基于DE2-115平台的VGA显示实验

一.任务需求

深入了解VGA协议，理解不同显示模式下的VGA控制时序参数（行频、场频、水平/垂直同步时钟周期、显示后沿/前沿等概念和计算方式）；
通过Verilog编程，在至少2种显示模式下（640480@60Hz,1024768@75Hz）分别实现以下VGA显示，并对照VGA协议信号做时序分析：1）屏幕上显示彩色条纹；2）显示自定义的汉字字符（姓名-学号）；
在Verilog代码中，将行、场同步信号中，故意分别加入一定 ms延时（用delay命令），观察会出现什么现象。

二.vga协议介绍

VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。

1. VGA协议的一些关键特点和组成部分：

定义与应用：
VGA是使用模拟信号的一种视频传输标准，用于连接计算机和显示设备。
它不仅支持CRT（阴极射线管）显示器，也被用于LCD（液晶显示器）等现代显示技术。
接口结构：
VGA接口通常是一个15针的D-sub连接器，分为三排，每排五个孔。
针脚包括RGB（红绿蓝）三原色信号、水平和垂直同步信号（HSYNC和VSYNC），以及其他控制信号。
信号类型：
RGB信号：传输图像的颜色信息，通常有RGB 8位（RGB332）、RGB 16位（RGB565）和RGB 24位（RGB888）等格式。
同步信号：包括水平同步（HSYNC）和垂直同步（VSYNC），用于控制图像在屏幕上的显示位置。
扫描方式：
VGA支持逐行扫描和隔行扫描两种方式。逐行扫描可以减少屏幕闪烁，提高图像质量。
时序：
VGA信号的时序包括行时序和帧时序，决定了图像的刷新率和分辨率。
电气特性：
VGA信号的电气特性包括信号的峰值电压、阻抗匹配等，通常使用75欧姆的阻抗。
兼容性：
尽管现代显示技术已经发展到了数字信号传输，如HDMI和DisplayPort，但VGA仍然被广泛支持，作为最低标准存在。
硬件实现：
VGA接口可以通过专用的视频转换DAC芯片或R-2R电阻网络来实现模拟信号的输出。
软件实现：
在软件层面，需要根据VGA协议生成相应的RGB数据和同步信号，以控制图像的正确显示。
局限性：
VGA作为模拟信号传输方式，在长距离传输时可能会有信号衰减和干扰问题。
随着数字显示技术的发展，VGA逐渐被更高清晰度和更少干扰的数字接口所取代。

管脚	含义
1	红基色
2	绿基色
3	蓝基色
4	地址码 ID Bit
5	自测试 ( 各家定义不同 )
6	红地
7	绿地
8	蓝地
9	电源
10	数字地
11	地址码
12	地址码
13	行同步
14	场同步
15	地址码

三.开始实验

1.前期准备

tcl文件配置管脚：

set_location_assignment PIN_Y2  -to OSC_50
set_location_assignment PIN_D12 -to VGA_B[7]
set_location_assignment PIN_D11 -to VGA_B[6]
set_location_assignment PIN_C12 -to VGA_B[5]
set_location_assignment PIN_A11 -to VGA_B[4]
set_location_assignment PIN_B11 -to VGA_B[3]
set_location_assignment PIN_C11 -to VGA_B[2]
set_location_assignment PIN_A10 -to VGA_B[1]
set_location_assignment PIN_B10 -to VGA_B[0]
set_location_assignment PIN_F11 -to VGA_BLANK
set_location_assignment PIN_A12 -to VGA_CLK
set_location_assignment PIN_C9  -to VGA_G[7]
set_location_assignment PIN_F10 -to VGA_G[6]
set_location_assignment PIN_B8  -to VGA_G[5]
set_location_assignment PIN_C8  -to VGA_G[4]
set_location_assignment PIN_H12 -to VGA_G[3]
set_location_assignment PIN_F8  -to VGA_G[2]
set_location_assignment PIN_G11 -to VGA_G[1]
set_location_assignment PIN_G8  -to VGA_G[0]
set_location_assignment PIN_G13 -to VGA_HS
set_location_assignment PIN_H10 -to VGA_R[7]
set_location_assignment PIN_H8  -to VGA_R[6]
set_location_assignment PIN_J12 -to VGA_R[5]
set_location_assignment PIN_G10 -to VGA_R[4]
set_location_assignment PIN_F12 -to VGA_R[3]
set_location_assignment PIN_D10 -to VGA_R[2]
set_location_assignment PIN_E11 -to VGA_R[1]
set_location_assignment PIN_E12 -to VGA_R[0]
set_location_assignment PIN_C10 -to VGA_SYNC
set_location_assignment PIN_C13 -to VGA_VS

条纹显示代码：

module VGA_colorbar_test(
OSC_50,     //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK,    //VGA自时钟
VGA_HS,     //行同步信号
VGA_VS,     //场同步信号
VGA_BLANK,  //复合空白信号控制信号  当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平，此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC,   //符合同步控制信号      行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R,      //VGA绿色
VGA_B,      //VGA蓝色
VGA_G);     //VGA绿色input OSC_50;     //外部时钟信号CLK2_50output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;parameter H_FRONT = 16;     //行同步前沿信号周期长parameter H_SYNC = 96;      //行同步信号周期长parameter H_BACK = 48;      //行同步后沿信号周期长parameter H_ACT = 640;      //行显示周期长parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK;        //行空白信号总周期长parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT;  //行总周期长耗时parameter V_FRONT = 11;     //场同步前沿信号周期长parameter V_SYNC = 2;       //场同步信号周期长parameter V_BACK = 31;      //场同步后沿信号周期长parameter V_ACT = 480;      //场显示周期长parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK;        //场空白信号总周期长parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT;  //场总周期长耗时reg [10:0] H_Cont;        //行周期计数器reg [10:0] V_Cont;        //场周期计数器wire [7:0] VGA_R;         //VGA红色控制线wire [7:0] VGA_G;         //VGA绿色控制线wire [7:0] VGA_B;         //VGA蓝色控制线reg VGA_HS;reg VGA_VS;reg [10:0] X;             //当前行第几个像素点reg [10:0] Y;             //当前场第几行reg CLK_25;always@(posedge OSC_50)begin CLK_25=~CLK_25;         //时钟end assign VGA_SYNC = 1'b0;   //同步信号低电平assign VGA_BLANK = ~((H_Cont<H_BLANK)||(V_Cont<V_BLANK));  //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时，空白信号低电平assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反assign CLK_to_DAC = CLK_25;always@(posedge CLK_to_DAC)beginif(H_Cont<H_TOTAL)           //如果行计数器小于行总时长H_Cont<=H_Cont+1'b1;      //行计数器+1else H_Cont<=0;              //否则行计数器清零if(H_Cont==H_FRONT-1)        //如果行计数器等于行前沿空白时间-1VGA_HS<=1'b0;             //行同步信号置0if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1VGA_HS<=1'b1;             //行同步信号置1if(H_Cont>=H_BLANK)          //如果行计数器大于等于行空白总时长X<=H_Cont-H_BLANK;        //X等于行计数器-行空白总时长   （X为当前行第几个像素点）else X<=0;                   //否则X为0
endalways@(posedge VGA_HS)beginif(V_Cont<V_TOTAL)           //如果场计数器小于行总时长V_Cont<=V_Cont+1'b1;      //场计数器+1else V_Cont<=0;              //否则场计数器清零if(V_Cont==V_FRONT-1)       //如果场计数器等于场前沿空白时间-1VGA_VS<=1'b0;             //场同步信号置0if(V_Cont==V_FRONT+V_SYNC-1) //如果场计数器等于行前沿+场同步-1VGA_VS<=1'b1;             //场同步信号置1if(V_Cont>=V_BLANK)          //如果场计数器大于等于场空白总时长Y<=V_Cont-V_BLANK;        //Y等于场计数器-场空白总时长    （Y为当前场第几行）  else Y<=0;                   //否则Y为0
endreg valid_yr;always@(posedge CLK_to_DAC)beginif(V_Cont == 10'd32)         //场计数器=32时valid_yr<=1'b1;           //行输入激活else if(V_Cont==10'd512)     //场计数器=512时valid_yr<=1'b0;           //行输入冻结endwire valid_y=valid_yr;       //连线   reg valid_r;     always@(posedge CLK_to_DAC)beginif((H_Cont == 10'd32)&&valid_y)     //行计数器=32时valid_r<=1'b1;                   //像素输入激活else if((H_Cont==10'd512)&&valid_y) //行计数器=512时 valid_r<=1'b0;                   //像素输入冻结endwire valid = valid_r;               //连线assign x_dis=X;       //连线Xassign y_dis=Y;       //连线Y// reg[7:0] char_bit;// always@(posedge CLK_to_DAC)//     if(X==10'd144)char_bit<=9'd240;   //当显示到144像素时准备开始输出图像数据//     else if(X>10'd144&&X<10'd384)     //左边距屏幕144像素到416像素时    416=144+272（图像宽度）//         char_bit<=char_bit-1'b1;       //倒着输出图像信息reg[29:0] vga_rgb;                //定义颜色缓存always@(posedge CLK_to_DAC) beginif(X>=0&&X<200)begin    //X控制图像的横向显示边界：左边距屏幕左边144像素  右边界距屏幕左边界416像素vga_rgb<=30'hffffffffff;   //白色endelse if(X>=200&&X<400)beginvga_rgb<=30'hf00ff65f1f;   endelse if(X>=400&&X<600)beginvga_rgb<=30'h9563486251; endelse beginvga_rgb<=30'h5864928654; endendassign VGA_R=vga_rgb[23:16];assign VGA_G=vga_rgb[15:8];assign VGA_B=vga_rgb[7:0];
endmodule

字符显示：

module vga(
OSC_50,     //原CLK2_50时钟信号
VGA_CLK,    //VGA自时钟
VGA_HS,     //行同步信号
VGA_VS,     //场同步信号
VGA_BLANK,  //复合空白信号控制信号  当BLANK为低电平时模拟视频输出消隐电平，此时从R9~R0,G9~G0,B9~B0输入的所有数据被忽略
VGA_SYNC,   //符合同步控制信号      行时序和场时序都要产生同步脉冲
VGA_R,      //VGA绿色
VGA_B,      //VGA蓝色
VGA_G);     //VGA绿色input OSC_50;     //外部时钟信号CLK2_50output VGA_CLK,VGA_HS,VGA_VS,VGA_BLANK,VGA_SYNC;output [7:0] VGA_R,VGA_B,VGA_G;parameter H_FRONT = 16;     //行同步前沿信号周期长parameter H_SYNC = 96;      //行同步信号周期长parameter H_BACK = 48;      //行同步后沿信号周期长parameter H_ACT = 640;      //行显示周期长parameter H_BLANK = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK;        //行空白信号总周期长parameter H_TOTAL = H_FRONT+H_SYNC+H_BACK+H_ACT;  //行总周期长耗时parameter V_FRONT = 11;     //场同步前沿信号周期长parameter V_SYNC = 2;       //场同步信号周期长parameter V_BACK = 31;      //场同步后沿信号周期长parameter V_ACT = 480;      //场显示周期长parameter V_BLANK = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK;        //场空白信号总周期长parameter V_TOTAL = V_FRONT+V_SYNC+V_BACK+V_ACT;  //场总周期长耗时reg [10:0] H_Cont;        //行周期计数器reg [10:0] V_Cont;        //场周期计数器wire [7:0] VGA_R;         //VGA红色控制线wire [7:0] VGA_G;         //VGA绿色控制线wire [7:0] VGA_B;         //VGA蓝色控制线reg VGA_HS;reg VGA_VS;reg [10:0] X;             //当前行第几个像素点reg [10:0] Y;             //当前场第几行reg CLK_25;always@(posedge OSC_50)begin CLK_25=~CLK_25;         //时钟end assign VGA_SYNC = 1'b0;   //同步信号低电平assign VGA_BLANK = ~((H_Cont<H_BLANK)||(V_Cont<V_BLANK));  //当行计数器小于行空白总长或场计数器小于场空白总长时，空白信号低电平assign CLK_to_DAC = CLK_25;assign VGA_CLK = ~CLK_to_DAC;  //VGA时钟等于CLK_25取反always@(posedge CLK_to_DAC)beginif(H_Cont<H_TOTAL)           //如果行计数器小于行总时长H_Cont<=H_Cont+1'b1;      //行计数器+1else H_Cont<=0;              //否则行计数器清零if(H_Cont==H_FRONT-1)        //如果行计数器等于行前沿空白时间-1VGA_HS<=1'b0;             //行同步信号置0if(H_Cont==H_FRONT+H_SYNC-1) //如果行计数器等于行前沿+行同步-1VGA_HS<=1'b1;             //行同步信号置1if(H_Cont>=H_BLANK)          //如果行计数器大于等于行空白总时长X<=H_Cont-H_BLANK;        //X等于行计数器-行空白总时长   （X为当前行第几个像素点）else X<=0;                   //否则X为0endalways@(posedge VGA_HS)beginif(V_Cont<V_TOTAL)           //如果场计数器小于行总时长V_Cont<=V_Cont+1'b1;      //场计数器+1else V_Cont<=0;              //否则场计数器清零if(V_Cont==V_FRONT-1)       //如果场计数器等于场前沿空白时间-1VGA_VS<=1'b0;             //场同步信号置0if(V_Cont==V_FRONT+V_SYNC-1) //如果场计数器等于行前沿+场同步-1VGA_VS<=1'b1;             //场同步信号置1if(V_Cont>=V_BLANK)          //如果场计数器大于等于场空白总时长Y<=V_Cont-V_BLANK;        //Y等于场计数器-场空白总时长    （Y为当前场第几行）  else Y<=0;                   //否则Y为0endreg valid_yr;always@(posedge CLK_to_DAC)if(V_Cont == 10'd32)         //场计数器=32时valid_yr<=1'b1;           //行输入激活else if(V_Cont==10'd512)     //场计数器=512时valid_yr<=1'b0;           //行输入冻结wire valid_y=valid_yr;       //连线   reg valid_r;            always@(posedge CLK_to_DAC)   if((H_Cont == 10'd32)&&valid_y)     //行计数器=32时valid_r<=1'b1;                   //像素输入激活else if((H_Cont==10'd512)&&valid_y) //行计数器=512时 valid_r<=1'b0;                   //像素输入冻结wire valid = valid_r;               //连线wire[10:0] x_dis;     //像素显示控制信号wire[10:0] y_dis;     //行显示控制信号assign x_dis=X;       //连线Xassign y_dis=Y;       //连线Yparameterchar_line00=256'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000,char_line01=256'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000,char_line02=256'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000C00001,char_line03=256'h07F00FE00FF0008007E01FFC07E007F007E00FE007E00FE000001C0000008000,char_line04=256'h08183018301807801818300818180818181830181818301800001FE000C00001,char_line05=256'h10003818380C0180381C2010381C1000381C3818381C381800001800FFF88000,char_line06=256'h3000001810180180300C0020300C3000300C0018300C0018000018C000CC0001,char_line07=256'h37F0006000180180300C0040300C37F0300C0060300C0060000018200C188030,char_line08=256'h380C01F000600180300C0080300C380C300C01F0300C01F0000018871FF01FFF,char_line09=256'h300C001801800180300C0180300C300C300C0018300C00180000FFF81818FFC0,char_line0a=256'h300C000C06000180300C0300300C300C300C000C300C000C0000190000C0000D,char_line0b=256'h300C380C08040180381803003818300C3818380C3818380C000018001010B000,char_line0c=256'h18183018300C01801C1003801C1018181C1030181C1030180000198000CE0019,char_line0d=256'h07E00FE03FF80FF807E0030007E007E007E00FE007E00FE00000180061F08800,char_line0e=256'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000185F3FF10061,char_line0f=256'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000FFFC80408700;reg[7:0] char_bit;always@(posedge CLK_to_DAC)if(X==10'd164)char_bit<=9'd256;   //当显示到164像素时准备开始输出图像数据else if(X>10'd164&&X<10'd420)     //左边距屏幕164像素到420像素时    420=164+256（图像宽度）char_bit<=char_bit-1'b1;       //倒着输出图像信息reg[29:0] vga_rgb;                //定义颜色缓存always@(posedge CLK_to_DAC) if(X>10'd164&&X<10'd420)    //X控制图像的横向显示边界：左边距屏幕左边164像素  右边界距屏幕左边界420像素begin case(Y)            //Y控制图像的纵向显示边界：从距离屏幕顶部160像素开始显示第一行数据10'd200:if(char_line00[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;  //如果该行有数据 则颜色为红色else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;                      //否则为黑色10'd201:if(char_line01[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd202:if(char_line02[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd203:if(char_line03[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd204:if(char_line04[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 10'd205:if(char_line05[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd206:if(char_line06[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 10'd207:if(char_line07[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd208:if(char_line08[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000; 10'd209:if(char_line09[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd210:if(char_line0a[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd211:if(char_line0b[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd212:if(char_line0c[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd213:if(char_line0d[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd214:if(char_line0e[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;10'd215:if(char_line0f[char_bit])vga_rgb<=30'b1111111111_0000000000_0000000000;else vga_rgb<=30'b0000000000_0000000000_0000000000;default:vga_rgb<=30'h0000000000;   //默认颜色黑色endcase endelse vga_rgb<=30'h000000000;             //否则黑色assign VGA_R=vga_rgb[23:16];assign VGA_G=vga_rgb[15:8];assign VGA_B=vga_rgb[7:0];
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