基于FPGA的VGA/LCD顯示控制器設(shè)計(jì)（上）

今天給大俠帶來(lái)基于FPGA的VGA/LCD顯示控制器設(shè)計(jì)，由于篇幅較長(zhǎng)，分三篇。今天帶來(lái)第一篇，上篇，VGA 顯示原理以及VGA/LCD 顯示控制器的基本框架，話不多說(shuō)，上貨。

導(dǎo)讀

VGA (Video Graphics Array) 即視頻圖形陣列，是IBM于1987年隨PS/2機(jī)(PersonalSystem 2)一起推出的使用模擬信號(hào)的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于現(xiàn)今的個(gè)人電腦市場(chǎng)已經(jīng)十分過(guò)時(shí)。但在當(dāng)時(shí)具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示器領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，是眾多制造商所共同支持的一個(gè)低標(biāo)準(zhǔn)。

LCD （ Liquid Crystal Display 的簡(jiǎn)稱）液晶顯示器。LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃基板當(dāng)中放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過(guò)TFT上的信號(hào)與電壓改變來(lái)控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而達(dá)到控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光出射與否而達(dá)到顯示目的。按照背光源的不同，LCD可以分為CCFL顯示器和LED顯示器兩種。LCD已經(jīng)替代CRT成為主流，價(jià)格也已經(jīng)下降了很多，并已充分普及。

在之前的文章中介紹了如何獲取、處理攝像頭提供的視頻信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中還需要將經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)顯示在顯示器上。這個(gè)過(guò)程與信號(hào)處理中的過(guò)程上是相反的，將數(shù)字信號(hào)按照電視信號(hào)的制式組成合乎時(shí)序、格式要求的信號(hào)，并加入用于控制的各種同步信號(hào)。本篇將通過(guò) FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè) VGA/LCD 顯示控制器的實(shí)例，并詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

第一篇內(nèi)容摘要：本篇會(huì)介紹VGA 顯示原理，包括圖像顯示原理、常用視頻顯示標(biāo)準(zhǔn)；還會(huì)介紹VGA/LCD 顯示控制器的基本框架等相關(guān)內(nèi)容。

一、VGA 顯示原理

在設(shè)計(jì) VGA 顯示控制器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以前，首先需要了解 VGA 的顯示原理。

1.1 圖像顯示原理

VGA 顯示控制器控制圖像信號(hào)通過(guò)電纜傳輸?shù)斤@示器上并顯示出來(lái)。目前的顯示器技術(shù)主要包括兩種：CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）和 LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示屏）。CRT 通過(guò)幀同步信號(hào)和行同步信號(hào)控制電子槍的電子束逐行逐點(diǎn)地掃描，將電子打在熒光點(diǎn)上，使之發(fā)光。

通過(guò)視覺(jué)暫留的作用，看到的就是一副完整的畫(huà)面。LCD 與 CRT 類似，也是動(dòng)態(tài)的掃描。但 CRT 是模擬方式的，通過(guò)電路控制，電子束可以任意移動(dòng)；而 LCD是數(shù)字方式的，只有位置固定的電流通路，所以只能通過(guò)電路矩陣逐行掃描，而不能逐點(diǎn)，即一行上所有的點(diǎn)同時(shí)工作。CRT 顯示器連接示意圖如圖 1 所示。

圖 1 CRT 顯示器連接示意圖

VGA 顯示控制器控制 CRT 顯示圖像的過(guò)程如圖 2 所示。

圖 2 VGA 顯示控制器控制 CRT 顯示器的框圖

電子槍的掃描過(guò)程在行同步、場(chǎng)同步等控制信號(hào)的控制下進(jìn)行，包括水平掃描、水平回掃、垂直掃描、垂直回掃等過(guò)程，如圖 3 所示。

圖 3 掃描過(guò)程

1.2 常用視頻顯示標(biāo)準(zhǔn)

視頻顯示標(biāo)準(zhǔn)隨著顯示技術(shù)和工藝的不斷進(jìn)步而逐步提高：

• 最早用來(lái)顯示字符的是 MDA 標(biāo)準(zhǔn)（Monochrome Display Adapter，單色顯示適配器接口），只支持字符顯示方式，只有黑白方式，顯示規(guī)格 80 列×25 行，分辨率為 720×350。
• CGA 標(biāo)準(zhǔn)（Color Graphic Adapter，彩色圖形適配器接口），支持彩色圖像方式，顯示規(guī)格從 40 列×25 行到 80 列×25 行，顏色從黑白到 16 色。
• EGA 標(biāo)準(zhǔn)（Enhanced Graphics Adapter，增強(qiáng)型圖形適配器接口），除了兼容 MDA、CGA標(biāo)準(zhǔn)外，還支持增強(qiáng)模式，圖形顯示規(guī)格從 320×200 到 640×350，顏色從黑白到 16 色。
• VGA 標(biāo)準(zhǔn)（Video Graphies Array，視頻圖形陣列），除了兼容上面各種標(biāo)準(zhǔn)外，還包括 QVGA、VGA、SVGA 等多個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)，支持從 640×480 到 800×600 等更高的顯示規(guī)格。目前常用的是 VGA 標(biāo)準(zhǔn)，后面的實(shí)例將詳細(xì)介紹 VGA 標(biāo)準(zhǔn)的顯示控制器。

二、VGA/LCD 顯示控制器的基本框架

VGA 顯示控制器的程序框架如圖 4 所示。這個(gè) VGA/LCD 顯示控制器提供對(duì) CRT、LCD 的支持，適用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

圖 8-4 VGA 顯示控制器程序框架

VGA 顯示控制器的程序框架包括如下幾個(gè)主要部分：

• 顏色查找表 顏色查找表保存了 256 色分辨率 R、G、B 所有可能顏色，因此它是一塊256×24 位的靜態(tài) RAM 區(qū)，每個(gè)像素由 R、G、B 每種顏色 8 位數(shù)據(jù)組成，程序包括兩塊這樣的顏色查找表，一共 512×24 位。
• 寄存器 包括整個(gè)程序需要的各種控制、狀態(tài)寄存器。
• 顏色處理器 用于將接收到的像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 RGB 顏色信息。
• 光標(biāo)處理器 用于將保存的光標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的光標(biāo)。
• 輸出 FIFO 用于保證連續(xù)的數(shù)據(jù)流輸出到 VGA 或者 LCD 顯示器上。
• 視頻定時(shí)產(chǎn)生器 用于產(chǎn)生顯示需要的各種同步信號(hào)，如場(chǎng)同步、行同步、復(fù)合同步信號(hào)等。

本篇到此結(jié)束，下一篇帶來(lái) 基于FPGA的VGA/LCD顯示控制器設(shè)計(jì)（中），VGA/LCD 顯示控制器程序的實(shí)現(xiàn)，包括頂層程序、顏色查找表、顏色處理器、光標(biāo)處理器、視頻定時(shí)產(chǎn)生器以及輸出 FIFO等相關(guān)內(nèi)容。