一 、前言
本文设计思想采用明德扬至简设计法。VGA是最常见的视频显示接口，时序也较为简单。本文从利用显示屏通过VGA方式显示测试图案及静态图片着手带大家接触图像显示应用，算是为后续VGA显示摄像头采集图像以及HDMI高清数字显示方式打个基础。
二、VGA显示原理
关于VGA的详细解释可查看参考文献1，这里主要讲解下根据VGA的分辨率计算时钟频率的方式。以本文使用到的1024*768@60HZ为例。
一帧图像显示周期为Tv，在这段时间内VGA需要扫描806行，每行1344个点。所以每个点的持续周期为：Ts=Tv/(n*m)，故时钟频率:fs = n*m*fv=806*1344*60=65MHz。因此设计下来其实非常简单，PLL产生65MHz工作时钟信号，利用两个计数器分别计数行列值，之后根据计数器数值产生行场同步信号以及相应的RGB图像数据即可。有一点需要注意：VGA显示标准规定行场同步脉冲均为负脉冲，意思是只有同步脉冲阶段拉低，其他时刻为高电平。
三、静态图片显示
VGA显示基本原理和设计方式确定后，显示图片也不是什么难事。可以将图片以.coe形式保存在FPGA内部BRAM中，通过VGA接口模块循环读取RAM数据方式来显示图片。FPGA片内BRAM的存储容量一般在kbit量级，存储640*480*24bit真彩色图像捉襟见肘，因此这里仅显示320*240*16bit图像用于测试。把图片格式设定为.coe文件的方法：一是可以利用些小的软件工具，此处先用img2Lcd软件将图片调整为合适的分辨率，再用BMP2Mif软件生成.coe文件初始化BMG IP核（见参考文献2）；第二就是自己写一段软件脚本来转换。
测试需求：VGA接口以1024*768分辨率，60Hz帧频，在显示屏中央位置显示一幅320*240图片，其他位置左右各一半分别显示白色和红色。
BMG IP核配置：
第一页选择单口ROM模式，其他保持默认。主要第二页的位宽和深度设置正确，另外取消掉输出寄存器选择匹配时序。
四、显示硬件方案
大多数VGA显示采用电阻网络分压代替DA过程，这种方案成本较低，能满足大多数显示需求。当对分辨率要求较高时，采用专用显示芯片来完成R G B三路同步数模转换，本文采用ADI公司的ADV7123芯片，内含有三路10位DAC，最高支持1080p@60Hz图像输出。硬件中将每路低两位拉低，仅提供高8位接口可满足8*8*8 = 24bit真彩色显示需求。上升沿采样数据，为方便处理和代码规范，FPGA逻辑在PLL时钟上升沿驱动，输出显示芯片工作采样时钟为PLL产生时钟信号取反，如此可保证满足显示芯片建立保持时间需求。
五、逻辑代码设计
VGA显示接口代码如下：
1 `timescale 1ns / 1ps 2 3 module vga_interface#( 4 parameter DATA_W = 8) 5 ( 6 input clk,//65MHz 7 input rst_n, 8 9 output vga_clk, 10 output reg vga_en, 11 12 //input [DATA_W-1:0] din_r, 13 //input [DATA_W-1:0] din_g, 14 //input [DATA_W-1:0] din_b, 15 output [DATA_W-1:0] vga_r, 16 output [DATA_W-1:0] vga_g, 17 output [DATA_W-1:0] vga_b, 18 output reg vga_hs, 19 output reg vga_vs 20 ); 21 22 /*********************************参数******************************************/ 23 //VGA:1280*768@60HZ 24 //行参数 25 localparam H_A = 136, //同步脉冲 26 H_B = 160, //显示后沿 27 H_C = 1024, //显示时段 28 H_D = 24; //显示前沿 29 //场参数 30 localparam V_A = 6, //同步脉冲 31 V_B = 29, //显示后沿 32 V_C = 768, //显示时段 33 V_D = 3; //显示前沿 34 35 //有效区域边界 36 localparam X0 = H_A+H_B, //136+160=296 37 X1 = H_A+H_B+H_C, //136+160+1024=1320 38 Y0 = V_A+V_B, //6+29=35 39 Y1 = V_A+V_B+V_C; //6+29+768=803 40 41 localparam COL_NUM = H_A+H_B+H_C+H_D,//1344 42 ROW_NUM = V_A+V_B+V_C+V_D;//806 43 44 //显示中心位置 45 localparam X_CENTER = (X0+X1)/2,//808 46 Y_CENTER = (Y0+Y1)/2;//419 47 48 //显示图片分辨率及位置 49 localparam PIC_H = 320, 50 PIC_V = 240; 51 52 localparam PIC_H_LB = X_CENTER-PIC_H/2, 53 PIC_H_RB = X_CENTER+PIC_H/2, 54 PIC_V_UB = Y_CENTER-PIC_V/2, 55 PIC_V_DB = Y_CENTER+PIC_V/2; 56 57 /*********************************信号定义******************************************/ 58 reg [ (12-1):0] cnt_hs ; 59 wire add_cnt_hs ; 60 wire end_cnt_hs ; 61 reg [ (12-1):0] cnt_vs ; 62 wire add_cnt_vs ; 63 wire end_cnt_vs ; 64 wire valid_area; 65 wire left_half; 66 wire picture_area; 67 reg [DATA_W-1:0] r_reg,g_reg,b_reg; 68 69 wire ena; 70 wire [15:0] douta; 71 reg [ (17-1):0] cnt_addr ; 72 wire add_cnt_addr ; 73 wire end_cnt_addr ; 74 wire [16:0] addra; 75 reg ram_vld; 76 /*********************************计数器******************************************/ 77 78 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 79 if (rst_n==0) begin 80 cnt_hs <= 0; 81 end 82 else if(add_cnt_hs) begin 83 if(end_cnt_hs) 84 cnt_hs <= 0; 85 else 86 cnt_hs <= c