一种嵌入式VGA显示系统实现

VGA（Video Graphics Array）即视频图形阵列，是IBM在1987年随PS/2机（PS/2 原是“Personal System 2”的意思，“个人系统2”，是IBM公司在1987年推出的一种个人电脑。PS/2电脑上使用的键盘鼠标接口就是现在的PS/2接口。因为标准不开放，PS/2电脑在市场中失败了。只有PS/2接口一直沿用到今天。）一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准，在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式，这也说明其在显示标准中的重要性和兼容性。

目前VGA技术的应用还主要基于 VGA显示卡的，而在一些既要求显示彩色高分辨率图像又不使用计算机的设备上，VGA技术的应用却很少。

基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA显示系统，可以在不使用 VGA显示卡的情况下实现 VGA图像的显示和控制。该系统具有成本低、结构简单、应用灵活的优点。

1 基于 FPGA/CPLD的嵌入式VGA显示系统简介

通用VGA显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频 BIOS程序三个部分组成。其控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作等功能；显示缓冲区提供显示数据缓存空间；视频BIOS作为控制程序固化在显示卡的 ROM中。在基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA显示系统的设计中，可以使用很少的资源，就产生 VGA各种控制信号，达到显示彩色高分辨率图像的要求，而不需用 VGA显示卡和计算机设备。图 1是基于 FPGA/CPLD的嵌入式 VGA显示系统的结构框图，图中FPGA（Field－Programmable Gate Array），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。EP2C35F672C该芯片提供了 33216个逻辑单元 ,包括了嵌入式 18*18位乘法器、专用外部存储器接口电路、4KB嵌入式存储器件、4个锁相环和高速差分 I/O等功能。

VGA接口芯片采用了 ADV7125，该芯片是美国 ADI公司生产的高速视频数模转换芯片，其像素扫描时钟频率有 50MHz、140 MHz、270 MHz、330MHz四个等级。ADV7125在单芯片上整合了三组 8位高速 D／A转换器，可以分别处理红、绿、蓝视频数据，特别适用于高分辨率模拟接口的显示终端和要求高速 D／A转换的应用系统。 ADV7125的输入及控制信号非常简单：3组 8位的数字视频数据输入端，分别对应 RGB视频数据，数据输入端采用标准 TTL电平接口；4条视频控制信号线包括复合同步信号 SYNC、消隐信号 BLANK、白电平参考信号 REF WHITE和像素时钟信号 CLOCK；外接一个 1.23 V数模转换参考电压源和 1个输出满度调节。

2模块划分与模块功能定义

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及个模块之间或模块与I/O间的连接方式，并最终决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能， FPGA允许无限次的编程。

FPGA中包含了四个工作模块： VGA时序发生器模块、VGA图像显示调色板模块、数据存储器和数据读写控制器。由于ADV7125内部没有颜色的转换器 ,所以当数据存储器中的数据为YUV信号时，就要把YUV信号转换成RGB信号，这一功能就是由VGA图像显示调色板模块完成的，当显示数据为 RGB信号时，数据可以直接传输到ADV7125，不需调色板进行颜色转换。用FPGA对图像进行存储和整理，并产生驱动电路需要的各种控制波形由视频控制器对颜色缓冲器进行扫描，其中视频控制器可以读取像素颜色，用这些颜