基于FPGA的VGA显示设计及仿真实现.doc

1、 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 本科毕业论文（设计） 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 论文题目 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼： pork 草鱼 基于 FPGA 的 VGA 显示设计及仿真实现 姓名 ： pork XXX 学号 ： pork XXX 班级 ： pork XXX 年级 ： pork XXX 专业 ： pork 通信工程 学院 ： pork 信息工程 学院 指导教师 ： pork XXX 完成时间 ： pork XXXX 草鱼年 草鱼 X 月 草鱼 XX 草鱼日 作者声明 草鱼 本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写 完成的 ， 鲤鱼 没有剽窃 、 pork抄袭 、 pork造假等违反道

2、德 、 pork学术规范和其他侵权行为 。 草鱼 对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体 ， 鲤鱼 均已在文中以明确方式标明 。 草鱼 因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担 。 草鱼草鱼 毕业论文（设计）成果归 XXX 所有 。 草鱼 草鱼 特此声明 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 作者专业 ： por k 作者学号 ： por k 作者签名 ： por k 年 草鱼 草鱼 草鱼月 草鱼 草鱼 草鱼日 草鱼 基于 FPGA的 VGA显示设计及仿真实现 草鱼 XXX草鱼 The 草鱼 Design 草鱼 and 草鱼 Implementation 草鱼 of 草鱼 t

3、he 草鱼草鱼 VGA 草鱼 display 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 FPGA草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 XXXX 草鱼年 草鱼 X月 草鱼 XX 草鱼日 草鱼 - 1 - 摘 草鱼 草鱼要 草鱼 本文简述了 VGA显示 的特点和工作原理 ， 鲤鱼 重点介绍了采用自顶向下层次化 、 pork模块化的设计方法 ， 鲤鱼 在 FPGA上实现 VGA的显示设计 。 草鱼草鱼 显示绘图阵列（ video 草鱼 graphic 草鱼 array， 鲤鱼 VGA）接口是 LCD液晶显示设备的标准接口 ， 鲤鱼 VGA具有分辨率高 、 pork显示速率快 、 pork颜色丰富等优点 。

4、草鱼 显示器因为其输出信息量大 ， 鲤鱼 输出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备 。 草鱼草鱼 在 FPGA的设计中可以使用很少的资源 ， 鲤鱼 就产生 VGA各种信号 ， 鲤鱼 再 加上 VHDL语言灵活的描述方法以及与硬件无关的特点 ， 鲤鱼 使得使用 VHDL语言基于 FPGA芯片实现 VGA显示控制成为研究的方向 。 草鱼草鱼 本文对基于 VHDL的 VGA的显示控制 进行了研究 ， 鲤鱼 并设计 了 VGA显示器彩条信号发生器 。草鱼 所做的主要工作为 ： pork草鱼 （ 1）在设计中采用了自顶向下的层次化 、 pork模块化的设计思想 ， 鲤鱼 将整个接口划分为多

5、个模块 ， 鲤鱼 利用 VHDL语言的描述方法进行了各个功能模块的设计 ， 鲤鱼 最终完成了 VGA显示 的系统设计 。 草鱼草鱼 （ 2）运用 ISE软件进行仿真 。 草鱼草鱼 关键词 ： pork 草鱼 VHDL； por kVGA； porkISE； pork彩条信号 草鱼草鱼 - 2 - Abstract 草鱼 This 草鱼 paper 草鱼 briefly 草鱼 describes 草鱼 the 草鱼 characteristics 草鱼 and 草鱼 working 草鱼 principle 草鱼 of 草鱼 VGA 草鱼 display, 草鱼focus 草鱼 on 草鱼 us

6、ing 草鱼 the 草鱼 top-down 草鱼 hierarchical 草鱼 and 草鱼 modular 草鱼 design 草鱼 method, 草鱼 realization 草鱼 of 草鱼 VGA 草鱼 display 草鱼 design 草鱼 on 草鱼 FPGA.草鱼 Display 草鱼 graphics 草鱼 array 草鱼 (video 草鱼 graphic 草鱼 array, 草鱼 VGA) 草鱼 interface 草鱼 is 草鱼 a 草鱼 standard 草鱼 interface 草鱼 LCD 草鱼liquid 草鱼 crystal 草鱼 display 草

7、鱼 device, 草鱼 VGA 草鱼 with 草鱼 high 草鱼 resolution, 草鱼 fast 草鱼 display 草鱼 rate, 草鱼 color 草鱼 rich, 草鱼 etc. 草鱼 Display 草鱼 output 草鱼 because 草鱼 of 草鱼 its 草鱼 large 草鱼 amount 草鱼 of 草鱼 information, 草鱼 the 草鱼 output 草鱼 forms 草鱼characteristics 草鱼 has 草鱼 become 草鱼 the 草鱼 most 草鱼 commonly 草鱼 used 草鱼 output 草鱼 dev

8、ice 草鱼 design 草鱼 now.草鱼 In 草鱼 the 草鱼 design 草鱼 of 草鱼 FPGA 草鱼 can 草鱼 use 草鱼 less 草鱼 resources, 草鱼 and 草鱼 produce 草鱼 VGA 草鱼 signals, 草鱼 flexible 草鱼coupled 草鱼 with 草鱼 VHDL 草鱼 language 草鱼 description 草鱼 method 草鱼 and 草鱼 has 草鱼 nothing 草鱼 to 草鱼 do 草鱼 with 草鱼 the 草鱼hardware 草鱼 characteristics, 草鱼 make 草鱼

9、use 草鱼 of 草鱼 VHDL 草鱼 language 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 the 草鱼 FPGA 草鱼 chip 草鱼 to 草鱼realize 草鱼 VGA 草鱼 display 草鱼 control 草鱼 become 草鱼 the 草鱼 direction 草鱼 of 草鱼 research.草鱼 In 草鱼 this 草鱼 paper, 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 VHDL 草鱼 VGA 草鱼 display 草鱼 control 草鱼 is 草鱼 studied, 草鱼 and 草鱼 VGA 草鱼 display 草鱼 color 草鱼bar 草鱼 si

10、gnal 草鱼 generator 草鱼 is 草鱼 designed. 草鱼 The 草鱼 main 草鱼 work 草鱼 done 草鱼 as 草鱼 follows:草鱼 (1)In 草鱼 the 草鱼 design 草鱼 USES 草鱼 the 草鱼 top-down 草鱼 hierarchical, 草鱼 modular 草鱼 design 草鱼 thought, 草鱼 will 草鱼 the 草鱼 whole 草鱼 interface 草鱼 is 草鱼 divided 草鱼 into 草鱼 several 草鱼 modules, 草鱼 use 草鱼 of 草鱼 VHDL 草鱼 lan

11、guage 草鱼 description 草鱼 method 草鱼 for 草鱼the 草鱼 design 草鱼 of 草鱼 each 草鱼 functional 草鱼 module, 草鱼 finally 草鱼 completed 草鱼 the 草鱼 VGA 草鱼 display 草鱼 system 草鱼 design.草鱼 (2) 草鱼 Using 草鱼 ISE 草鱼 software 草鱼 simulation.草鱼 Keywords: 草鱼 VHDL 草鱼 ;por kVGA;por k 草鱼 ISE;por k 草鱼 Color 草鱼 bar 草鱼 signal 草鱼 草鱼 草鱼 草

12、鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 - 1 - 目 草鱼 草鱼录 草鱼 1 草鱼 草鱼 概 草鱼 草鱼 述 . - 1 -草鱼 1.1 草鱼 本选题研究的目的及意义 . - 1 -草鱼 1.2 草鱼 本选题国内外研究状况综述 .2 草鱼 1.3 草鱼 本选题研究的主要内容 . - 1 -草鱼 2 草鱼 草鱼 VGA 显示的理论研究 .4 草鱼 2.1 草鱼 VGA 显示 特点 .4 草鱼 2.2 草鱼 VGA 显示 原理 .4 草鱼 3 草鱼 草鱼 ISE工具概述 . - 7 -草鱼 3.1 草鱼 硬件描述语言 . - 7 -草鱼 3.2 草鱼 ISE使用方法 . - 12 -草鱼 4 草鱼

13、 草鱼 VGA 显示的设计与仿真 . - 16 -草鱼 4.1 草鱼 模块结 构设计 . - 16 -草鱼 4.2 草鱼 VHDL 代码设计 . 错误 !未定义书签。 草鱼 4.3 草鱼 仿真验证 . - 18 -草鱼 结 草鱼 草鱼 语 . - 18 -草鱼 主要参考文献 . - 1 -草鱼 附 草鱼 草鱼 录 . - 1 -草鱼 附录 1 草鱼 草鱼 接口设计程序 . - 1 -草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 1 草鱼 草鱼 概 草鱼 草鱼 述 草鱼 1.1 草鱼本选题研究的目的及意义 草鱼 VGA 的英文全称是 Video 草鱼 Graphic 草鱼 Array， 鲤鱼

14、即显示绘图阵列 。 草鱼 VGA 支持在 640 480- 2 - 的较高分辨率下同时显示 16 种色彩或 256 种灰度 ， 鲤鱼 同时在 320 240 分辨率下可以同时显示 256 种颜色 。 草鱼草鱼 VGA 显示控制器控制图像信号通过电缆传输到显示器上并显示出来 。 草鱼 目前的显示器技术主要包括两种 ： porkCRT（ Cathode 草鱼 Ray 草鱼 Tube， 鲤鱼 阴极射线管）和 LCD（ Liquid 草鱼 Crystal 草鱼 Display， 鲤鱼 液晶显示屏） 。 草鱼 CRT通过帧同步信号和行同步信号控制电子枪的电子束逐行逐点地扫描 ， 鲤鱼 将电子打在荧光点上

15、 ， 鲤鱼 使之发光 。 草鱼 通过视觉暂留的作用 ， 鲤鱼 看到的就是一副完整的画面 。 草鱼 LCD 与 CRT类似 ， 鲤鱼 但 CRT是模拟方式的 ， 鲤鱼 通过电路控制 ， 鲤鱼 电子束可以任意移动 ； por k而 LCD 是数字方式的 ， 鲤鱼 只有位置固定的电流通路 ， 鲤鱼 所以只能通过电路矩阵逐行扫描 ， 鲤鱼 而不能逐点 ， 鲤鱼 即一行上所有的点同时工作 。 草鱼草鱼 VGA 接口是一种 D 型接口 ， 鲤鱼 上面共有 15 针空 ， 鲤鱼 分成三排 ， 鲤鱼 每排五个 。 草鱼 VGA 接口是显卡上应用最为广泛的接口类型 ， 鲤鱼 多数的显卡都带有此种接口 。 草鱼

16、有些不带 VGA 接口而带有 DVI(Digital 草鱼 Visual 草鱼 Interface 数字视频接口）接口的显卡 ， 鲤鱼 也可以通过一个简单的转接头将 DVI 接口转成 VGA 接口 ， 鲤鱼 通常没有 VGA 接口的显卡会附赠这样的转接头 。 草鱼草鱼 目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟 VGA 接口连接 ， 鲤鱼 计算机内部以数字方式生成的显示图像信息 ， 鲤鱼 被显卡中的数字 /模拟转换器转变为 R， 鲤鱼 G， 鲤 鱼 B三原色信号和行 、 pork场同步信号 ， 鲤鱼 信号通过电缆传输到显示设备中 。 草鱼 对于模拟显示设备 ， 鲤鱼 如模拟 CRT显示器

17、， 鲤鱼 信号被直接送到相应的处理电路 ， 鲤鱼 驱动控制显像管生成图像 。 草鱼 而对于 LCD、 porkDLP 等数字显示设备 ， 鲤鱼 显示设备中需配置相应的 A/D（模拟 /数字）转换器 ，鲤鱼 将模拟信号转变为数字信号 。 草鱼 在经过 D/A 和 A/D2 次转换后 ， 鲤鱼 不可避免地造成了一些图像细节的损失 。 草鱼 VGA 接口应用于 CRT显示器无可厚非 ， 鲤鱼 但用于连接液晶之类的显示设备 ， 鲤鱼 则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降 。 草鱼 草鱼 显示器因为其输出信息量大 ， 鲤鱼 输出形式多样等特点已经成为现在大多数设计的常用输出设备 。 草鱼 在 FPG

18、A 的设计中可以使用很少的资源 ， 鲤鱼 就产生 VGA 各种信号 。 草鱼 为了通过VGA 端口连接显示器显示前端采集到的图像数据 ， 鲤鱼 本课题在 Xilinx公司的SPARTAN-3E开发板上使用 VGA 接口在显示器上显示简单的 彩条 ， 鲤鱼 可以作为整个采集系统显示设计的参考 ， 鲤鱼 具有一定的实用价值 。 草鱼草鱼 草鱼 1.2 本选题国内外研究状况综述 草鱼 自 1985 年 Xilinx 公司推出第一片现场可编程逻辑器件（ FPGA）至今 ， 鲤 鱼 FPGA 历史已经经历了十几年的发展历史 。 草鱼 FPGA 不仅可以解决电子系统小型化 、 pork低功耗 、 pork

19、高可靠性等问题 ， 鲤鱼 而且其开发周期短 、 pork开发软件投入少 、 pork芯片价格不断降低 ， 鲤鱼 促使 FPGA 越来越多地取代了 ASIC 的市场 ， 鲤鱼 特别是对小批量 、 pork多品种的产品需求 ， 鲤鱼 是 FPGA 成为- 3 - 首选 。 草鱼 自发明 PFGA 以来 ， 鲤鱼 就不断的推出新器件和开发工具 ， 鲤鱼 力求芯片的速度更高 、pork功耗更低 。 草鱼 主要推出了 Virex系列和 SparanTM 系列的 FPGA， 鲤鱼 Vriex系列突破了传统FPGA 密 度和性能限制 ， 鲤鱼 使 FPGA 不仅仅是逻辑模块 ， 鲤鱼 而成为一种系统元件 。

20、 草鱼 而 Spartan系列为替代 ASIC 的大容量 FPGA 树立了一个新的低成本标准 。 草鱼草鱼 本课题使用的就是该公司的 SPARTAN-3E开发板 。 草鱼草鱼 VGA 是 IBM 于 1987 年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准 。 草鱼 在性能上 ， 鲤鱼 VGA将 16 色模式的分辨率提高到了 640480， 鲤鱼 同时 VGA 新提供了一种具有 320200 分辨率 、 pork256 种颜色的图形模式 ， 鲤鱼 且所显示的每一种颜色都可从 262144(18 位 )种颜色中选择 ， 鲤鱼 VGA 的这种色彩显示能力对微机图形 /图象软件的发展起到了很大的促进作用先后

21、分别经历了 EGA, 草鱼 EGA, 草鱼 VGA, 草鱼 SVGA, 草鱼 XGA, 草鱼 SXGA, 草鱼 UXGA, 草鱼 QXGA, 草鱼 WQXGA, 草鱼QSXGA, 草鱼 WQSXGA, 草鱼 QUXGA, 草鱼 WQUXGA, 草鱼 1080P。 草鱼草鱼 19201080 分辨率（ 1080P）是美国电影电视工程师协会 (SMPTE)制定的最高等级高清数字电视的格式标准 ， 鲤鱼 有效显示格式为 ： pork19201080， 鲤鱼 像素数达到 207.36 万 。 草鱼 美国电影电视协会将数字电视扫描线的不同分为 ： pork1080p、 pork1080i和 720p。

22、草鱼 1080p 是逐行扫描下达到 19201080 分辨率的显示格式 ， 鲤鱼 1080i是隔行扫描达到 19201080 分辨率的意思 ， 鲤鱼 720p是 1280720分辨率下逐行扫描的意思 。 草鱼 原 NTSC国家采用的是 108060Hz格式 ， 鲤鱼 与 NTSC 模拟电视场频相同 ； pork而欧洲及中国等 PAL制国家则采用 108050Hz的模式 。 草鱼草鱼 VGA 由于良好的性能迅速开始流行 ， 鲤鱼 厂商们纷纷在 VGA 基础上加以扩充 ， 鲤鱼 如将 显存提高至 1M 并使其支持更高分辨率如 800600 或 1024768， 鲤鱼 这些扩充的模式就称之为 VES

23、A(Video 草鱼 Electronics 草鱼 Standards 草鱼 Association， 鲤鱼 视频电子标准协会 )的 Super 草鱼 VGA模式 ， 鲤鱼 简称 SVGA， 鲤鱼 现在的显卡和显示器都支持 SVGA 模式 。 草鱼草鱼 VGA 技术的应用主要基于 VGA 显示卡的计算机 、 pork笔记本等设备 ， 鲤鱼 而在一些既要求显示彩色高分辨率图像又没有必要使用计算机的设备上 ， 鲤鱼 VGA 技术的应用却很少见到 。草鱼草鱼 1.3 草鱼本 选题研究的主要内容 草鱼 在撰文之前大量阅读了 FPGA 和 VGA 显示 的有关资料 ， 鲤鱼 学习了相关的硬件知识和原理知

24、识 。 草鱼 深入学习和研究了 VHDL的应用实例 。 草鱼 在了解和对比 VGA 显示 的几种实现方法后 ， 鲤鱼 经过思考 、 pork比较和讨论 ， 鲤鱼 决定以 VHDL为 VGA 显示 的描述语言 ， 鲤鱼 采用自顶向下层次化 、 por k模块化的设计方法 ， 鲤鱼 编写 VHDL 程序 。 草鱼 草鱼 本文主要分为 5 章 ， 鲤鱼 章节安排如下 ： por k草鱼 第 1 章 ： pork绪论 。 草鱼 主要介绍了开题的背景和研究意义 ， 鲤鱼 以及 VGA 显示的国内外研究现状 。 草鱼草鱼 - 4 - 第 2 章 ： por kVGA 显示的理论研究 。 草鱼 主要介绍 V

25、GA 显示实现的基本原理 。 草鱼草鱼 第 3 章 ： porkXilinx 草鱼 ISE软件的具体使用 。 草鱼 主要描述 VHDL 硬件语言以及介绍 Xilinx 草鱼 ISE软件的具体使用 。 草鱼草鱼 第 4 章 ： porkVGA 显示的设计与仿真 。 草鱼 VGA 显示的 VHDL语言实现 ， 鲤鱼 并在 spartan-3E开发板上实现 VGA 显示功能 ， 鲤鱼 进行综合仿真并验证 。 草鱼草鱼 第 5 章 ： por k后记 。 草鱼 主要介绍本文的优点和不足之处 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草

26、鱼 草鱼 2 草鱼 草鱼 VGA 显示 的理论研究 草鱼 显示绘图阵列（ video 草鱼 graphic 草鱼 array， 鲤鱼 VGA）接口是 LCD 液晶显示设备的标准接口 ，鲤鱼 大多应用在显示器与显卡之间 ， 鲤鱼 同时还可以用在等离子电视输入图像的模数转换上 。草鱼 VGA 具有分辨率高 、 pork显示速率快 、 pork颜色丰富等优点 ， 鲤鱼 同时 VGA 显示系统还具有成本低 、 por k结构简单 、 pork应用灵活的优点 。 草鱼 VGA 显示输出 RGB三原色信号 ， 鲤鱼 RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准 ， 鲤鱼 是 通过对红 (R)、 pork绿 (G)

27、、 pork蓝 (B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色 ， 鲤鱼 目前在图像显示领域中应用非常广泛 。 草鱼 草鱼 2.1 草鱼 VGA 显示 特点 草鱼草鱼 VGA 的显示特点是 ： por k草鱼 - 5 - 扫描格式繁多 ， 鲤鱼 分辨率从 320 200 一直延伸到 1280 1024， 鲤鱼 行频 15.870Hz， 鲤鱼 场频50100Hz。 草鱼 常见的行频有 31.4Hz， 鲤鱼 37.8Hz， 鲤鱼 57.9Hz， 鲤鱼 62.5Hz等 ， 鲤鱼 常见场频有 50Hz，鲤鱼 60Hz， 鲤鱼 70Hz， 鲤鱼 100Hz， 鲤 鱼 16700K 种

28、颜色之分 。 草鱼草鱼 显示器的显示方式有两种 ： por kA/N 显示方式和 APA 显示方式 ， 鲤鱼 即文本显示方式和图形显示方式 。 草鱼 A/N 方式已淘汰不用 ， 鲤鱼 目前微机都采用 APA 图形方式 。 草鱼草鱼 VGA 接口为显示器提供两类信号 ， 鲤鱼 一类是数据信号 ， 鲤鱼 一类是控制信号 。 草鱼 数据信号包括红（ Red） 、 por k绿（ Green） 、 pork蓝（ Blue）信号 ， 鲤鱼 简称 RGB信号 ， 鲤鱼 控制信号包括水平同步信号和垂直同步信号 。 草鱼 输出不同分辨率时 ， 鲤鱼 水平同步信号和垂直同步信号的频率也不相同 。 草鱼草鱼 2.

29、2 草 鱼 VGA 草鱼 显示原理 草鱼 2.2.1 草鱼 草鱼 VGA 草鱼 显示 的工作原理 草鱼 常见的彩色显示器一般由 CRT(阴极射线管 )构成 ， 鲤鱼 彩色是由 R(红 )、 porkG(绿 )、 porkB(蓝 )3 基色组成 。 草鱼 显示是采用逐行扫描的方式 ， 鲤鱼 阴极射线枪发出的电子束打在涂有荧光粉的荧光屏上 ， 鲤鱼 产生 RGB 三色基 ， 鲤鱼 最后合成一个彩色图像 。 草鱼 从荧幕的左上方开始自左向右扫描 ， 鲤鱼 每扫完一行图像电子束回到下一行的最左端 ， 鲤鱼 每行结束后电子枪回扫的过程中进行消隐 。 草鱼 然后重新开始行扫描 ， 鲤鱼 消隐 ， 鲤鱼 直

30、到扫到荧幕的右下方 ， 鲤 鱼电子束回到荧幕的左上方重新开始新的图像扫描 ， 鲤鱼 并且在回到荧幕左上方的过程中进行消隐 。 草鱼 在消隐过程中不发射电子束 。 草鱼 每一行扫描结束时 ， 鲤鱼 用 HS(行同步 )信号进行同步 ； por k扫描完所有的行后用 VS 草鱼 (场同步 )信号进行同步 。 草鱼草鱼 它的行场扫描时序示意图 2.1 所示 。 草鱼 现以正极性为例 ， 鲤鱼 说明 CRT的工作过程 ： porkR、 porkG、porkB为正极性信号 ， 鲤鱼 即高电平有效 。 草鱼 当 VS=0， 鲤鱼 HS=0 时 ， 鲤鱼 CRT显示的内容为亮的过程 ，鲤鱼 即正向扫描过程约

31、为 26us。 草鱼 当一行扫描完毕 ， 鲤鱼 行 同步 HS=1， 鲤鱼 约需 6us， 鲤鱼 期间 ， 鲤鱼 CRT扫描产生消隐 ， 鲤鱼 电子束回到 CRT的左边下一行的起始位置（ X=0,Y=1） ； pork当扫描完 480行后 ， 鲤鱼 CRT的场同步 VS=1， 鲤鱼 产生场同步是扫描线回到 CRT的第一行第一列（ C=0,Y=0处 ， 鲤鱼 约为两个行周期） 。 草鱼 HS 和 VS 的时序图 。 草鱼 T1 为行同步消隐（约为 6us） ； porkT2 为行显示时间（约为 26us） ， 鲤鱼 T3 为场同步消隐（两行周期） ； porkT4 为场显示时间（ 480 行周期） 。 草鱼草鱼