VGA详解及色块碰撞示例

引言

　　VGA：video Graphics array，视频图形阵列，阴极射线显像管（CRT）显示器时代产物，很多老显卡、笔记本电脑、投影仪所用接口，已经比较过时。

　　CRT是模拟设备，所以VGA也采用模拟协议，虽然现在很多液晶显示器仍有VGA接口，但是是内置了AD转换，将模拟信号转换为数字信号。

　　虽然VGA已经基本被DVI、HDMI、DP等接口替代，但无法否认其学习价值。

介绍

　　扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描。

　　逐行扫描：左上方开始，左到右，上到下。扫完一行到下一行起始，CRT对电子束消隐；每行结束用行同步信号同步，全部结束用场同步信号同步，扫描回到屏幕左上方，同时场消隐。

　　隔行扫描：隔一行扫描，扫描完回来扫剩下的行（显示器闪烁严重，用眼疲劳）

　　消隐信号：针对老式显像管的成像扫描电路而言。电子枪所发出的电子束从屏幕的左上角开始向右扫描，一行扫完需将电子束从右边移回到左边以便扫描第二行。在移动期间就必须有一个信号加到电路上，使得电子束不能发出。不然这个回扫线会破坏屏幕图像的。这个阻止回扫线产生的信号就叫作消隐信号。

　　显示带宽：可处理的频率范围，60HZ，640X480分辨率，则带宽640X480X60=18.4MHZ（实际上大于这个值，因为648X480是表示显示有效区域，还有相当一部分是无效区域），详见下面时序部分。但这个带宽一般来使不用我们自己来计算，有VESA标准，具体可以查看http://tinyvga.com/vga-timing，或者移步https://download.csdn.net/download/AD7533/12561449下载Proposed VESA and Industry Standards and Guidelines for Computer Display Monitor Timing (DMT)文档，其中包含了几乎所有类型显示器的标准，作为手册使用，如下图。

　　

时序

　　信号：共5个，分别为：R、G、B三基色，HS（行同步），VS（场同步）。

　　HS信号：信号无效时（即不在有效显示区域）时，为高；信号有效时（即进入有效显示区域内），拉低；VS信号同理。如下图所示。

　　当HS和VS信号同时有效（低电平），即可输出图像。

示例---利用FPGA和VGA实现方块碰撞

　环境

　　1、vivado 2019.02，UE文本编辑器、Modelsim仿真环境

　　2、Micro phase zynq-7010开发板

　　3、TM043NDH02 LCD显示屏（开发板自带，有效480X272@60Hz，总525X286，有效区域为42~522、11~283）

　思路

　　1、声明端口、变量及参数。

module vga_lcd(
    input clk_50M,  　　　　　　//系统时钟
    input rst_n,    　　　　　　//复位
    output clk_9M,  　　　　　　//vga时钟
    output vga_en, 　　　　　　　//vga数据有效信号，即行同步列同步都处于有效区
    output disp_en, 　　　　　　//vga显示开关
    output reg vga_hs, 　　　　//行同步
    output reg vga_vs, 　　　　//列同步
    output reg[23:0]vga_rgb 　　//三基色
    );
    parameter       H_TOTAL = 525 - 1  ;//行计数总数
    parameter       H_SYNC = 41 - 1    ;//行数据无效计数值
    parameter       H_START = 43 - 1   ;//行数据开始有效计数值
    parameter       H_END = 523 - 1    ;//行数据结束有效计数值
    parameter       V_TOTAL = 286 - 1  ;//列计数总数
    parameter       V_SYNC = 10 - 1    ;//列数据无效计数值
    parameter       V_START = 12 - 1   ;//列数据开始有效计数值
    parameter       V_END = 284 - 1    ;//行数据结束有效计数值
    parameter       SQUARE_X    =   150;//方块行
    parameter       SQUARE_Y    =   150;//方块列
    parameter       SCREEN_X    =   480;//行有效区域大小
    parameter       SCREEN_Y    =   272;//列有效区域大小

    wire rst1;  //时钟复位
    wire locked;    //时钟稳定
    reg[10:0]cnt_x;
    reg[10:0]cnt_y;
    reg flag_x;    //水平移动指示，0为右，1为左
    reg flag_y; //垂直移动指示，0为下，1为上
    reg [10:0]x;
    reg [10:0]y;

    assign rst1=~rst_n; //高电平复位
    assign disp_en=1;   //开

　　2、开发板PL端时钟为50MHz，利用PLL IP进行分频（480X272X60≈9MHz）。

clock instance_name(　　　　//9M clk
        .clk_out1(clk_9M),
        .reset(rst1),
        .locked(locked),
        .clk_in1(clk_50M)
); 

　　3、利用9MHz时钟分别对行（cnt_x）和列(cnt_y)计数。

 always@(posedge clk_9M or negedge rst_n)begin　　//cnt_y计数
    if(~rst_n)begin
    　　cnt_x<=0;
    end
    else if(cnt_x==H_TOTAL) begin
        cnt_x<=0;
    end
    else
    　　cnt_x<=cnt_x+1;
end    

　　4、根据计数值得到对应的行同步信号（vga_hs）和列（场）同步信号（vga_vs）.

always@(posedge clk_9M or negedge rst_n)begin        //行同步信号
    if(~rst_n)begin
    　　vga_hs<=1;
    end
    else if(cnt_x==H_TOTAL)begin
    　　vga_hs<=1;
    end
    else if(cnt_x==H_SYNC)
   　　 vga_hs<=0;
    else
   　　 ga_hs<=vga_hs;
end

　　5、根据vga_hs和vga_vs得到vgs_en使能信号。

assign vga_en=~(vga_vs||vga_hs);        //信号有效使能

　　6、根据移动标志flag_x和flag_y，设置方块移动方向。

always@(posedge clk_9M or negedge rst_n)begin    //方块左右移动
   if(~rst_n)begin
    　　x<=0;
　　end
　　else if(flag_x==0&&cnt_x==H_TOTAL&&cnt_y==V_TOTAL)begin
    　　x<=x+1;
    end
    else if(flag_x==1&&cnt_x==H_TOTAL&&cnt_y==V_TOTAL)begin
    　　x<=x-1;
    end
end

　　7、根据方块移动方向及大小，判断是否到达边缘并改变移动标志。

always@(posedge clk_9M or negedge rst_n)begin
　　if(~rst_n)begin
   　　flag_x<=0;
　　end
　　else if(flag_x==0&&cnt_x==H_TOTAL&&cnt_y==V_TOTAL&&x==(H_END-H_START-SQUARE_X-1))begin
      flag_x<=1;
　　end
　　else if(flag_x==1&&cnt_x==H_TOTAL&&cnt_y==V_TOTAL&&x==1) begin
      flag_x<=0;
　　end
end

　　8、输出色块和背景。

always@(posedge clk_9M or negedge rst_n)begin
　　if(~rst_n)begin
    　　vga_rgb<=0;
　　end        
　　else if(vga_en==1&&cnt_x>=H_START+x&&cnt_x<=H_START+x+SQUARE_X&&cnt_y>=y+V_START&&cnt_y<=V_START+y+SQUARE_Y)begin
    　　ga_rgb<=24'hFFFFFF;
　　end
　　else if(vga_en==1)begin
        vga_rgb<=24'h000000;
　　end
end

总结

　　VGA的大概内容就这么多，写一个小东西大致就能掌握了。

　　本次示例中的很多参数都以parameter给出的，对于不同的显示屏只需查手册，在实例化时填入对应参数即可，在移植时很方便。

　　有什么错误之处还请指出。

　　源码自取：https://download.csdn.net/download/AD7533/12563311