09、安路SparkRoad国产FPGA测评【实战篇】按键控制VGA显示

1nnocent 发表于 2022-8-6 00:04

本帖最后由 1nnocent 于 2022-7-31 10:39 编辑

    现在调整一下测评计划，增加一个按键控制VGA显示的实战篇。

    该实验实现按键控制VGA的显示，SW18控制输出模式（VGA例程的四种显示模式），SW20 控制显示器的分辨率（1280*1024和1024*768两种切换）。本来想实现四种输出分辨率的，但是PLL不是万能的，有些通道输出的频率不是那么准确，各种分辨率的像素时钟误差有一定的要求：频率偏差不超过±0.5%，这个可以在“VESA和计算机显示监视器计时（DMT）行业标准和指南”中查看，文件在测评的第八篇。一共产生了五个像素时钟，最终只有两个符合要求，所以切换分辨率功能暂时只能实现两种分辨率的切换，后续有空再看看怎么多加点分辨率的切换种类（后续的工作也只是复制粘贴了，实现方式基本一致）。

    接下来讲解一下实现代码：

    首先是顶层模块：1、输入输出端口只需要在开发板原有VGA显示例程的基础上再加一个两位的按键输入接口，其他不变；2、当然还需要添加例程的按键消抖模块，后续需要根据按键的状态对显示模式和分辨率进行切换操作；3、PLL_OUT模块产生两个像素时钟，一个输出108MHz，一个输出65MHz（实际输出只有64.8MHz符合±0.5%的要求），两个像素时钟频率分别对应的分辨率为1280*1024、1024*768；4、最后是按照功能输出相应的显示状态。顶层模块代码（贴出来的代码tab键都没了，代码变成了左边对齐，看起来不是很美观是我设置的问题吗？插入代码的时候好像也没有设置的地方）：

<pre>
<code>`timescale 1ns/1ns
module VGA_Demo
(
inputwire clk_24m,
inputwire rst_n,
inputwire key, // 输入按键

//lcd interface
output wire vga_clk, //lcd pixel clock
output wire vga_hs, //lcd horizontal sync
output wire vga_vs, //lcd vertical sync

output wire vga_r, //lcd red data
output wire vga_g, //lcd green data
output wire vga_b //lcd blue data
);

wire clk_vga;
wire lcd_xpos; //lcd horizontal coordinate
wire lcd_ypos; //lcd vertical coordinate
wire lcd_data; //lcd data
wire Clk_Lock;
wire pll_clk1;
wire pll_clk2;
wire key_pulse;
wire vga_de; //lcd data enable
reg definiton; // 分辨率切换寄存器

// 按键消抖模块
debounce #(
.N (2 ),
.CNT_20MS (19'h75601 ) //系统时钟24MHz，要延时20ms左右时间
)u_debounce
(
.clk(clk_24m),
.rst_n(rst_n),
// key
.key(key),
.key_pulse(key_pulse)
);

//sync global clock and reset signal
PLL_OUT u_PLL_OUT(
.refclk(clk_24m),
.reset(~rst_n),
.extlock(Clk_Lock),
.clk0_out(pll_clk1), // 108
.clk1_out(pll_clk2) // 64.8
);

wire h_sync;
wire h_back;
wire h_disp;
wire h_front;
wire h_total;

wire v_sync;
wire v_back;
wire v_disp;
wire v_front;
wire v_total;

// 根据分辨率寄存器选择相应的场信息和像素时钟
assign clk_vga = definiton ? pll_clk2 : pll_clk1;
assign h_sync = definiton ? 136 : 112 ;
assign h_back = definiton ? 160 : 248 ;
assign h_disp = definiton ? 1024 : 1280 ;
assign h_front = definiton ? 24 : 48 ;
assign h_total = definiton ? 1344 : 1688 ;
assign v_sync = definiton ? 6 : 3 ;
assign v_back = definiton ? 29 : 38 ;
assign v_disp = definiton ? 768 : 1024 ;
assign v_front = definiton ? 3 : 1 ;
assign v_total = definiton ? 806 : 1066 ;

// 根据按键key的状态切换分辨率
always@(posedge clk_24m or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
definiton <= 1'b0;
end
else if(key_pulse)begin
definiton <= definiton + 1'b1;
end
else
definiton <= definiton;
end

//VGA driver timing
// 将选择好的行场信息传入模块
Driver u1_Driver(
// Input
.clk (clk_vga ),
.rst_n (rst_n ),
.lcd_data (lcd_data ),
// hs vs
.h_sync(h_sync) , // 行同步信号时间
.h_back(h_back) , // 行消隐后肩时间
.h_disp(h_disp) , // 行数据有效时间
.h_front(h_front) , // 行消隐前肩时间
.h_total(h_total) , // 行扫描总时间

.v_sync(v_sync) , // 列同步信号时间
.v_back(v_back) , // 列消隐后肩时间
.v_disp(v_disp) , // 列数据有效时间
.v_front(v_front) , // 列消隐前肩时间
.v_total(v_total) , // 列扫描总时间
// Output
.lcd_dclk (vga_clk ),
.lcd_hs (vga_hs ),
.lcd_vs (vga_vs ),
.lcd_en (vga_de ),
.lcd_rgb ({vga_r, vga_g ,vga_b} ),
.lcd_xpos (lcd_xpos ),
.lcd_ypos (lcd_ypos )
);

//lcd data simulation
reg display_cnt; // 显示模式寄存器

// 扫描按键key，按键每次按下都切换输出模式
always@(posedge clk_24m or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
display_cnt <= 2'd0;
end
else if(key_pulse)begin
display_cnt <= display_cnt + 1'b1;
end
else
display_cnt <= display_cnt;
end

// 将显示模式寄存器传入模块
Display u2_Display
(
// Input
.clk (clk_vga ),
.rst_n (rst_n ),
.lcd_xpos (lcd_xpos ),
.lcd_ypos (lcd_ypos ),
.display_cnt (display_cnt ), // 显示模式寄存器

.h_disp(h_disp),
.v_disp(v_disp),
// Output
.lcd_data (lcd_data )
);
endmodule
</code></pre>

    其次是驱动模块（Driver.v）：该模块与例程的差别是将原来的行场信息的常量参数改为了变量（因为此行场信息需要根据按键值进行切换），并由外部传入，模块内部再根据传入的行场信息产生相应的行场信号，用于驱动VGA显示。在改这个模块的时候编译器的替换功能省了不少功夫，代码如下：

<pre>
<code>`timescale 1ns/1ns
/* VGA参数配置表
************ clk h_sync h_back h_disp h_front h_total v_sync v_back v_disp v_front v_total *
640x480@60Hz 25.2MHz 96 48 640 16 800 2 33 480 10 525 *
800x600@60Hz 40MHz 128 88 800 40 1056 4 23 600 1 628 *
1024x768@60Hz 65MHz 136 160 1024 24 1344 6 29 768 3 806 *
1280x720@60Hz 74.25MHz 40 220 1280 110 1650 5 20 720 5 750 *
1280x1024@60Hz 108MHz 112 248 1280 48 1688 3 38 1024 1 1066 *
1920x1080@60Hz 148.5MHz 44 148 1920 88 2200 5 36 1080 4 1125 *
*/
module Driver(
inputwire clk, //VGA clock
inputwire rst_n, //sync reset
inputwire lcd_data, //lcd data

//input vs hs
input h_sync , // 行同步信号时间
input h_back , // 行消隐后肩时间
input h_disp , // 行数据有效时间
input h_front , // 行消隐前肩时间
input h_total , // 行扫描总时间

input v_sync , // 列同步信号时间
input v_back , // 列消隐后肩时间
input v_disp , // 列数据有效时间
input v_front , // 列消隐前肩时间
input v_total , // 列扫描总时间

//lcd interface
output wire lcd_dclk, //lcd pixel clock
output wire lcd_hs, //lcd horizontal sync
output wire lcd_vs, //lcd vertical sync
output wire lcd_en, //lcd display enable
output wire lcd_rgb, //lcd display data

//user interface
output wire lcd_xpos, //lcd horizontal coordinate
output wire lcd_ypos //lcd vertical coordinate
);

localparam H_AHEAD = 12'd1;

reg hcnt;
reg vcnt;
wire lcd_request;

/*******************************************
SYNC--BACK--DISP--FRONT
*******************************************/
//h_sync counter & generator
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
hcnt <= 12'd0;
else
begin
 if(hcnt < h_total - 1'b1) //line over
 hcnt <= hcnt + 1'b1;
 else
 hcnt <= 12'd0;
end
end

assign lcd_hs = (hcnt <= h_sync - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1; // line over flag

//v_sync counter & generator
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
vcnt <= 12'b0;
else if(hcnt == h_total - 1'b1) //line over
begin
if(vcnt == v_total - 1'b1) //frame over
vcnt <= 12'd0;
else
vcnt <= vcnt + 1'b1;
end
end

assign lcd_vs = (vcnt <= v_sync - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1; // frame over flag

// LED clock
assign lcd_dclk = ~clk;

// Control Display
assign lcd_en = (hcnt >= h_sync + h_back&& hcnt < h_sync + h_back + h_disp) &&
(vcnt >= v_sync + v_back&& vcnt < v_sync + v_back + v_disp)
? 1'b1 : 1'b0; // Display Enable Signal

assign lcd_rgb = lcd_en ? lcd_data : 24'h000000;

//ahead x clock
assign lcd_request = (hcnt >= h_sync + h_back - H_AHEAD && hcnt < h_sync + h_back + h_disp - H_AHEAD) &&
(vcnt >= v_sync + v_back && vcnt < v_sync + v_back + v_disp)
? 1'b1 : 1'b0;
//lcd xpos & ypos
assign lcd_xpos = lcd_request ? (hcnt - (h_sync + h_back - H_AHEAD)) : 12'd0;
assign lcd_ypos = lcd_request ? (vcnt - (v_sync + v_back)) : 12'd0;

endmodule</code></pre>

该模块在顶层模块的参数传递代码，根据definition选择行场信号，definition根据按键状态进行切换，最后将参数传入模块（wire型行场信息可以不用都设置为11位，以节省资源，这里直接同意设置成11位）。另外在编写这个模块时碰到一个问题，就是在按键按下瞬间显示器闪屏一次，分辨率并没有改变。后来发现问题是在判断条件上出问题了之前是直接判断key_pulse状态为一时切换分辨率和时钟，key_pulse为一的状态其实只有按键按下的一瞬间，之后马上变为零，所以显示器仅仅闪屏一下，分辨率还是变为原来的了。后面是增加definition，key_pulse来一次，definition就自加一次，再通过definition的状态来切换分辨率和行场信息，最后完美解决问题：

  

 

 

 

 

 

    最后是显示模块（Display.v）：该模块内部使用case语句对输出模式进行选择，与原来例程不同的地方是传入了输出模式控制信号display_cnt，并将四种模式组合到case语句中。

<pre>
<code>`timescale 1ns/1ns

// Define colors RGB--8|8|8
`define RED 24'hFF0000
`define GREEN 24'h00FF00
`define BLUE 24'h0000FF
`define WHITE 24'hFFFFFF
`define BLACK 24'h000000
`define YELLOW 24'hFFFF00
`define CYAN 24'hFF00FF
`define ROYAL 24'h00FFFF

module Display(
inputwire clk,
inputwire rst_n,
inputwire lcd_xpos, //lcd horizontal coordinate
inputwire lcd_ypos, //lcd vertical coordinate
inputwire display_cnt,

input wire h_disp,
input wire v_disp,

output reg lcd_data //lcd data
);

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
lcd_data <= 24'h0;
end
else
case(display_cnt)
2'd0:begin
if (lcd_ypos >= 0 && lcd_ypos < (v_disp/8)*1)
lcd_data <= `RED;
else if(lcd_ypos >= (v_disp/8)*1 && lcd_ypos < (v_disp/8)*2)
lcd_data <= `GREEN;
else if(lcd_ypos >= (v_disp/8)*2 && lcd_ypos < (v_disp/8)*3)
lcd_data <= `BLUE;
else if(lcd_ypos >= (v_disp/8)*3 && lcd_ypos < (v_disp/8)*4)
lcd_data <= `WHITE;
else if(lcd_ypos >= (v_disp/8)*4 && lcd_ypos < (v_disp/8)*5)
lcd_data <= `BLACK;
else if(lcd_ypos >= (v_disp/8)*5 && lcd_ypos < (v_disp/8)*6)
lcd_data <= `YELLOW;
else if(lcd_ypos >= (v_disp/8)*6 && lcd_ypos < (v_disp/8)*7)
lcd_data <= `CYAN;
else
lcd_data <= `ROYAL;
end
2'd1:begin
if (lcd_xpos >= 0 && lcd_xpos < (h_disp/8)*1)
lcd_data <= `RED;
else if(lcd_xpos >= (h_disp/8)*1 && lcd_xpos < (h_disp/8)*2)
lcd_data <= `GREEN;
else if(lcd_xpos >= (h_disp/8)*2 && lcd_xpos < (h_disp/8)*3)
lcd_data <= `BLUE;
else if(lcd_xpos >= (h_disp/8)*3 && lcd_xpos < (h_disp/8)*4)
lcd_data <= `WHITE;
else if(lcd_xpos >= (h_disp/8)*4 && lcd_xpos < (h_disp/8)*5)
lcd_data <= `BLACK;
else if(lcd_xpos >= (h_disp/8)*5 && lcd_xpos < (h_disp/8)*6)
lcd_data <= `YELLOW;
else if(lcd_xpos >= (h_disp/8)*6 && lcd_xpos < (h_disp/8)*7)
lcd_data <= `CYAN;
else
lcd_data <= `ROYAL;
end
2'd2:begin
lcd_data <= lcd_xpos * lcd_ypos;
end
2'd3:begin
if(lcd_ypos < v_disp/2)
lcd_data <= {lcd_ypos, lcd_ypos, lcd_ypos};
else
lcd_data <= {lcd_xpos, lcd_xpos, lcd_xpos};
end
default:lcd_data <= lcd_data;
endcase
end

endmodule</code></pre>

该模块在顶层文件中对display_cnt寄存器根据按键状态进行切换，并传入显示模块中。

 

     接下来是实验效果（开始时让显示器显示了分辨率：1024*768，随后切换四种播放模式；第二种分辨率也进行了显示，分辨率为：1280*1024，随后也切换了四种播放模式；最后是按了复位键进行复位）：

aa5e1aab9d5242265b305b292163a314 
    源码：

Jacktang 发表于 2022-8-6 22:09

最后的按键控制VGA显示效果还行

1nnocent 发表于 2022-8-7 16:12

Jacktang 发表于 2022-8-6 22:09
最后的按键控制VGA显示效果还行

后面看看能不能多几个分辨率的控制，以及显示模式的切换，主要是想拿来当个信号源，以后当测试的信号源，这样测试就不用拔电脑主机的显示器来当输入源了

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