Привет — в этой статье я собираюсь поделиться своими успехами в освоении ПЛИС Altera Cyclone III. После мигания лампочками и игр со счетчиками — решил сделать что то более серьезное. Сделал я простейший VGA адаптер. Об основных его частях и пойдет речь. Статья больше ориентирована на начинающих, так как для опытных эта задача не составит труда, но для освоения, на мой взгляд — хорошая тренировочная задача. Эксперименты я свои провожу на отладочной плате Altera DE0. Описывать схему я буду на Verilog, Среда — Quartus II v 12.0. Итак — добро пожаловать под кат:
Структурная схема VGA адаптера
Начнем с того, что разберемся — из чего состоит VGA и с чем его едят
Изначально VGA создавался для мониторов с электронно- лучевой трубкой, поэтому управляем мы тут не матрицой пикселей, как в LCD дисплеях, а электронным лучом, который бегает по экрану и мы в нужные моменты должны его усиливать/ослаблять или выключать вообще. Когда я начал работать с VGA — удивился — как мало подробной информации, описывающей этот стандарт я смог найти — что впрочем и понятно — он уже устарел и от него отказываются производители. Надеюсь моя статья кому то поможет в освоении стандарта.
Вырезка из статьи Вики про VGA:
VGA (так же, как и EGA) состоит из следующих основных подсистем (в народе словом «секвенсер» называли набор регистров управления доступом к плоскостям видеопамяти):
- Графический контроллер (Graphics Controller), посредством которого происходит обмен данными между центральным процессором и видеопамятью. Имеет возможность выполнять битовые операции над передаваемыми данными.
- Видеопамять (Display Memory), в которой размещаются данные, отображаемые на экране монитора. 256 кБ DRAM разделены на четыре цветовых слоя по 64 кБ.
- Последовательный преобразователь (Serializer или Sequencer) — преобразует данные из видеопамяти в поток битов, передаваемый контроллеру атрибутов.
- Контроллер атрибутов (Attribute Controller) — с помощью палитры преобразует входные данные в цветовые значения.
- Синхронизатор (Sequencer) — управляет временны́ми параметрами видеоадаптера и переключением цветовых слоёв.
- Контроллер ЭЛТ (CRT Controller) — генерирует сигналы синхронизации для ЭЛТ.
В роли синхронизатора у нас будет выступать генератор на 50 МГц, присутствующий на отладочной плате.
Видеопамять и обмен данными с процессором пока реализовывать не будем — вместо этого сами будем генерировать поток битов для контроллера атрибутов.
Итак — задача разбивается на реализацию следующих блоков:
- Синхронизатор — частота 50 мегагерц для нас не очень удобна, поэтому её придется немного изменить
- Контроллер ЭЛТ, который будет выдавать сигналы синхронизации в соответствии с требованиями стандарта VGA
- Генератор картинки — будем использовать для отладки — блок будет рисовать простейшую картинку и выдавать её контроллеру ЭЛТ
Синхронизатор
Начнем с того, что лезем на Английскую Вики и смотрим Signal timings для VGA, откуда узнаём, что частота синхрогенератора должна быть 25,175 МГц.
Вот нам и первая задача — сделать из 50 МГц — 25.175 МГц. Поможет нам в этом деле PLL или ФАПЧ.
При помощи Mega Wizard'а создаём наш PLL с нужными настройками. Для этого идем Tools/MegaWizard Plug-InManager. Там выбираем тип выходного файла Verilog HDL I/O ALTPLL и настраиваем его — устанавливаем входную частоту и затем её преобразовываем. Нам нужно получить частоту 25,175 МГц, при этом мы можем только умножать и делить на целое число, то есть нам нужно перевести число 0,5035 в дробь. Можно умножить на 5035 и поделить на 10000, но заметим, что можно сократить оба числа на 5. Получаем дробь 1007 / 2000. При этом визард сам приблизит требуемый множитель доступной ему дробью. Включаем полученный модуль в проект подключаем на его вход наш клок с платы, а для выхода создаём wire, который потом куда нибудь заведем, главная цель этого пункта достигнута — получить частоту 25,175 МГц.
Контроллер ЭЛТ
Генераторы синхроимпульсов
Двигаемся дальше. Теперь нам нужно создать модули, которые выдают синхросигналы, удовлетворяющие таймингам горизонтальной и вертикальной синхронизации, то есть вот этому для горизонтальной синхрониции:
То есть мы должны перед выдачей данных подержать линию синхронизации в высоком состоянии время А, потом прижать к земле на время B, потом перевести в высокое состояние, подождать время C и только потом идет поток данных — лучик начинает пробегать строчку за время D и мы за это время должны успеть установить все пиксели с частотой 25,175 мегагерц и так для каждой строки. Вертикальная синхронизация работает почти так же, только вместо пикселей мы передаём строчки и за один период синхроимпульса отрисовываем весь кадр.
Задача определилась — создать блок, который реализует описанную выше последовательность, принимая на вход частоту VGA_CLK, из входов еще добавим, пожалуй, сигнал сброса. Реализация такого блока не проста, а очень проста:
При периоде 1/VGA_CLK = 0,03972194637537239324726911618669 микросекунд нам нужно 24 такта на A, 95 на B, 48 на C, и 634 на D. То же самое и для вертикальной синхронизации, но тут удобнее тактироваться не по тактам частоты в 25.175 мегагерц, а по восходящим фронтам сигнала горизонтальной синхронизации, тогда все задержки можно считать в периодах отрисовки строчки. Кроме того у нас есть область «холостого хода» на экране, реально — по тактам экран чуть больше, а рисовать мы должны только в видимой области, поэтому желательно еще, чтобы модуль нам сообщал текущие координаты лучика, да и если мы собираемся назначать каждому пикселю какой то цвет — без знания текущей позиции луча не обойтись.
module VGA_SYNC(
input CLK,
input SYNC_RST_N,
output reg H_SYNC_CLK,
output reg V_SYNC_CLK,
output wire [10:0]oCurrent_X,
output wire [10:0]oCurrent_Y,
output reg oSYNC_COLOR);
parameter A_TIME_H = 24;
parameter B_TIME_H = 95;
parameter C_TIME_H = 48;
parameter D_TIME_H = 634;
parameter TOTAL_TIME_H = A_TIME_H + B_TIME_H + C_TIME_H + D_TIME_H;
parameter BLANK_H = A_TIME_H + B_TIME_H + C_TIME_H;
parameter A_TIME_V = 10;
parameter B_TIME_V = 2;
parameter C_TIME_V = 33;
parameter D_TIME_V = 480;
parameter TOTAL_TIME_V = A_TIME_V + B_TIME_V + C_TIME_V + D_TIME_V;
parameter BLANK_V = A_TIME_V + B_TIME_V + C_TIME_V;
reg [10:0]H_Counter;
reg [10:0]V_Counter;
assign oCurrent_X = (H_Counter >= BLANK_H) ? H_Counter-BLANK_H : 11'h0 ;
assign oCurrent_Y = (V_Counter >= BLANK_V) ? V_Counter-BLANK_V : 11'h0 ;
always@(posedge(CLK) or negedge(SYNC_RST_N))
begin
if(!SYNC_RST_N)
begin
H_Counter <= 1'b0;
H_SYNC_CLK <= 1'b1;
end
else
begin
if(H_Counter < (TOTAL_TIME_H-1))
H_Counter <= H_Counter + 1'b1;
else
begin
H_Counter <= 1'b0;
oSYNC_COLOR <= 1'b0;
end
if(H_Counter == A_TIME_H-1)
H_SYNC_CLK <= 1'b0;
if(H_Counter == A_TIME_H + B_TIME_H-1)
H_SYNC_CLK <= 1'b1;
if(H_Counter == BLANK_H)
oSYNC_COLOR <= 1'b1;
end
end
always@(posedge(H_SYNC_CLK) or negedge(SYNC_RST_N))
begin
if(!SYNC_RST_N)
begin
V_Counter <= 1'b0;
V_SYNC_CLK <= 1'b1;
end
else
begin
if(V_Counter < (TOTAL_TIME_V-1))
V_Counter <= V_Counter + 1'b1;
else
V_Counter <= 1'b0;
if(V_Counter == A_TIME_V-1)
V_SYNC_CLK <= 1'b0;
if(V_Counter == A_TIME_V + B_TIME_V-1)
V_SYNC_CLK <= 1'b1;
end
end
endmodule
Модуль вывода
Собственно импульсы сгенерированы, координаты точки известны, осталось только вовремя включать нужный цвет, пока лучик пробегает строчку — для этого создадим модуль, которому на вход идут сигналы синхронизации, частота 25,175 МГц, 3 шины цвета и координаты, а выход — VGA разъем
module VGA_OUT(RESET,
SYNC_COLOR,
VGA_CLK,
oVGA_R,
oVGA_G,
oVGA_B,
iVGA_R,
iVGA_G,
iVGA_B,
Current_X,
Current_Y);
input wire VGA_CLK;
input wire RESET;
input wire SYNC_COLOR;
input wire [10:0]Current_X;
input wire [10:0]Current_Y;
input wire [3:0]iVGA_R;
input wire [3:0]iVGA_G;
input wire [3:0]iVGA_B;
output reg [3:0]oVGA_R;
output reg [3:0]oVGA_G;
output reg [3:0]oVGA_B;
always@(posedge VGA_CLK or negedge RESET)
begin
if(!RESET)
begin
oVGA_R <= 0;
oVGA_G <= 0;
oVGA_B <= 0;
end
else
begin
oVGA_R <= ((SYNC_COLOR == 1)&&(Current_X > 0)&&(Current_Y > 0)) ? iVGA_R : 0;
oVGA_G <= ((SYNC_COLOR == 1)&&(Current_X > 0)&&(Current_Y > 0)) ? iVGA_G : 0;
oVGA_B <= ((SYNC_COLOR == 1)&&(Current_X > 0)&&(Current_Y > 0)) ? iVGA_B : 0;
end
end
endmodule
Для проверки системы — сгенерируем какую нибудь картинку — этот блок описан не мной, взял его из экзамплов алтеровских, ну тут в общем то не с чем разбираться — нам от этого модуля нужна только картинка
module VGA_BITSTREAM ( // Read Out Side
oRed,
oGreen,
oBlue,
iVGA_X,
iVGA_Y,
iVGA_CLK,
// Control Signals
iRST_n,
iColor_SW );
// Read Out Side
output reg [9:0] oRed;
output reg [9:0] oGreen;
output reg [9:0] oBlue;
input [9:0] iVGA_X;
input [9:0] iVGA_Y;
input iVGA_CLK;
// Control Signals
input iRST_n;
input iColor_SW;
always@(posedge iVGA_CLK or negedge iRST_n)
begin
if(!iRST_n)
begin
oRed <= 0;
oGreen <= 0;
oBlue <= 0;
end
else
begin
if(iColor_SW == 1)
begin
if (iVGA_Y<120)
begin
oRed <= (iVGA_X<40) ? 0 :
(iVGA_X>=40 && iVGA_X<80) ? 1 :
(iVGA_X>=80 && iVGA_X<120) ? 2 :
(iVGA_X>=120 && iVGA_X<160) ? 3 :
(iVGA_X>=160 && iVGA_X<200) ? 4 :
(iVGA_X>=200 && iVGA_X<240) ? 5 :
(iVGA_X>=240 && iVGA_X<280) ? 6 :
(iVGA_X>=280 && iVGA_X<320) ? 7 :
(iVGA_X>=320 && iVGA_X<360) ? 8 :
(iVGA_X>=360 && iVGA_X<400) ? 9 :
(iVGA_X>=400 && iVGA_X<440) ? 10 :
(iVGA_X>=440 && iVGA_X<480 ) ? 11 :
(iVGA_X>=480 && iVGA_X<520 ) ? 12 :
(iVGA_X>=520 && iVGA_X<560 ) ? 13 :
(iVGA_X>=560 && iVGA_X<600 ) ? 14 :
15 ;
oGreen <= 0;
oBlue <= 0;
end
else if (iVGA_Y>=120 && iVGA_Y<240)
begin
oRed <= 0;
oGreen <= (iVGA_X<40) ? 15 :
(iVGA_X>=40 && iVGA_X<80) ? 14 :
(iVGA_X>=80 && iVGA_X<120) ? 13 :
(iVGA_X>=120 && iVGA_X<160) ? 12 :
(iVGA_X>=160 && iVGA_X<200) ? 11 :
(iVGA_X>=200 && iVGA_X<240) ? 10 :
(iVGA_X>=240 && iVGA_X<280) ? 9 :
(iVGA_X>=280 && iVGA_X<320) ? 8 :
(iVGA_X>=320 && iVGA_X<360) ? 7 :
(iVGA_X>=360 && iVGA_X<400) ? 6 :
(iVGA_X>=400 && iVGA_X<440) ? 5 :
(iVGA_X>=440 && iVGA_X<480 ) ? 4 :
(iVGA_X>=480 && iVGA_X<520 ) ? 3 :
(iVGA_X>=520 && iVGA_X<560 ) ? 2 :
(iVGA_X>=560 && iVGA_X<600 ) ? 1 :
0 ;
oBlue <= 0;
end
else if (iVGA_Y>=240 && iVGA_Y<360)
begin
oRed <= 0;
oGreen <= 0;
oBlue <= (iVGA_X<40) ? 0 :
(iVGA_X>=40 && iVGA_X<80) ? 1 :
(iVGA_X>=80 && iVGA_X<120) ? 2 :
(iVGA_X>=120 && iVGA_X<160) ? 3 :
(iVGA_X>=160 && iVGA_X<200) ? 4 :
(iVGA_X>=200 && iVGA_X<240) ? 5 :
(iVGA_X>=240 && iVGA_X<280) ? 6 :
(iVGA_X>=280 && iVGA_X<320) ? 7 :
(iVGA_X>=320 && iVGA_X<360) ? 8 :
(iVGA_X>=360 && iVGA_X<400) ? 9 :
(iVGA_X>=400 && iVGA_X<440) ? 10 :
(iVGA_X>=440 && iVGA_X<480 ) ? 11 :
(iVGA_X>=480 && iVGA_X<520 ) ? 12 :
(iVGA_X>=520 && iVGA_X<560 ) ? 13 :
(iVGA_X>=560 && iVGA_X<600 ) ? 14 :
15 ;
end
else
begin
oRed <= (iVGA_X<40) ? 15 :
(iVGA_X>=40 && iVGA_X<80) ? 14 :
(iVGA_X>=80 && iVGA_X<120) ? 13 :
(iVGA_X>=120 && iVGA_X<160) ? 12 :
(iVGA_X>=160 && iVGA_X<200) ? 11 :
(iVGA_X>=200 && iVGA_X<240) ? 10 :
(iVGA_X>=240 && iVGA_X<280) ? 9 :
(iVGA_X>=280 && iVGA_X<320) ? 8 :
(iVGA_X>=320 && iVGA_X<360) ? 7 :
(iVGA_X>=360 && iVGA_X<400) ? 6 :
(iVGA_X>=400 && iVGA_X<440) ? 5 :
(iVGA_X>=440 && iVGA_X<480 ) ? 4 :
(iVGA_X>=480 && iVGA_X<520 ) ? 3 :
(iVGA_X>=520 && iVGA_X<560 ) ? 2 :
(iVGA_X>=560 && iVGA_X<600 ) ? 1 :
0 ;
oGreen <= (iVGA_X<40) ? 15 :
(iVGA_X>=40 && iVGA_X<80) ? 14 :
(iVGA_X>=80 && iVGA_X<120) ? 13 :
(iVGA_X>=120 && iVGA_X<160) ? 12 :
(iVGA_X>=160 && iVGA_X<200) ? 11 :
(iVGA_X>=200 && iVGA_X<240) ? 10 :
(iVGA_X>=240 && iVGA_X<280) ? 9 :
(iVGA_X>=280 && iVGA_X<320) ? 8 :
(iVGA_X>=320 && iVGA_X<360) ? 7 :
(iVGA_X>=360 && iVGA_X<400) ? 6 :
(iVGA_X>=400 && iVGA_X<440) ? 5 :
(iVGA_X>=440 && iVGA_X<480 ) ? 4 :
(iVGA_X>=480 && iVGA_X<520 ) ? 3 :
(iVGA_X>=520 && iVGA_X<560 ) ? 2 :
(iVGA_X>=560 && iVGA_X<600 ) ? 1 :
0 ;
oBlue <= (iVGA_X<40) ? 15 :
(iVGA_X>=40 && iVGA_X<80) ? 14 :
(iVGA_X>=80 && iVGA_X<120) ? 13 :
(iVGA_X>=120 && iVGA_X<160) ? 12 :
(iVGA_X>=160 && iVGA_X<200) ? 11 :
(iVGA_X>=200 && iVGA_X<240) ? 10 :
(iVGA_X>=240 && iVGA_X<280) ? 9 :
(iVGA_X>=280 && iVGA_X<320) ? 8 :
(iVGA_X>=320 && iVGA_X<360) ? 7 :
(iVGA_X>=360 && iVGA_X<400) ? 6 :
(iVGA_X>=400 && iVGA_X<440) ? 5 :
(iVGA_X>=440 && iVGA_X<480 ) ? 4 :
(iVGA_X>=480 && iVGA_X<520 ) ? 3 :
(iVGA_X>=520 && iVGA_X<560 ) ? 2 :
(iVGA_X>=560 && iVGA_X<600 ) ? 1 :
0 ;
end
end
else
begin
oRed <= (iVGA_Y<120) ? 3 :
(iVGA_Y>=120 && iVGA_Y<240) ? 7 :
(iVGA_Y>=240 && iVGA_Y<360) ? 11 :
15 ;
oGreen <= (iVGA_X<80) ? 1 :
(iVGA_X>=80 && iVGA_X<160) ? 3 :
(iVGA_X>=160 && iVGA_X<240) ? 5 :
(iVGA_X>=240 && iVGA_X<320) ? 7 :
(iVGA_X>=320 && iVGA_X<400) ? 9 :
(iVGA_X>=400 && iVGA_X<480) ? 11 :
(iVGA_X>=480 && iVGA_X<560) ? 13 :
15 ;
oBlue <= (iVGA_Y<60) ? 15 :
(iVGA_Y>=60 && iVGA_Y<120) ? 13 :
(iVGA_Y>=120 && iVGA_Y<180) ? 11 :
(iVGA_Y>=180 && iVGA_Y<240) ? 9 :
(iVGA_Y>=240 && iVGA_Y<300) ? 7 :
(iVGA_Y>=300 && iVGA_Y<360) ? 5 :
(iVGA_Y>=360 && iVGA_Y<420) ? 3 :
1 ;
end
end
end
endmodule
module VGA_MAIN(CLOCK_50,
KEY,
LEDG,
VGA_HS,
VGA_VS,
VGA_R,
VGA_G,
VGA_B,
SW
);
input CLOCK_50;
input [2:0]KEY;
input [9:0]SW;
output [9:0]LEDG;
output VGA_HS; // VGA H_SYNC
output VGA_VS; // VGA V_SYNC
output [3:0] VGA_R; // VGA Red[3:0]
output [3:0] VGA_G; // VGA Green[3:0]
output [3:0] VGA_B; // VGA Blue[3:0]
wire VGA_CLK;
wire H_SYNC_CLK;
wire V_SYNC_CLK;
wire RESET;
wire [10:0]Current_X;
wire [10:0]Current_Y;
wire SYNC_COLOR;
reg [3:0] iVGA_R;
reg [3:0] iVGA_G;
reg [3:0] iVGA_B;
wire [3:0] irVGA_R;
wire [3:0] irVGA_G;
wire [3:0] irVGA_B;
assign irVGA_R[3:0] = iVGA_R[3:0];
assign irVGA_G[3:0] = iVGA_G[3:0];
assign irVGA_B[3:0] = iVGA_B[3:0];
assign RESET = KEY[0];
assign VGA_HS = H_SYNC_CLK;
assign VGA_VS = V_SYNC_CLK;
VGA_PLL u1
( .inclk0(CLOCK_50),
.c0(VGA_CLK)
);
VGA_SYNC u2
( .CLK(VGA_CLK),
.H_SYNC_CLK(H_SYNC_CLK),
.V_SYNC_CLK(V_SYNC_CLK),
.SYNC_RST_N(KEY[0]),
.oCurrent_X(Current_X),
.oCurrent_Y(Current_Y),
.oSYNC_COLOR(SYNC_COLOR));
VGA_OUT u3
(
.oVGA_R(VGA_R[3:0]),
.oVGA_G(VGA_G[3:0]),
.oVGA_B(VGA_B[3:0]),
.iVGA_R(iVGA_R[3:0]),
.iVGA_G(iVGA_G[3:0]),
.iVGA_B(iVGA_B[3:0]),
.VGA_CLK(VGA_CLK),
.Current_X(Current_X),
.Current_Y(Current_Y),
.SYNC_COLOR(SYNC_COLOR),
.RESET(RESET)
);
VGA_BITSTREAM u4(.oRed(irVGA_R),
.oGreen(irVGA_G),
.oBlue(irVGA_B),
.iVGA_X(Current_X),
.iVGA_Y(Current_Y),
.iVGA_CLK(VGA_CLK),
.iRST_n(RESET),
.iColor_SW(SW[0]));
endmodule
Получилась вот такая вот структурная схема:
Ну и видео работы:
В общем — первый шаг с созданию своей видеокарты сделан — осталось приделать видеопамять и связать это всё с внешним контроллером — например STM32. В перспективе хочется сделать, чтобы контроллер генерировал видеопоток и посылал его видеоадаптеру, а тот выводил на экран. О практическом смысле этого всего говорить конечно не стоит — вещи уже устаревшие и довольно примитивные, всё делалось лишь с целью обучения и закрепления навыков, где то конечно тут набыдлокодил, так что если есть какие то вопросы, советы и замечания — пишите в комментариях
Автор: SlavikMIPT
