1、 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 1 页 共 2 页 CRT 字符控制器设计摘 要本论文介绍了基于 Altera公司的 Cyclone II 系列 FPGA的 CRT字符控制器设计，利用 FPGA芯片实现对 CRT显示器扫描轨迹控制，采用 VGA接口和电阻网络 D/A转换进行系统互联，在 CRT显示器上能够显示基本的 ASCII字符、汉字、图像、图形和 16位色彩。同时能够通过指令端口设置显示汉字、图像等大小和对应所在显示器上的位置，该功能包括了对图形、图像的动态显示与控制，完全实现仿点阵液晶的中级显示。毕设的重心放在了显示控制器的系统层面的设计，采用了自顶向下的思路进行设计，系统的
2、核心为有限状态机。论文中给出了完整的设计思路和过程，并将系统分模块进行了详细的设计，给出了 VHDL语言描述。完成了状态机和核心模块以及系统整体的仿真验证。然后在计算机的 Quartus II 11.0软件平台上完成设计电路的编辑、编译、仿真，编程下载到特定目标芯片，最终下载到硬件电路板上测试通过。关键词：FPGA；VHDL；VGA 接口；状态机；16 位色彩；显示汉字；图形和图像动态显示桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 2 页 共 2 页 AbstractThis paper describes the CRT based on Alteras Cyclone II FPGA ser
3、ies character design, CRT monitors scan path control using FPGA chip, d/a conversion system with VGA interface and the resistance network interconnection, on CRT monitors capable of displaying basic ASCII characters, characters, images, graphics, and 16-bit color. While port is set to display Chines
4、e characters, through instruction on display as the image size and position, which includes the dynamic display of graphics, image and control, the full realization of imitation of the intermediate dot-matrix LCD display.Set focus on the display controller for system-level design, using top-down des
5、ign, the system core for finite state machines. Paper gives the complete set of design and process, detailed design and system modules, described in VHDL language are given. Completed state machine and simulation of the core module and the system as a whole. And then in the Quartus II software platf
6、orm 11 design was completed on the computer editing, compilation, simulation of a circuit, chip download programming to a specific destination, ultimately downloaded to the hardware circuit board test passed.Key words: FPGA;VHDL;VGA interface;16-bit color;Display Chinese characters;Dynamic display o
7、f graphics and images桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 1 页 共 1 页 目 录摘 要 .1ABSTRACT .2引言 .11 FPGA 和 VGA 概述 .11.1 FPGA 的概念 .11.2 FPGA 的发展 .21.3 FPGA 的工作原理 .21.4 VGA 基本概念 .31.5 VGA 显示原理 .41.5.1 VGA 接口定义 .41.5.2 VGA 时序控制 .42 系统设计 .62.1 设计思 路 .62.2 系统功能结构设计 .62.3 系统层次模块划分 .72.3.1 顶层模块 .72.3.2 各部分控制模块 .72.3.3 用户模式底层模块
8、 .92.4 系统硬件语言描述 .112.4.1VHDL 描述思路 .112.4.2 总体电路的描述 .112.4.3 分块电路的描述 .152.5 系统仿真验证 .283 结果与分析 .303.1 实现功能说明 .303.2 器件资源分析 .313.3 故障与问题分析 .324 总结 .33谢 辞 .34参考文献 .35附 录 .36桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 1 页 共 36 页 引言随着科技的发展，VGA 汉字显示系统的应用范围越来越广泛，传统的 VGA字符显示方案是通过通用处理器控制 VGA接口显示字符信息的，这种显示方案是以通用处理器为核心的处理系统，整个系统体积大、可
9、靠性不高且灵活性差，不适合便携设备的设计。而 FPGA芯片具有可靠性高、编程灵活和体积小等特点，因此用 FPGA技术来实现VGA汉字显示可以有效解决传统技术中的缺点。显示绘图阵列(video graphic array，VGA)接口 ，它作为一种标准的显示接口得到了广泛的应用。VGA 接口大多应用在显示器与显卡之间；同时还可以应用在彩色等离子电视输入图像的模数转换上；VGA 接口同样也是 LCD液晶显示设备的标准接口。可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步 。早期的器件只能存储少量的数据，完成简单的逻辑功能；发展到现在，可以完成复杂的逻辑功能，速度更快，规模更大，功耗更低。目前
10、可编程逻辑器件主要有两类：复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device， CPLD)和现场可编程逻辑器件(field programmable gate array，FPGA) 。FPGA的运行速度快，管脚资源丰富，容易实现大规模的系统设计，有大量的软核可用，便于进行二次开发。另外，由于 FPGA具有可重构能力、抗干扰性强等特点 ，因此，FPGA 在工业控制等领域越来越受到重视。利用 FPGA完成 VGA显示控制，可以使图像和汉字的显示脱离 PC机控制，形成体积小、功耗低的各式嵌入式系统(便携式设备或手持设备)，应用于地面勘测、性能监测等方面，具有重要
11、的现实意义。1 FPGA 和 VGA 概述1.1 FPGA 的概念FPGA是英文 Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA（现场可编程门阵列）是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，用户可对 FPGA内部的逻辑模块和 I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑，因而也被用于对 CPU的模拟。用户对 FPGA的编程数据放在 Flash芯片中，通
12、过上电加载到 FPGA中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现系统在线重构，这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的 CPU，这是当今研究的热门领域。桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 2 页 共 36 页 1.2 FPGA 的发展和其他可编程逻辑器件一样，FPGA 也由未完成的逻辑阵列所组成，通过将这些逻辑阵列连接到一起来完成一定的功能。像 PAL一样，各个阵列单元之间的相互连接是可以编程的。下面介绍 FPGA的发展过程。 1985 年，Xilinx 公司推出了世界上第一款 FPGA。推出的这款 FPGA包括两个器件和支持布同布线的设计工具。FPGA 的发展非常快，在不到 1
13、0年的时间里，时钟频率就从不到 10MHz提高到 100MHz.设计规则已经达到亚微米级别，FPGA 芯片的规模也从几千门增加到 2万多等效门。大量功能强大易用的软件工具也相继推出，使得 FPGA很快占领了电子设计领域很大的一块市场。 20世纪 80年代推出的 FPGA可以说是 Intel公司于 1971年推出第一款商用微处理器的延续。那个时期，典型的微处理器系统包含微处理器、存储器和一些特殊功能的中小规模（MSI/SSI）器件。为追求更佳的件能、更小的尺寸、更低的成本、更快的错误恢复能力、高可靠性以及更快更易使用的原型，集成电路的设计者都意识到一定会有一种器件要取代当时的中小规模电路。这个概
14、念的第一个尝试是 Signetics公司于1975年推出的 83S100 FPLA（现场可编程逻辑阵列）。这款可编程器件实际上是一款PLA结构的器件。它由 16个输人、48 个乘积项与阵列、8 个输出、48 个乘积项或阵列构成，通过 Ni-Cr熔丝实现连续的断开或连接。这种方法在以降低速度和增加功耗为代价的前提下，给了设计师们很大的电路设计空间。但是这款可编程器件需要人工来设置熔丝的断或合，因此很复杂而且容易出错。1.3 FPGA 的工作原理为了能让不太熟悉 FPGA的读者能够对 FPGA有一个整体印象，这里以 Xilinx 4000系列的 FPGA为例简单说明它的设汁能力。XC4025 包含
15、大约 1024个 CLB，它们按3232的矩阵形式排列在 FPGA芯片里，这相当于 25 000个等效门。这款 FPGA包含422Kbit的 RAM，主要用于编程。一个 CLB的运行频率可达 250MHz，但如果将互连线网络引入的延迟以及像加法器这样更复杂的逻辑考虑进去，还可以获得 20-50MHz的时钟频率。直观地讲，加法器这样的逻辑是由大量的 CLB来构成的，例如一个 32bit的加法器要用掉 62个 CLB。FPGA采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块
16、 IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA 的基本特点主要有：1、采用 FPGA设计 ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2、 FPGA可做其它全定制或半定制 ASIC电路的中试样片。 3、 FPGA内部有丰富的触发器和 IO 引脚。 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 3 页 共 36 页 4、 FPGA是 ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5、 FPGA采用高速 CHMOS工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可
17、靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有 Xilinx的 XC系列、Altera 公司的 FIEX系列等。 FPGA是由存放在片内 RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA 芯片将 EPROM中数据读入片内编程 RAM中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA的编程无须专用的 FPGA编程器，只须用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA功能时，只需换一片 EPROM即可。这样，同一
18、片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA 的使用非常灵活。 FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片 FPGA加一片 EPROM的方式；主从模式可以支持一片 PROM编程多片 FPGA；串行模式可以采用串行 PROM编程 FPGA；外设模式可以将 FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。1.4 VGA 基本概念像素和分辨率: 目前的显示器基木都采用 APA(all point addressable)即全点、了址方式。显示器上输出的一切信息，包括数值、文字、表格、图像、动画等等，都是由光点（即像素）构成的。显示的最小单位就是像素, 像素之间的最小间距就是点距
19、。越小像素越密, 则画面越清晰和细腻。而分辨率的则指整个屏幕的像素得多少。可以通过显示器的实际尺寸除以像距近似得到。扫描频率：显示器采用光栅扫描方式，即轰击荧光屏的电子束在 CRT 屏幕上从左到右（受水平同步信号 HSYNC控制） 、从上到下（受垂直同步信号 VSYNC 控制）做有规律的移动。光栅扫描又分逐行扫描和隔行扫描。电子束采用光栅扫描方式，从屏幕左上角一点开始，向右逐点进行扫描，形成一条水平线；到达最右端后，又回到下一条水平线的左端，重复上面的过程；当电子束完成右下角一点的扫描后，形成一帧。此后，电子束又回到左上方起点，开始下一帧的扫描。这种方法也就是常说的逐行扫描显示。而隔行扫描指电
20、子束在扫描时每隔一行扫一线，完成一屏后再返回来扫描剩下的线，这与电视机的原理一样。隔行扫描的显示器比逐行扫描闪烁得更厉害，也会让使用者的眼睛更疲劳。目前微机所用显示器几乎都是逐行扫描。完成一行扫描所需时间称为水平扫描时间，其倒数称为行频率；完成一帧（整屏）扫描所需的时间称为垂直扫描时间，其倒数为垂直扫描频率，又称刷新频率，即刷新一屏的频率。常见的有60Hz 、75Hz 等，标准 VGA 显示的场频 60Hz ，行频为 31.5kHz。显示卡: 一个像素点有多个颜色, 由表示该点的二进制的位数决定(也称为位宽)。像素位宽为 8bit，则每个像素有 28=256 种颜色；位宽为 16bit 则有
21、216= 65536 种桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 4 页 共 36 页 颜色，位宽为 24bit 则有 224 即一千七百多万种颜色。显示卡内的 D / A（数模）转换电路将每个像素的位宽（二进位整数）转换成对应亮度的 R、G 、B（红、绿、蓝）模拟信号，控制屏幕上相应的三色荧光点发光，产生所要求的颜色。随着技术的进步显示卡的功能也不断增加。1.5 VGA 显示原理VGA标准是一种计算机显示标准，最初是由 IBM公司在 1987年提出的，分辨率是640*480。VGA 接口也叫做 D Sub接口，是显卡上输出模拟信号的接口。目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟 VGA
22、接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的 DA 转换器转变为 R、G、B 三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。1.5.1 VGA 接口定义 VGA接口负责向显示器输出相应的显示信号。VGA 接口是一种 D型接口，上面共有15个针孔，非对称地分成 3排，每排 5个，其排列及接口定义如图 1所示。图 1 VGA接口在基于 FPGA的 VGA控制中，只需要考虑行同步信号(Hs)、场同步信号(Vs)、蓝基色(R)、绿基色(G)、红基色(B)这 5个信号。如果能从 FPGA发出这 5个信号到 VGA接口，就可以实现对 VGA 的控制。1.5.2 VGA 时序控制
23、 VGA工业标准中，像素的输出频率为 25.175 MHz，行频率是 31.496KHz，场频率是59.94Hz。如果显示器发这种标准频率输出，其分辨率为 640*480，即每行显示 640个像素，每场显示 480行。事实上，这 640*480是显示器的有效显示区除了这一区域之外，还有行消隐区以及场消隐区，以实现行列的同步操作，VGA 接口实际输出的像素是800*525。对于行同步信号，由于每行实际的像素数是 800，所以行频率是 25.175 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 5 页 共 36 页 MHz800=31.469 KHz，行周期是 131.469KHz=31.78us。在
24、这 800个像素当中，640点是有效显示区，160 点是消隐区(即非显示区)。行同步信号 Hs每行有一个脉冲，其低电平的宽度是 31.78us*96800=3.81 ps，有 96个脉冲。行扫描时序要求如表 1所示，时序图如图 2所示。表 1 行扫描时序要求(单位：像素)图 2 行扫描时序图对于场同步信号，每场实际的行数是 525行，行频率是 31.469 KHz，所以场频率是 31.469 KHz525=59.94 Hz，场周期是 159.94 Hz=16.683 ms。这 525行当中，有 480行是有效显示区，45 行是场消隐区。场同步信号每场有一个脉冲，其低电平宽度是 16683 ms
25、*2525=63us(两行)。场扫描的时序要求如表 2所示，时序图如图 3所示。表 2 场扫描时序要求(单位：行)桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 6 页 共 36 页 图 3 场扫描时序图2 系统设计2.1 设计思路CRT 字符控制器是一个较大的数字系统，采用模块化设计原则、借鉴自顶向下的程序设计思想，进行功能分离并按层次设计。利用 VHDL 硬件描述语言对每个功能模块进行描述，并逐一对每个功能模块进行编译仿真，使顶层 VGA 显示控制器的模块实体仿真综合得以顺利通过。第一步：系统功能结构设计VGA显示控制器实现的主要功能是向 CRT显示器发出图形、图像控制信号，产生相应的图形、图像
26、显示。由此，容易得到系统功能结构框图，有关系统功能分析和输入输出约束，详述于 2.2小节中。第二步：系统层次模块划分从系统逻辑结构出发，将系统设计为 3层。顶层用于描述整个系统的功能和运行；第二层承接顶层，负责实现系统中各个独立而完整的功能部分；第三层为第二层的子模块，用于扩展第二层的功能，具体负责用户模式的实现。每个层次可用一个或多个具体模块加以实现，层次模块划分详述于 2.3小节中。控制器部分是系统的核心部分，负责协调和控制各子模块的工作。控制器设计采用有限状态机的方法，详述于 2.3小节中。第三步：系统硬件语言描述在前述工作的基础上，采用 VHDL语言对 VGA显示控制器的三个层次依次进
27、行描述，具体描述出每个模块，生成具体电路视图。详述于 2.4小节中。第四步：系统仿真验证经过前三步之后，系统设计基本完成，需要对系统主要功能进行仿真验证，更进一步分析状态机、电路逻辑和时序配合等是否正确。详述于 2.5小节中。2.2 系统功能结构设计 桂林电子科技大学实训（论文）报告用纸 第 7 页 共 36 页 CRT 显示器VGA 显示控制器用户输入接口图 4 VGA显示控制器系统功能结构框图VGA 显示控制器的输入是用户控制信息，如显示模式的切换命令、汉字、图形和图像移动的控制命令等。控制器根据用户的输入信息，决定工作模式功能，这里定义为汉字模式、图像模式、色彩模式、用户模式的功能。用户
28、模式中，还应根据用户的输入控制图形的运动方向。而颜色信息的产生、显示器扫描同步信号等由 VGA 控制器产生，其输出为 CRT 显示器。如图 4 所示。2.3 系统层次模块划分 系统划分为三层，自顶向下分别是顶层模块、各部分控制模块、用户模式底层模块。顶层描述了整个系统的功能和运行；各部分控制模块实现系统中各个独立而完整的功能部分；第三层为第二层的子模块，用于扩展第二层的功能，具体负责用户模式的实现。每个层次可用一个或多个具体模块加以实现。然后从逻辑上划分出各层次的具体模块，分别如下。2.3.1 顶层模块作用为集成子模块功能，控制子模块的连接和耦合信号。定义实体为VGAController，在其
29、中例化子模块。顶层模块 VGAController在数字系统中属于控制器模块，其设计是数字系统设计的核心。子模块中包括二层和三层设计中的八个模块，各模块间存在信号的传递，其中时钟信号由 Clock产生，驱动其他各个模块，像素位置信号由 PixelCNT产生，输出到 VGAColor、VGASig、HanziMode、ImageMode 以及 UserMode模块，作为产生颜色图像信号和扫描同步消隐信号的依据，VGAMode 模块决定当前的模式状态，输出当前需要显示的颜色图像信号。顶层模块和子模块的耦合关系，一方面，VGAController 获取输入信号，传递给子模块，其中输入控制信号 sw0和 sw1传递给 VGAMode用以控制状态的转移，S0、S1 状态分别控制显示汉字模式 HanziMode和图像动态显示模式 ImageMode，sw2sw17 传递给 VGAColor用以控制产生纯色彩，bt0bt4 传递给 UserMode用以控制用户自定义图形图像。另一方面，VGAMode 将当前颜色图像信号、VGASig 将行场同步和消隐信号输出到 VGAController，控制器再输出到 VGA接口，以控制 CRT显示器。当然，以上信号的传递是基于逻辑和系统设计的角度加以分析的，顶层设计实际是逻辑概念，并非有实实在在的电路，实际生成电路时信号是直接连线的传递的。
