【连载】【FPGA黑金开发板】Verilog HDL那些事儿--VGA(二十)

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5.6 实验十九：VGA封装

在笔者还没有开始写这本笔记之前，笔者和大众的新手一样，都喜欢在网络上找资料。

有一篇论文“基于FPGA的VGA接口”中的实验，笔者很感兴趣，但是论文始终是论文，论文的东西都是用来毕业，瞎了笔者的狗眼。笔者就在那个时候开始突发奇想：“有没有什么的办法，以最小的条件，来实验该论文中的内容呢？”

在此刻，阅读这章笔记的时候，读者是否对“封装”或者“接口”有一个概念了吧？
同样的事实，VGA模块也需要封装成为VGA接口。





上图是组合模块 vga_interface.v ，里面包含了“同步模块”（用于配置显示标准，和驱动VGA），“VGA控制模块”（用于控制图像信息），还有一个双向RAM模块。是不是觉得很疑惑：为什么多了一个RAM模块出来。

在实验九中，VGA控制模块读取的图片信息是来自ROM模块。相反的实验十九的图像信息是来自RAM。在完成VGA接口之前，我们必须设定一些参数。

图像分辨率	16 x 16
图像颜色	点阵
图像显示位置	X = 3 ，Y = 2
显示标准	800 x 600 x 60Hz

显示标准，关于这个参数，在3.4章中有详细的介绍，这里就重复了。图像分辨率，说简单点就是一副图像信息的大小。图像颜色，点阵的意思就是黑和白。图像显示位置，是指一副图信息开始显示的位置，X = 3 Y = 2，表示图像在屏幕的坐标（3, 2）显示。

sync_module.v

该 sync_module.v 是支持 800 x 600 x 60Hz 的显示标准（需要40Mhz的时钟源）。

vga_control_module.v

在29行的if条件，就是表示开始显示位置 Y， 和39行的开始显示位置 X。
我们知道图像信息是16 x 16。所以，29行的if条件成立范围是在 Row_Addr_Sig > 1 ~ Row_Addr_Sig < 17。同样的在39行的if条件成立范围在 Column_Addr_Sig > 2 ~ Column_Addr_Sig < 19。

在24行和34行的寄存器m和n，是用来列寻址和行寻址。所以它们必须从“开始显示位置”开始计数。

在46~54行的isSize标志寄存器是用来确定“一副图像的显示框”，亦即“图像显示有效范围”。在51~52行的if条件指定了该isSize表示寄存器被拉高的时候，也就是说在Row_Addr_Sig > 1 ~ Row_Addr_Sig < 17 和 Column_Addr_Sig > 2 ~ Column_Addr_Sig < 19，分辨率为 16 x 16 的图像时“显示有效”的。

59行表示m行寻址 等价于Ram_Addr 地址。

61~63行，是列寻址，同是点阵操作。由于该VGA接口的颜色支持参数是“黑白”的缘故，所以61~63行都是同样的点阵操作。

ram_module.v

RAM是什么，有电子背景的同学都知道它是什么。RAM和ROM不同的是，RAM支持访问（读和写操作），然而ROM只支持读操作。一般上RAM有分为单端口，双向端口，三向端口。双向端口，有为分为真双向端口（True），和假双向端口（Simple），真双向端口有写入时钟和读取时钟，然而假双向端口读写共用一个时钟。为了方便vga_interface.v 的建模，在这里我们使用假双向端口RAM。

在这里，我们先要考虑 vga_interface.v 支持的图像分辨率，亦即 16 x 16 。所以RAM所需要的储存空间是 16Bits x 16 Words。RAM和 FIFO一样，要访问RAM的时候都需要拉高 xx_En_Sig 信号。由于RAM 包含 16 Bits 所以 Write_Data 和Read_Data, 皆是16位的位宽。当然，16 Words 表示了 xx_Addr_Sig 是 4位的位宽。

一个普遍存在与双向端口RAM的问题是“同时读写冲突”。一般的物理双向端口RAM都内置仲裁逻辑。“仲裁逻辑”的设计方法是比较复杂，我们使用另一种方法，就是“访问优先级”。

在这里，我们可以这样定义：写操作的优先级高于读操作。

所以呀，使用QuartusII 自建的双向端口RAM不怎么适合。换一句话，我们必须手动创建包含“访问优先级”的“假双向端口RAM”。

第1~11行是RAM模块的输入输出口。在15行，声明了 16Bits x 16 Words 的储存器。
如果以Altera的FPGA为例，尝试回想一下，FPGA都内置了偏上资源 m4k。当我声明储存器的时候，我们可以指定它由 m4k 组成。

（* ram_tyle = m4k *）

当然你也可以指定储存器由逻辑资源组成：

（* ram_tyle = logic *）

在前面，我已经说过：“双向端口的RAM存在访问冲突的问题”。当QuartusII 在综合的时候，由于 m4k 资源本身的特性，并不适合“写时读”（read-during-write），亦即“访问冲突”。虽然，我们手动为RAM模块添加了访问优先级，可以避免“访问冲突”的问题。但是Quartus II 的综合器是一个大笨蛋，你没有提示它：“不用关心m4k资源的访问冲突问题”，综合器是不知道的。因此：

（* ram_style = no_rw_check *）

还有一点就是关于储存器初始化的问题：

还记得在建立ROM的时候，笔者都为ROM建立一个 .mif ，然后对ROM初始化。同样的道理，RAM储存器在创建的时候也必须初始化。该RAM模块初始化的信息，是实验十之五之中的“第一副小绿人”。

（* ram_init_file = ram_initial_file.mif *）

21~27行是RAM模块的访问优先级逻辑。在24行表示了写操作比读操作拥有更高的优先级。当 Write_En_Sig 拉高的时候，对RAM储存器执行写操作。一旦 Write_En_Sig 被拉低 读操作作为RAM储存器的默认状态。

有一重点必须注意就是rData寄存器是用来暂存读数据。为了避免“当写操作执行时Read_Data 失去驱动源”。

vga_interface.v

VGA接口的时钟源是由全局时钟源经过倍频后输入的（9行）。

实验十九说明：

读者是不是觉得实验十九和实验九相比，简直是莫名其妙对吧？在这里笔者稍微区分一下实验九和实验十九的不同。实验九顾名思义就是VGA显示模块，它所使用的显示方法是同步的。换句话说，也就是图片信息处理和VGA显示驱动都是在同样的时间下。当然也可以这样想，图片信息是又VGA模块本身提供的，又或者图片信息早已固定存在。

实验十九的VGA接口, 恰好是与实验九的VGA显示模块相反。它所使用的显示方法是异步的。也就是说，图像信息处理和VGA显示驱动是在不同的时间下完成。看得简单点就是，图像信息是由外部提供。

在实验十九中的VGA接口，图像信息是暂存在RAM模块里，而且RAM模块里边的图像信息是由上一层模块写入。读者可能会产生这样一个问题：“假设vga_control_module.v 在读取RAM，地址0的信息的时候，生一层模块同时对RAM，地址0执行写操作...”。

事实上，由于访问优先级逻辑的关系，当发生“访问冲突”的时候，vga_control_module.v读取的是 上一次的rData信息。

读者可能又会问：“当发生访问冲突的时候，rData暂存的数据当然不是当前的显示数据，图像显示既不是出现错误？”。 你知道吗? LCD显示技术为了消除LCD显示残影的问题，在指定间隔时的间里，都会插入诺干“黑帧”（全黑图像信息）。如果LCD插入“黑帧”，已不是屏幕忽然间全黑，然后又恢复，又全黑，又恢复 .... 呵呵！事实上，人体的视觉是很蛋疼和迟钝的，这些“短暂”的“黑帧”人眼是察觉不出来。这也使得LCD消除残影的方法。

同样的道理，以800 x 600 x 60Hz 为显示标准。如果在1秒内出现 1~16个残缺的帧，人眼是不会察觉到，因为该显示标准时每秒60帧图像。用动画的话来说，每秒8帧产生拖尾效果，每秒24帧产生专业动画效果，每秒40帧人眼是“瞬间”的效果。

完成后的扩展图：

实验十九结论：

实验九和实验十九最大的差别就是图像信息处理的方法。前者是由模块内部提供的，后者是由上一层模块写入。此外实验十九当 vga_control_module.v 对 ram_module.v 读取信息的时候，如果在同一个时间，上一层模块对 vga_interface.v 的ram_module.v 执行写操作，故会发生“访问冲突”。为了避免这个问题，笔者对 ram_module.v 加入了访问优先级逻辑，访问优先级定义为：写操作优先级高于读操作。

还有有关“实验十九说明”中提及种种“显示问题”会在“实验十九演示”中演示。

实验十九演示：小绿人请加油

上图的 vga_interface_demo.v 组合模块表示了，控制程序从 ROM模块读取图片信息，然后写入 VGA接口。该ROM模块是基于实验九之五的 greenman_rom_module.v ，里边包含了6副 16 x 16 的图片信息。控制程序，每隔250ms写入不同的信息至VGA接口。所以在屏幕的显示结果上，会出现小绿人的动画。

vga_interface_demo.v

16~20行实例化了pll模块，pll模块将全局时钟倍频至40Mhz。24行是1ms常量的声明，然而28~50行建立了1ms定时器（28~38行）和ms级计数器（42~50行）。54~69行表示了6副图像信息在ROM模块的起始地址。在73~104行就是该组合模块的核心功能，在93~95行，表示了 - 当步骤为 0，2，4，6，8，10时，对 vga_interface.v 的 RAM模块写入不同的图像信息。在97~99行是250ms的延迟，亦即每一副图像信息的停留时间。

109~116行实例化了 greenman_rom_module.v。在120~132行实例化了 vga_interface.v。

在一开始的时候 vga_interface.v 内部的RAM模块会执行初始化该储存信息，亦即作为默认图像信息。当 vga_interface_demo.v 进入步骤0，在同一时间，在62行会对 Y寄存器赋值与ROM模块的第一副图像信息的起始地址，亦即地址0。在94~95行isWrite被拉高，以示对vga_interface.v 的RAM模块写入使能（123行）。

Y寄存器作为图像信息在ROM模块的起始地址，X寄存器作为每一副图像信息的行寻址地址，然而rAddr作为x寄存器和y寄存器的总和，同时也是作为 ROM模块的地址信号（114行）。

在94行中，x会递增至0~15，已对一副图像信息的行寻址（Addr 寄存器的 前4位 [3..0]，同时作为 vga_interface.v 的写入地址-124行）。还有一点必须注意的是，vga_interface.v 的写入数据是由ROM模块的Rom_Data驱动（125行）。直到x等于16（95行）, 亦即一幅图像的行寻址已经结束，rAddr , X , 和 isWrite 寄存器被赋予0值。i递增以示下一个步骤。

在97~99行，步骤 1, 3, 5, 7, 9, 11 是延迟250ms的操作。rTimes 寄存作为言辞 ms 的计数值（98行），rTime 赋值与 250，亦即是延迟 250ms。当isCount被拉高的时候（99行），定时器和计数器都会开始工作（28~50行）。直到ms级的计数计数到250为止（98行），isCount被拉低, i递增以示下一个步骤。

上述步骤的执行大致如下：

（一）写入第0副图像信息至 vga_interface.v ，延迟250ms。
（二）写入第1副图像信息至 vga_interface.v ，延迟250ms。
（三）写入第2副图像信息至 vga_interface.v ，延迟250ms。
（四）写入第3副图像信息至 vga_interface.v ，延迟250ms。
（五）写入第4副图像信息至 vga_interface.v ，延迟250ms。
（六）写入第5副图像信息至 vga_interface.v ，延迟250ms。
（七）重复执行步骤1~6。

实验十九演示说明：

在演示的显示效果中，你会看到小绿人的动画由六副图像信息，每隔250ms不停的循环和切换而产生。实际上，每秒60帧的图像信息中，有几幅图像是“崩坏”，由于人类的视觉迟钝的关系察觉不出来。

实验十九演示结论：

不知道读者还记得“接口的定义”吗？就是“最后的工程”和“独立性”。在实验十九演示中，VGA接口是一个独立的个体，它以每秒显示60帧图像信息而工作。当我们对 VGA接口调用的时候，我们不需要顾及 VGA接口的内部是如何工作，反之我们只要关心如何对 VGA接口 写入图像信息即可。如实验十九演示中那样，为了实现小绿人动画，我们在上一层模块中，每隔250ms写入不同的图像信息。

和在实验九之五不同的是，我们为了实现小绿人的动画效果，必须考虑由 sync_module.v 输出的 Frame_Sig信号。以计数Frame_Sig信号的方式去实现小绿人动画。类似的方法大大的压缩了灵活性。

原理上，vga_interface.v 的工作原理，适合任何显示接口，因为人类的肉眼对画面的“切换速度”不敏感。