基于FPGA的VGA/LCD顯示控制器設(shè)計（上）

今天給大俠帶來基于FPGA的VGA/LCD顯示控制器設(shè)計，由于篇幅較長，分三篇。今天帶來第一篇，上篇，VGA 顯示原理以及VGA/LCD 顯示控制器的基本框架，話不多說，上貨。

導(dǎo)讀

VGA (Video Graphics Array) 即視頻圖形陣列，是IBM于1987年隨PS/2機(PersonalSystem 2)一起推出的使用模擬信號的一種視頻傳輸標準。這個標準對于現(xiàn)今的個人電腦市場已經(jīng)十分過時。但在當時具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點，在彩色顯示器領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，是眾多制造商所共同支持的一個低標準。

LCD （ Liquid Crystal Display 的簡稱）液晶顯示器。LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。按照背光源的不同，LCD可以分為CCFL顯示器和LED顯示器兩種。LCD已經(jīng)替代CRT成為主流，價格也已經(jīng)下降了很多，并已充分普及。

在之前的文章中介紹了如何獲取、處理攝像頭提供的視頻信號，在實際應(yīng)用中還需要將經(jīng)過處理的信號顯示在顯示器上。這個過程與信號處理中的過程上是相反的，將數(shù)字信號按照電視信號的制式組成合乎時序、格式要求的信號，并加入用于控制的各種同步信號。本篇將通過 FPGA實現(xiàn)一個 VGA/LCD 顯示控制器的實例，并詳細介紹實現(xiàn)過程。

第一篇內(nèi)容摘要：本篇會介紹VGA 顯示原理，包括圖像顯示原理、常用視頻顯示標準；還會介紹VGA/LCD 顯示控制器的基本框架等相關(guān)內(nèi)容。

一、VGA 顯示原理

在設(shè)計 VGA 顯示控制器的實現(xiàn)過程以前，首先需要了解 VGA 的顯示原理。

1.1 圖像顯示原理

VGA 顯示控制器控制圖像信號通過電纜傳輸?shù)斤@示器上并顯示出來。目前的顯示器技術(shù)主要包括兩種：CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）和 LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示屏）。CRT 通過幀同步信號和行同步信號控制電子槍的電子束逐行逐點地掃描，將電子打在熒光點上，使之發(fā)光。

通過視覺暫留的作用，看到的就是一副完整的畫面。LCD 與 CRT 類似，也是動態(tài)的掃描。但 CRT 是模擬方式的，通過電路控制，電子束可以任意移動；而 LCD是數(shù)字方式的，只有位置固定的電流通路，所以只能通過電路矩陣逐行掃描，而不能逐點，即一行上所有的點同時工作。CRT 顯示器連接示意圖如圖 1 所示。

圖 1 CRT 顯示器連接示意圖

VGA 顯示控制器控制 CRT 顯示圖像的過程如圖 2 所示。

圖 2 VGA 顯示控制器控制 CRT 顯示器的框圖

電子槍的掃描過程在行同步、場同步等控制信號的控制下進行，包括水平掃描、水平回掃、垂直掃描、垂直回掃等過程，如圖 3 所示。

圖 3 掃描過程

1.2 常用視頻顯示標準

視頻顯示標準隨著顯示技術(shù)和工藝的不斷進步而逐步提高：

• 最早用來顯示字符的是 MDA 標準（Monochrome Display Adapter，單色顯示適配器接口），只支持字符顯示方式，只有黑白方式，顯示規(guī)格 80 列×25 行，分辨率為 720×350。
• CGA 標準（Color Graphic Adapter，彩色圖形適配器接口），支持彩色圖像方式，顯示規(guī)格從 40 列×25 行到 80 列×25 行，顏色從黑白到 16 色。
• EGA 標準（Enhanced Graphics Adapter，增強型圖形適配器接口），除了兼容 MDA、CGA標準外，還支持增強模式，圖形顯示規(guī)格從 320×200 到 640×350，顏色從黑白到 16 色。
• VGA 標準（Video Graphies Array，視頻圖形陣列），除了兼容上面各種標準外，還包括 QVGA、VGA、SVGA 等多個子標準，支持從 640×480 到 800×600 等更高的顯示規(guī)格。目前常用的是 VGA 標準，后面的實例將詳細介紹 VGA 標準的顯示控制器。

二、VGA/LCD 顯示控制器的基本框架

VGA 顯示控制器的程序框架如圖 4 所示。這個 VGA/LCD 顯示控制器提供對 CRT、LCD 的支持，適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

圖 8-4 VGA 顯示控制器程序框架

VGA 顯示控制器的程序框架包括如下幾個主要部分：

• 顏色查找表 顏色查找表保存了 256 色分辨率 R、G、B 所有可能顏色，因此它是一塊256×24 位的靜態(tài) RAM 區(qū)，每個像素由 R、G、B 每種顏色 8 位數(shù)據(jù)組成，程序包括兩塊這樣的顏色查找表，一共 512×24 位。
• 寄存器 包括整個程序需要的各種控制、狀態(tài)寄存器。
• 顏色處理器 用于將接收到的像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 RGB 顏色信息。
• 光標處理器 用于將保存的光標信息轉(zhuǎn)換成可見的光標。
• 輸出 FIFO 用于保證連續(xù)的數(shù)據(jù)流輸出到 VGA 或者 LCD 顯示器上。
• 視頻定時產(chǎn)生器 用于產(chǎn)生顯示需要的各種同步信號，如場同步、行同步、復(fù)合同步信號等。

本篇到此結(jié)束，下一篇帶來 基于FPGA的VGA/LCD顯示控制器設(shè)計（中），VGA/LCD 顯示控制器程序的實現(xiàn)，包括頂層程序、顏色查找表、顏色處理器、光標處理器、視頻定時產(chǎn)生器以及輸出 FIFO等相關(guān)內(nèi)容。