 0); --字符左上角X坐标
signal target_y : std_logic_vector(8 downto 0); --字符左上角Y坐标
signal blink : std_logic; --闪烁控制信号
Shared Variable scancount,blinkcount : integer; --扫描点计数、扫屏数计数
Shared Variable color : std_logic_vector(2 downto 0); --当前显示颜色rgb
Shared Variable num : std_logic_vector(1 downto 0); --当前显示数字
begin
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process(clk_0) --对50M输入信号二分频
begin
if(clk_0'event and clk_0='1') then
clk <= not clk;
end if;
end process;
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process(clk,reset) --行区间像素数（含消隐区）
begin
if reset='0' then
vector_x <= (others=>'0');
elsif clk'event and clk='1' then
if vector_x=799 then
vector_x <= (others=>'0');
else
vector_x <= vector_x + 1;
end if;
end if;
end process;
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process(clk,reset) --场区间行数（含消隐区）
begin
if reset='0' then
vector_y <= (others=>'0');
elsif clk'event and clk='1' then
if vector_x=799 then
if vector_y=524 then
vector_y <= (others=>'0');
else
vector_y <= vector_y + 1;
end if;
end if;
end if;
end process;
-----------------------------------------------------------------------
process(clk,reset) --行同步信号产生（同步宽度96，前沿16）
begin
if reset='0' then
hs1 <= '1';
elsif clk'event and clk='1' then
if vector_x>=656 and vector_x<752 then
hs1 <= '0';
else
hs1 <= '1';
end if;
end if;
end process;
-----------------------------------------------------------------------
process(clk,reset) --场同步信号产生（同步宽度2，前沿10）
begin
if reset='0' then
vs1 <= '1';
elsif clk'event and clk='1' then
if vector_y>=490 and vector_y<492 then
vs1 <= '0';
else
vs1 <= '1';
end if;
end if;
end process;
-----------------------------------------------------------------------
process(clk,reset) --行同步信号输出
begin
if reset='0' then
hs <= '0';
elsif clk'event and clk='1' then
hs <= hs1;
end if;
end process;
-----------------------------------------------------------------------
process(clk,reset) --场同步信号输出
begin
if reset='0' then
vs <= '0';
elsif clk'event and clk='1' then
vs <= vs1;
end if;
end process;
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process(clk,reset) --扫描点计数、扫屏数计数，以及闪烁控制、字符显示位置控制
begin
if reset='0' then
target_x <= "0101000000";
target_y <= "011100000";
blink <= '0';
scancount := 0;
blinkcount := 0;
elsif clk'event and clk='1' then
scancount := scancount + 1;
if scancount >= 525*800 then
blinkcount := blinkcount + 1;
if (blinkcount = 20) then
blink <= NOT blink;
blinkcount := 0;
end if;
target_x <= target_x + in_v_x;
target_y <= target_y + in_v_y;
if target_x>=640-32 then
target_x <= "0000000000";
end if;
if target_y>=480-32 then
target_y <= "000000000";
end if;
scancount := 0;
end if;
end if;
end process;
-----------------------------------------------------------------------
process(in_num_change,reset) --改变数字
begin
if reset='0' then
num := "00";
elsif in_num_change'event and in_num_change='1' then
num := num + "01";
end if;
end process;
-----------------------------------------------------------------------
process(in_color_change,reset) --改变颜色
begin
if reset='0' then
color := "001";
elsif in_color_change'event and in_color_change='1' then
if color="111" then
color := "001";
else
color := color + "001";
end if;
end if;
end process;
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process(reset,clk,vector_x,vector_y) -- XY坐标定位控制
Variable temp_x : std_logic_vector(9 downto 0);
Variable temp_y : std_logic_vector(8 downto 0);
Variable size : integer;
begin
if reset='0' then
r1 <= '0';
g1 <= '0';
b1 <= '0';
elsif(clk'event and clk='1')then
if in_enlarge_switch='0' then --控制字符边长
size := 32;
else
size := 64;
end if;
--字符边框
if ((vector_x = target_x - 1 or vector_x = target_x + size + 3) and vector_y >= target_y - 1 and vector_y <= target_y + size + 3)
or ((vector_y = target_y - 1 or vector_y = target_y + size + 3) and vector_x >= target_x - 1 and vector_x <= target_x + size + 3) then
r1 <= color(2) AND (blink or NOT in_blink_switch) AND in_frame_switch;
g1 <= color(1) AND (blink or NOT in_blink_switch) AND in_frame_switch;
b1 <= color(0) AND (blink or NOT in_blink_switch) AND in_frame_switch;
else
r1 <= '0';
g1 <= '0';
b1 <= '0';
end if;
--显示字符
if vector_x >= target_x and vector_x < target_x + size and vector_y >= target_y and vector_y < target_y + size then
temp_y := vector_y-target_y;
temp_x := vector_x-target_x;
if in_enlarge_switch='0' then
address <= num & temp_y(4 downto 0) & temp_x(4 downto 0);
else
address <= num & temp_y(5 downto 1) & temp_x(5 downto 1);
end if;
if q = '0' then
r1 <= color(2) and (blink or NOT in_blink_switch);
g1 <= color(1) and (blink or NOT in_blink_switch);
b1 <= color(0) and (blink or NOT in_blink_switch);
else
r1 <= '0';
g1 <= '0';
b1 <= '0';
end if;
end if;
end if;
end process;
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--色彩输出
r <= r1 and hs1 and vs1;
g <= g1 and hs1 and vs1;
b <= b1 and hs1 and vs1;
vga_blank <= hs1 and vs1;
vga_clk <= clk;
vga_syn <= '0';
end behavior;
利用可编程器件CPLD/FPGA实现VGA彩色显示控制器在工业现场中有许多实际应用。以硬件描述语言VHDL对可编程器件进行功能模块设计、仿真综合，可实现VGA显示控制器显示各种图形、图像、文字，并实现了动画效果。
VGA 接口及设计参数
VGA接口是与显示器进行通信的唯一接口。通过CPLD/FPGA器件对RGB信号、行同步信号、场同步信号等信号的控制，并参照有关标准，可以实现对VGA显示器的控制。由此可见，了解接口标准，控制时序和设定恰当的参数是系统设计的关键。
参照VGA主要参数的工业标准，像素输出频率为25.175MHz；行频(线频率)为31.469KHz；场频(刷新率)为59.94Hz。参数设计原理以及行同步信号(Ts)与显示信号(Tdis)的关系如图1所示。
VGA 图像控制器的设计方案
VGA图像控制器是一个较大的数字系统。采用模块化设计原则，借鉴自顶而下的程序设计思想，进行功能分离并按层次设计。将VHDL硬件描述语言设计与原理图设计相结合，逐一对每个功能模块进行仿真，使顶层VGA图像控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过。VGA控制器主要由以下模块组成：消隐模块，显示模块，分频模块，网格生成模块，汉字显示模块，图像控制模块，动画生成模块，LPM-ROM调用模块，EEPROM调用模块等。功能模块的VHDL设计如下。
消隐模块
消隐模块是整个显示控制器的关键部分，显示模块、汉字模块、彩条模块、网格模块、动画控制模块、LPM-ROM调用模块等都由消隐模块控制，并且行同步信号(HS)和场同步信号(VS)都由该模块产生。
图2是消隐模块的仿真结果。由于CLK频率相当高，像素速率也很高，为了观察HS、VS信号，适当缩小了波形比例。其中， C[9..0]为像素坐标值，L[8..0]为扫描线信号，也就是像素的横坐标。
显示模块
显示模块是整个显示控制器的重要组成部分。各个模块的输出数据都要经过该模块处理后送到显示器。显示模块在VGA显示控制器中起着至关重要的作用。
显示模块的VHDL设计如下：
ARCHITECTURE BEHAVE OF DISPLAY IS
SIGNAL GRB: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1);
BEGIN
GRB(2)<=GRBP(2) AND HS AND VS;
GRB(3)<=GRBP(3) AND HS AND VS;
GRB(1)<=GRBP(1) AND HS AND VS;
R<=GRB(2);
G<=GRB(3);
B<=GRB(1);
END BEHAVE;
显示模块仿真波形如图3所示。
GRBP为三原色数据信号，由模式控制模块产生；行同步信号HS由消隐模块产生；场同步信号VS由消隐模块产生。输出的R、G、B信号分别为红色、绿色、蓝色信号。
显示模块的输出信号直接连到VGA接口，它是控制器与显示器进行通信的桥梁。该模块以VHDL语言实现，该模块中的结构体描述一共只用了6条语句。而要实现同样的功能，一般操作系统的视频卡驱动程序需要冗长的代码去描述。由此可见，VHDL语言具有很大的优越性。
汉字生成模块
汉字生成模块可实现在显示器上显示汉字、字符等。字模信息可以利用字模提取软件来获得，得到了汉字的字模信息后，可以通过屏幕上的横坐标和纵坐标按照字模信息定义像素的颜色，这样就可以显示任何字体、任何点阵的汉字，并根据需要决定汉字在屏幕上的位置。至于英文以及其他任何符号的显示原理与汉字显示的原理一样。
网格生成模块
网格生成模块用来编辑各种图形。网格生成模块的实现原理与汉字生成模块、彩条发生器类似，在像素的横坐标和纵坐标控制下，实现各种网格图形的生成。网格生成模块所产生的九种图形送显示器依次显示，所以可以看到网格由小到大逐渐变化，虽然不是动画效果，但每秒一帧画面的速度依然使图像连续变化呈现出动感。网格以及背景的颜色也可以随意设置。每帧图像的速率可由时钟来控制。
网格生成模块的主要功能是编辑各种图形，因此本模块可以按照设计方案生成各种各样的图形。网格的选择是一种比较简单的图像编辑，该部分虽然名为网格生成模块，但实际上可以编辑出多种彩色图像。
LPM-ROM调用模块
LPM是参数可设置模块库。本设计中调用了三个LPM-ROM，其中两个用来存放汉字信息，另一个用来存放动态彩条信息。调用LPM-ROM模块，一个重要的问题就是*.mif文件的生成。这里文件生成借助字模提取软件和WORD编辑功能。设置好参数后，生成元件作为自定义元件库中的元件以供调用。
LPM-ROM调用模块为不使用外挂ROM而建立字库提供了条件，直接调用LPM模块，可以大大提高效率。通过LPM-ROM可以在显示器上显示汉字、字符等。
EEPROM调用模块
EEPROM调用模块是设计的难点之一。该模块实现了对系统外挂的两个EEPROM(W27E040和W27C020)的访问，通过该模块可以使显示器显示各种各样的彩色图像。
图像模式控制模块
图像模式控制模块也是该数字系统的关键部分，它的主体部分是一个功能齐全的数据选择器(32选1)。
该模块由一个32选1数据选择器和一个32进制可逆计数器组成。可逆计数器控制端为EC、DIR、CLR，MD为计数时钟信号。计数结果(即对应一种模式)是数据选择器进行选择的依据，通过对可逆计数器的控制，可以实现对模式选择的控制。
图像控制模块共产生了32种模式，由计数器实现了对模式的有效控制。其实图像控制模块功能还可以进一步扩展。计数器输出为8比特，实际共有255种模式，在输入的32个信号中，可以将它们其中的任意几个进行再处理，如叠加、异或(棋盘格生成就是横彩条与竖彩条的异或而实现的)、相与等等，这样就可以产生成千上万种图形的输出。
VGA控制器中的十余个模块都采用VHDL语言实现，每个模块在功能仿真无误后生成元件，放入元件库中，由顶层原理图调用各个模块(元件)。VGA图像控制器整体设计经过调试，通过了MAX+PLUSⅡ的功能仿真、时序仿真以及硬件仿真综合，在VGA显示器上实现了所设计的各种功能。