畢業(yè)論文--基于fpga的vga顯示控制器設(shè)計(jì)(含外文翻譯）

1、<p>　　基于FPFA的VGA顯示控制器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　目前，數(shù)碼產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了人們生活的每一個(gè)領(lǐng)域，而此類產(chǎn)品大多都帶有顯示屏，可見對顯示屏的控制電路進(jìn)行研究具有很大的市場需求。VGA作為一種標(biāo)準(zhǔn)的顯示接口得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)基于VGA技術(shù)的顯示控制器也擁有廣泛的使用領(lǐng)域。</p>&l

2、t;p>　　本文所設(shè)計(jì)的VGA控制器就是通過利用超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA和Altera公司開發(fā)的EDA設(shè)計(jì)軟件Quartus II 8.0，并采用自頂向下的VHDL設(shè)計(jì)方法，將該控制器分成用VHDL語言進(jìn)行描述的五個(gè)子模塊來實(shí)現(xiàn)的。在Quartus II 8.0軟件平臺上，完成了對該控制器的設(shè)計(jì)輸入、綜合、仿真和下載。在實(shí)驗(yàn)開發(fā)板上，也進(jìn)行了硬件調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的VGA控制器能夠正確地輸出RGB顏色信號和時(shí)序控制信號

3、，可以顯示符合VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測試彩條信號，內(nèi)置ROM信息,實(shí)時(shí)RAM信息，還能夠分屏顯示三路RGB圖像信息，并在這幾種模式之間靈活切換和通斷。它工作穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　本設(shè)計(jì)利用了不同于以往傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法，具有修改靈活，高移植性，維護(hù)簡單，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。大大地縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本。</p><p>　　關(guān)鍵詞　現(xiàn)場可編程門陣列；硬件描述語言；視頻圖

4、像陣列</p><p>　　The VGA Display Controller Design Based on FPFA</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The currently, the digital products which most of them have a display scre

5、en entered in every area of people's lives gradually, so we can see the great market demand of the study on the control circuit .As a standard display interface has been widely used, the VGA display controller based

6、on this VGA norm also has a broad field of use at the same time.</p><p>　　In this paper, designed through the use of ultra-large-scale programmable logic device-FPGA and Altera developed EDA design software

7、Quartus II of version 8.0, and the VHDL top-down design methodology,the VGA controller was divided into five sub-modules which described with VHDL language. It has finished the design of the controller input, integrated,

8、 simulation, and download on Quartus II 8.0 software platform,and it has carried out hardware debugging on the experimental development board. The </p><p>　　With the advantage of easily change, high portabil

9、ity, easy maintenance, good reliability,this design is different from the traditional method of electronic design.It greatly short the design cycle and reduce the production costs.</p><p>　　Keywords　FPGA；VHD

10、L；VGA</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b&g

11、t;</p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1</p><p>　　1.2.1 顯示技術(shù)的發(fā)展史1</p><p>　　1.2.2 各種顯示器的顯示原理2</p><p>　　1.2.3 顯示標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展4</p><p>　　1.2.4 VG

12、A概述及其接口5</p><p>　　1.3 論文研究內(nèi)容7</p><p>　　第2章 VGA顯示控制的相關(guān)理論8</p><p>　　2.1 VGA顯示控制8</p><p>　　2.1.1 VGA顯示控制方式8</p><p>　　2.1.2 顏色模型10</p><p>　　

13、2.1.3 分屏顯示技術(shù)12</p><p>　　2.1.4 矩陣切換技術(shù)12</p><p>　　2.2 實(shí)現(xiàn)工具簡介12</p><p>　　2.2.1 基于VHDL的自頂向下設(shè)計(jì)方法12</p><p>　　2.2.2 QuartusII軟件簡介14</p><p>　　2.2.3 VHDL語言簡介1

14、6</p><p>　　2.2.4 FPGA簡介16</p><p>　　2.3 本章小結(jié)18</p><p>　　第3章 VGA顯示控制器的VHDL設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1 顯示控制器的整體設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想19</p><p>　

15、　3.1.2 系統(tǒng)的功能模塊劃分19</p><p>　　3.1.3 各個(gè)模塊的分別實(shí)現(xiàn)20</p><p>　　3.1.4 系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.2 系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.2.1 PLL鎖相環(huán)設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.2.2 彩條信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

16、23</p><p>　　3.2.3 ROM信息讀取顯示控制器設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.2.4 實(shí)時(shí)RAM信息讀取顯示控制器設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.2.5 多路RGB圖像信號分屏顯示控制器設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.2.6 4路VGA圖像信號矩陣切換控制器設(shè)計(jì)32</p><p>　　

17、3.3 本章小結(jié)35</p><p>　　第4章 基于FPGA的VGA顯示控制器實(shí)現(xiàn)36</p><p>　　4.1 頂層原理圖設(shè)計(jì)輸入36</p><p>　　4.2 編譯綜合37</p><p>　　4.3 整體仿真38</p><p>　　4.4 引腳鎖定和下載38</p><p&

18、gt;　　4.5 調(diào)試結(jié)果39</p><p>　　4.6 本章小結(jié)42</p><p><b>　　結(jié)論43</b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b&

19、gt;　　附錄A46</b></p><p><b>　　附錄B50</b></p><p><b>　　附錄C53</b></p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p

20、><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　研究表明人的各種感覺器官從外界獲得的信息中視覺占60%，聽覺占20%，觸覺占15%，味覺占3%，嗅覺占2%，近2/3的信息是通過眼睛獲得的，從而圖像顯示成為傳遞信息最重要的方式，由此也就促進(jìn)人們對顯示以及控制技術(shù)的研究開發(fā)。&

21、lt;/p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)、材料技術(shù)、微電子技術(shù)和加工工藝的發(fā)展，基于乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)的CPLD以及基于查找表法的FPGA等超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷漠a(chǎn)生。它們的功能強(qiáng)大，邏輯資源豐富，編程方式簡單先進(jìn)，高速度，高可靠性，使用方便，開發(fā)簡潔，維護(hù)簡單，易學(xué)易用，開發(fā)周期和上市時(shí)間短以及節(jié)約開發(fā)成本等眾多特點(diǎn)。</p><p>　　與此同時(shí)，EDA(Electronic Design Aut

22、omation)技術(shù)，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)也取得飛速發(fā)展。它依賴功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺上，對以硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合（布局布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實(shí)現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。EDA技術(shù)使得設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件方式，即利用硬件描述語言和EDA軟件來完成對系統(tǒng)

23、硬件功能的設(shè)計(jì)。這使得該技術(shù)成為了現(xiàn)代電子技術(shù)設(shè)計(jì)的核心。它與這些超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷嘟Y(jié)合，更是具備了開發(fā)SOPC(可編程片上系統(tǒng))的實(shí)力，極大地改變了傳統(tǒng)的ASIC等電子設(shè)計(jì)方法。未來的電子設(shè)計(jì)更是在朝著這個(gè)方向發(fā)展。</p><p>　　目前，連接計(jì)算機(jī)與顯示設(shè)備的主要接口是VGA接口，而且在較短的一段時(shí)間內(nèi)VGA接口仍然會有很大的使用價(jià)值。國內(nèi)的現(xiàn)實(shí)設(shè)備絕大多數(shù)仍然是VGA顯示類型的顯示器，只有在諸如筆

24、記本、數(shù)碼相機(jī)等數(shù)碼便攜產(chǎn)品或者其他有特殊要求或更高端的產(chǎn)品中應(yīng)用LCD等先進(jìn)的顯示設(shè)備來作為主要顯示，但是為了跟其它的顯示設(shè)備兼容互聯(lián)，它也帶有VGA接口；不僅如此在等離子電視、DVD、數(shù)字機(jī)頂盒等設(shè)備中都帶有VGA接口。同時(shí)，基于VGA技術(shù)的數(shù)碼產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入到人們的生活中，例如手機(jī)、MP4等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品中的顯示屏都是利用VGA控制方式進(jìn)行顯示的?？梢砸姷茫瑢GA控制器的研究仍有著廣泛的市場需求[1]。</p>&

25、lt;p><b>　　國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　顯示技術(shù)的發(fā)展史</b></p><p>　　1897年德國K.F.布勞恩發(fā)明陰極射線管，用于測量儀器上顯示快速變化的電信號。后來經(jīng)過顯示材料及顯示技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從最簡單的圖象顯示單元（即黑白兩色或明暗兩個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的集合），進(jìn)一步發(fā)展到明暗程度可調(diào)，具有灰度等級的黑

26、白顯示，甚至引進(jìn)紅藍(lán)綠三基色顏色模型，實(shí)現(xiàn)了彩色顯示[2]。</p><p>　　到20世紀(jì)50年代，電視技術(shù)的發(fā)展成為顯示技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。顯示設(shè)備和顯示軟件構(gòu)成了現(xiàn)代顯示技術(shù)的基礎(chǔ)。顯示設(shè)備分為電子束管型、平板型和投影型。顯示處理器是顯示設(shè)備的重要部件，功能是對各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行控制、處理等操作。鍵盤、光筆、圖形板等輸入裝置提供了人機(jī)交互的工具。顯示軟件是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上編制而成的。交互式顯示設(shè)備的交

27、互能力由圖形軟件實(shí)現(xiàn)。在醫(yī)療、工程設(shè)計(jì)、辦公自動(dòng)化等方面顯示軟件得到廣泛應(yīng)用。電子束管顯示器件在顯示技術(shù)中居主要地位，但各種平板顯示器件（即矩陣顯示）將得到迅速發(fā)展。計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)的發(fā)展也將推動(dòng)顯示軟件的發(fā)展。</p><p>　　到目前為止，從CRT到LCD、PDP、LED、OELD、FED及FPD等各種顯示技術(shù)以及顯示控制技術(shù)都在不斷發(fā)展，不斷完善，呈現(xiàn)出百花齊放，百家爭鳴的景象。每種顯示技術(shù)都有其存在的優(yōu)勢

28、，具有自己的市場定位和應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　各種顯示器的顯示原理</p><p>　　通過對不同的物理特性的技術(shù)應(yīng)用，產(chǎn)生了不同顯示原理的顯示器。這也就促進(jìn)了顯示控制技術(shù)的發(fā)展，拓寬了顯示應(yīng)用領(lǐng)域，這些顯示器各有優(yōu)點(diǎn)，適用于不同的領(lǐng)域，下面將分別介紹這些顯示器及其顯示原理：</p><p>　　1.CRT顯示器的的顯示原理</p><p

29、>　　CRT顯示器的主體就是CRT顯像管，CRT顯像管是一種真空電子管，利用電子束轟擊熒光屏來工作。所以CRT必然包含三大部件：發(fā)射電子并將它們會聚成細(xì)束的電子槍、使電子束在熒光屏上掃描的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、根據(jù)電子束能量強(qiáng)弱而發(fā)出不同亮度光的熒光屏。</p><p>　　在電子槍中，陰極的圓筒內(nèi)裝有燈絲，用來加熱陰極，陰極受熱后便能發(fā)射電子；控制極，又稱柵極，它與陰極之間的電位差大小，將決定電子束的強(qiáng)弱；加速極加有

30、500V左右的正電壓，將陰極上的電子拉出來，并使電子加速射向熒光屏，通過調(diào)節(jié)此電壓的大小，將影響顯像管的亮度；聚焦極上面加有5KV左右的正電壓，調(diào)節(jié)此電壓的大小，可使聚焦良好，聚焦不良模糊圖像；高壓陽極上面加有25KV左右高壓，此高壓同時(shí)加到內(nèi)導(dǎo)電層，形成一個(gè)均勻等電位空間，使陰極發(fā)射的電子高速轟擊熒光屏上的熒光粉，就可以實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。</p><p>　　CRT顯示器占了顯示器行業(yè)的很大比重，如電視機(jī)顯示器等

31、絕大多數(shù)都采用CRT顯示技術(shù)。與此同時(shí)，其它顯示器也在迅速發(fā)展，與CRT顯示器的差距正在逐步縮小。</p><p>　　2.液晶顯示器的顯示原理</p><p>　　物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。通常固體加熱至溶點(diǎn)就變成透明的液體。然而，有些有機(jī)材料并不是直接從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，而是經(jīng)過中間狀態(tài)，然后才轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。這種中間狀態(tài)外觀是流動(dòng)性的混濁液體，同時(shí)又具有光學(xué)各向異性晶體所特有的雙折射特

32、性。這種處于中間狀態(tài)物質(zhì)，一方面具有像液體一樣的流動(dòng)性和連續(xù)性，另一方面又具有像晶體一樣的各向異性，像這樣的有序流體就是液晶。</p><p>　　從液晶分子排列的結(jié)構(gòu)來看，液晶可分為向列相(Nematic)、膽甾相(Cholesteric)和近晶相(Smectic)三種類型。向列相的分子具有一長的剛性中心部分，呈棒狀，其一端或兩端具有柔性尾鏈，分子取向是長程有序的，但分子質(zhì)心的分布是無規(guī)則的；膽甾相的分子呈層狀

33、排列，每層中分子長軸大致平行，相鄰兩個(gè)平面上的分子長軸方向相差一確定角度，分子取向的扭轉(zhuǎn)，使分子的排列呈螺旋狀；近晶相的分子形成層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)分子長軸大致平行，層內(nèi)分子的質(zhì)心可呈無序狀態(tài)，也可呈二維有序狀態(tài)，較前兩種具有更大的粘度。</p><p>　　液晶分子它柔軟而易變形，受電場、磁場、溫度、應(yīng)力等外部作用時(shí)，比較容易重新排列，導(dǎo)致光學(xué)各向異性的各種特性也隨之變化，這種柔軟的分子排列是將其應(yīng)用于顯示器、光學(xué)器

34、件、傳感器等的基礎(chǔ)[2]。</p><p>　　液晶顯示器的工作原理就是自然光經(jīng)過一偏振片后“過濾”為線性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距遠(yuǎn)比可見光波長大得多，所以當(dāng)沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的線性偏振光入射后，其偏光方向在經(jīng)過整個(gè)液晶層后會扭曲90°由另一側(cè)射出，正交偏振片起到透光的作用；如果在液晶盒上施加一定值的電壓，液晶長軸開始沿電場方向傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到約2倍閾值電壓后，除電極

35、表面的液晶分子外，所有液晶盒內(nèi)兩電極之間的液晶分子都變成沿電場方向的再排列，這時(shí)90°旋光的功能消失，在正交偏振片間失去了旋光作用，使器件不能透光。這就實(shí)現(xiàn)了對顯示的控制。</p><p>　　液晶顯示器具有平板式結(jié)構(gòu)，顯示信息量大，易于彩色化，壽命長，低電壓，微功耗，無輻射和無污染等優(yōu)點(diǎn)；但也存在顯示視角小，響應(yīng)速度慢，怕高溫等缺點(diǎn)。</p><p>　　3.PDP（等離子體顯

36、示器）顯示原理</p><p>　　PDP是指所有利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示器件的總稱。它屬于冷陰極放電管，其利用加在陰極和陽極間一定的電壓，使氣體產(chǎn)生輝光放電。彩色PDP是通過氣體放電發(fā)射的真空紫外線（VUV）,照射紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉，使熒光粉發(fā)光來實(shí)現(xiàn)彩色顯示。</p><p>　　等離子體顯示板（Plasma Display Panel,PDP）具有易于實(shí)現(xiàn)大屏幕，厚度薄，重量

37、輕，具有高速響應(yīng)特性，視角寬可達(dá)160度，伏安特性非線性強(qiáng)，有很陡的閥值特性，具有存儲功能，無圖像畸變，不受磁場干擾，工作于全數(shù)字化模式，可實(shí)現(xiàn)全彩顯示和長壽命等優(yōu)點(diǎn)。其價(jià)格較高，主要用于公共場所。</p><p>　　4.投影顯示器的顯示原理</p><p>　　投影顯示是指由平面圖像信息控制光源，利用光學(xué)系統(tǒng)和投影空間把圖像放大并顯示在屏幕上的方法或裝置。投影電視的顯示方式與CRT顯像

38、管顯示、液晶顯示屏顯示和等離子顯示屏顯示等的顯示方式不同。它是由光學(xué)成像系統(tǒng)最終來完成圖像的顯示。</p><p>　　如CRT三槍投影機(jī)，它主要是由三個(gè)CRT管組成。CRT(Cathode Ray Tube)是陰極射線管，主要是由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈及管屏組成。為了使CRT管在屏幕上顯示圖像信息，CRT投影機(jī)把輸入的信號源分解到R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))三個(gè)CRT管的熒光屏上，熒光粉在高壓作用下發(fā)光，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)

39、放大和會聚，在大屏幕上顯示出彩色圖像。由于使用內(nèi)光源，屬于主動(dòng)式投影方式。</p><p>　　經(jīng)過大幾十年的研究和開發(fā)，投影技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前廣泛地應(yīng)用于賓館、影院、會議室以及家庭中。</p><p>　　5.有機(jī)電致發(fā)光顯示器顯示原理</p><p>　　發(fā)光二極管簡稱為LED，它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，

40、因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。發(fā)光二極管顯示技術(shù)(LED)發(fā)展速度很快，超高亮度LED和藍(lán)色LED的研制成功使其發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。</p><p>　　有機(jī)電致發(fā)光顯示就來源于電致發(fā)光(EL)，電致發(fā)光是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為光輻射的物理現(xiàn)象，有機(jī)EL是在發(fā)光層上使用有機(jī)化合物的發(fā)光型顯示器件,由于采用電流注入型的工作機(jī)制，故屬于發(fā)光二極管類。但以薄膜面發(fā)光，

41、因此稱為有機(jī)EL或有機(jī)薄膜EL。如染料及顏料為發(fā)光材料的小分子組件(molecule-based device)系統(tǒng)，即OELD，它具有先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、主動(dòng)發(fā)光、低電壓驅(qū)動(dòng)、高亮度、全色彩、厚度小、可大面積顯示、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度可達(dá)到LCD的1000倍以上等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)很有前途的顯示器。</p><p>　　另外，如場致發(fā)射顯示(FED)是將真空微電子管應(yīng)用于顯示而非使用熱能,因而場發(fā)射電子束能量分布范圍

42、較傳統(tǒng)熱電子束窄且具有較高亮度,此外非常薄、輕、省能源,它集CRT的高顯示質(zhì)量和LCD的低功耗優(yōu)點(diǎn)于一身,是一種新興的具有廣闊發(fā)展?jié)摿Φ淖园l(fā)光平板顯示技術(shù)。</p><p><b>　　顯示標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展</b></p><p>　　在計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，業(yè)界制定了多種顯示標(biāo)準(zhǔn)，從最初的MDA經(jīng)歷了CGA，EGA，VGA，XGA，SVGA等發(fā)展過程。與相應(yīng)的顯示標(biāo)

43、準(zhǔn)相配的顯示器也可稱之為EGA，VGA，XGA顯示器等。顯示器的標(biāo)準(zhǔn)主要反映在它們的接口，顯示功能和行，場工作頻率上。這些標(biāo)準(zhǔn)分別如下：</p><p>　　1.MDA標(biāo)準(zhǔn)：MDA標(biāo)準(zhǔn)是IBM公司制定的PC視頻顯示的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它只支持字符顯示功能，無圖形和彩色顯示能力，也無灰度等級。因而它在使用中很受限制。MDA顯示標(biāo)準(zhǔn)的字符顯示規(guī)格為80列×25行，分辨率為720×350。行頻為18.43

44、2KHz，場頻為50Hz。其信號接口采用9針D形接口。</p><p>　　2.CGA標(biāo)準(zhǔn)：CGA是作為MDA的替代品出現(xiàn)的，它與MDA相比增加了兩大功能，即彩色顯示和圖形顯示。它的最高分辨率為640×200，但此方式只能顯示單一顏色。而在彩色圖形顯示方式下工作時(shí)分辨率很低，只能達(dá)到320×200。它的行頻為15.7KHz，場頻為60Hz，它規(guī)定了兩種接口形式，一種是9針D形接口，管腳與MDA

45、的接口排列相同。另一種是輸出NTSC復(fù)合視頻信號，因此可以用NTSC電視作計(jì)算機(jī)顯示器。</p><p>　　3.EGA標(biāo)準(zhǔn)：EGA是當(dāng)時(shí)的一種增補(bǔ)型圖形適配器。在軟件上兼容CGA.它的最高分辨率為640×350，行頻為21.8KHz，場頻為60Hz?？梢栽O(shè)置成單顯方式。它的信號接口也是采用D形9針，其排列與MDA相同。</p><p>　　4.VGA標(biāo)準(zhǔn)：VGA彩色顯示標(biāo)準(zhǔn)是I

46、BM在1987年隨PS/2機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)。它采用模擬信號代替數(shù)字信號顯示，具有分辨率高，顯示速率快，顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，作為一種公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　以上MDA，CGA，EGA三種標(biāo)準(zhǔn)都是以TTL數(shù)字信號輸出。而VGA標(biāo)準(zhǔn)采用了模擬信號輸出，因而其彩色顯示能力大大加強(qiáng)了，原則上可以顯示無窮多的顏色。它的最高分辨率為640×480，行頻為31.

47、5KHz，場頻為60-70Hz。它可以兼容CGA，EGA標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　5.XGA標(biāo)準(zhǔn)：XGA標(biāo)準(zhǔn)它是一種擴(kuò)展圖形陣列適配器，它的最高分辨率為1024×768，但與8514標(biāo)準(zhǔn)相比有著更好的圖形顯示能力，因?yàn)樗捎昧酥鹦袙呙璺绞剑男蓄l為48KHz，場頻為60Hz。它兼容VGA、8514/A標(biāo)準(zhǔn)。接口為15針D形標(biāo)準(zhǔn)接口。</p><p>　　6.SVGA標(biāo)準(zhǔn)：SV

48、GA標(biāo)準(zhǔn)是VESA(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）為了統(tǒng)一顯示器的視頻顯示標(biāo)準(zhǔn)，對以前的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，并同時(shí)制定了一些超過VGA,XGA的標(biāo)準(zhǔn)。同以上幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相比SVGA一般都有多個(gè)掃描頻率，如：640×480，800×600，1024×768，1280×1024，1600×1200等。</p><p><b>　　VGA概述及其接口</b></

49、p><p>　　VGA的英文全稱是Video Graphics Array ，即視頻圖像陣列。由前面的顯示標(biāo)準(zhǔn)可知，它是IBM公司在1987年隨著IBM PC機(jī)一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，在單色、彩色圖像顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下面將詳細(xì)介紹VGA現(xiàn)狀及其接口：</p><p>　　1.VGA顯示標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀</p><p>　　如今VGA彩色顯示系統(tǒng)的技術(shù)

50、指標(biāo)己被工業(yè)界所采納并己標(biāo)準(zhǔn)化。該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持在640×480的較高分辨率下同時(shí)顯示16種彩色或256種灰度，而在320x240分辨率下可以同時(shí)顯示256種顏色。VGA由于良好的性能迅速開始流行，廠商們紛紛在VGA基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充，如將顯存存儲容量提高至IM字節(jié)使其能支持更高的分辨率，這些擴(kuò)充的模式就稱之為VESA（Video Electronics Standards Association，視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）的Super V

51、GA 模式，簡稱SVGA，它的體系結(jié)構(gòu)與IBM VGA相同，其最顯著的特點(diǎn)是具有高分辨率的顯示功能和比IBM VGA更豐富的色彩顯示能力。它的主要顯示模式有：640×480，256顏色；800×600，16顏色；1024×768，16顏色等?，F(xiàn)在的顯卡和顯示器都支持SVGA模式。</p><p>　　VGA標(biāo)準(zhǔn)對于現(xiàn)今的個(gè)人電腦市場已經(jīng)十分過時(shí)。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同

52、支援的一個(gè)低標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)人電腦在加載自己的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)程式之前，都必須支援VGA的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　2.VGA接口</b></p><p>　　顯卡所處理的信息最終都要輸出到顯示器上，顯卡的輸出接口就是電腦與顯示器之間的橋梁，它負(fù)責(zé)向顯示器輸出相應(yīng)的圖像信號。CRT顯示器因?yàn)樵O(shè)計(jì)制造上的原因，只能接受模擬信號輸入，這就需要顯卡能輸入模擬信號。VGA接口就是顯

53、卡上輸出模擬信號的接口，這就是VGA接口產(chǎn)生的原因。</p><p>　　VGA接口，也叫D-Sub接口。雖然液晶顯示器可以直接接收數(shù)字信號，但很多低端產(chǎn)品為了與VGA接口顯卡相匹配，因而采用VGA接口。這種D型接口，上面共有15針空，分成三排，每排五個(gè)。它的具體分布和實(shí)物圖如圖1-1所示，其管腳功能分配則如表1-1所示。</p><p>　　圖1-1 VGA接口及實(shí)物圖</p>

54、;<p>　　表1-1 VGA 接口管腳功能分配</p><p>　　VGA接口是顯卡上應(yīng)用最為廣泛的接口類型，多數(shù)的顯卡都帶有此種接口。有些不帶VGA接口而帶有DVI(Digital Visual Interface數(shù)字視頻接口）接口的顯卡，也可以通過一個(gè)簡單的轉(zhuǎn)接頭將DVI接口轉(zhuǎn)成VGA接口，專業(yè)的顯示設(shè)備除了有 D15 接口外，還有 rgbhv 的 BNC 接口。BNC接口僅有rgbhv這5根

55、連接線，一一連接即可，但得注意選用 75 歐的 BNC 頭。</p><p><b>　　論文研究內(nèi)容</b></p><p>　　本論文研究的內(nèi)容就是利用EDA技術(shù)和FPGA相結(jié)合這種先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)方法，靈活并且快捷地來實(shí)現(xiàn)基于FPGA的VGA顯示控制器的設(shè)計(jì)。讓該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)彩條信號產(chǎn)生、ROM信息讀取顯示、實(shí)時(shí)RAM信息顯示、分屏顯示以及多路信號選擇切換等功能

56、。</p><p>　　本論文對完成該控制器設(shè)計(jì)的具體過程如下：</p><p>　　首先，通過閱讀已學(xué)過的電子設(shè)計(jì)相關(guān)書籍、在圖書館查閱相關(guān)資料以及網(wǎng)絡(luò)搜索等途徑，較詳細(xì)地了解了EDA設(shè)計(jì)、CPLD/FPGA結(jié)構(gòu)、各種顯示器的顯示原理以及基于這些顯示器的顯示標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)知識，另外，還有VGA接口、VGA時(shí)序控制、顏色模型、分屏顯示技術(shù)、矩陣切換技術(shù)等與該控制器設(shè)計(jì)相關(guān)的理論和工具。<

57、/p><p>　　其次，對已實(shí)現(xiàn)的許多符合VGA顯示標(biāo)準(zhǔn)的顯示控制器的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)過程，進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上，整合了這些設(shè)計(jì)，同時(shí)，通過引入了分屏顯示技術(shù)和矩陣切換技術(shù)，提出了一個(gè)基于VHDL的自頂向下模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，利用VHDL（硬件描述語言）來描述各個(gè)模塊的功能，并在Quartus II 8.0軟件平臺上分別對其進(jìn)行了仿真和分析。</p><p>　　然后，通過在Quartu

58、s II 8.0的頂層原理圖中調(diào)用這些功能模塊的符號元件，來實(shí)現(xiàn)VGA控制器的整體功能。分別對整體設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合、仿真分析并且下載到EDA實(shí)驗(yàn)調(diào)試平臺（內(nèi)含Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N）上進(jìn)行硬件調(diào)試，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能的控制情況，并給出了相應(yīng)調(diào)試結(jié)果的效果圖。</p><p>　　最后，分析總結(jié)了所設(shè)計(jì)的這個(gè)控制器的優(yōu)點(diǎn)和存在的不足。</p><p>　　VGA顯示

59、控制的相關(guān)理論</p><p>　　本章主要介紹了一些有關(guān)顯示控制的相關(guān)理論，如VGA的控制顯示方式、顏色模型、分屏技術(shù)以及矩陣切換技術(shù)等顯示控制技術(shù)。另外，還介紹了一些EDA設(shè)計(jì)理念、實(shí)現(xiàn)工具和硬件結(jié)構(gòu)等知識。</p><p><b>　　VGA顯示控制</b></p><p><b>　　VGA顯示控制方式</b>&l

60、t;/p><p>　　常見的顯示屏有LCD、CRT、等離子、LED等，雖然它們的工作原理和顯示方式是不同的，但它們的控制信號和控制方式是相同的。所以，基于VGA技術(shù)的控制方式可應(yīng)用到上述顯示設(shè)備中。下面就僅基于CRT顯示器來詳述VGA的顯示控制過程。</p><p>　　CRT顯示器的陰極射線管發(fā)射電子束，RGB三束電子束擊打在CRT屏幕背面的熒光層上形成一個(gè)像素。電子束不斷地從左到右掃描顯示

61、屏，與此同時(shí)，它的亮度調(diào)制在熒光屏上產(chǎn)生了顯示圖案，這個(gè)過程稱為顯示刷新或屏幕刷新。電子束從屏幕的左上角開始向右掃描，在到達(dá)屏幕的右邊緣后，電子束被關(guān)閉(水平斷開)，接著，它又迅速地返回到屏幕的左邊緣(水平回掃)，并開始進(jìn)行下一行水平方向的掃描，這是通過HS來控制的。在完成全部水平方向的掃描之后，電子束將在屏幕的右下角結(jié)束。在此處電子束被關(guān)閉(垂直斷開)，接著又迅速返回到左上角(垂直回掃)，這樣下一個(gè)屏幕就開始顯示了，而這又是VS來控制

62、的。為了使顯示區(qū)工作在線性掃描的范圍內(nèi)，無論是水平方向還是垂直方向，都有一定的“過量掃描(overscan)”。在過量掃描期間，電子束也被關(guān)閉，因而與回掃過程一樣，CRT處于消隱狀態(tài)(blank)。只有在掃描過程的允許期內(nèi)，電子束才打開，因而屏幕上才會出現(xiàn)相應(yīng)的圖畫。其控制顯示的過程如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 VGA顯示原理及掃描過程</p><p>　　所以，CRT顯

63、示器要正確顯示圖像, 就需要RGB(3 基色信號) ,HS(行同步信號) ,VS(場同步信號)這5個(gè)信號來共同驅(qū)動(dòng)。HS,VS時(shí)序分別如圖2-2和2-3所示。</p><p>　　圖2-2 HS掃描時(shí)序圖</p><p>　　圖2-3 VS掃描時(shí)序圖</p><p>　　VGA 顯示要嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”, 即640 Hz ×480 Hz ×

64、;60Hz 模式。VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率為：時(shí)鐘頻率：25.175MHz(像素輸出的頻率)，行頻:31 469 Hz，場頻：59.94 Hz(每秒圖像刷新頻率)。VGA的HS行掃描時(shí)序要求如表2-1所示；VS場掃描時(shí)序要求如表2-2所示。</p><p>　　表2-1 HS行掃描時(shí)序要求：</p><p>　　表2-2 VS行掃描時(shí)序要求：</p><p>　　對

65、VGA顯示器,每個(gè)像素點(diǎn)的輸出頻率為25. 175MHz ，因此25MHz的輸入時(shí)鐘脈沖采用50MHz經(jīng)二分頻得到。依據(jù)VGA 時(shí)序標(biāo)準(zhǔn),行同步信號HS，行周期為31. 78μs，每顯示行包括800 點(diǎn)，其中640 點(diǎn)為有效顯示區(qū)，160 點(diǎn)為行消隱區(qū),每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為3. 81μs (96 個(gè)脈沖)；場同步信號VS ，場周期為16.683ms ，每場有525行，其中480 行為有效顯示行，45 行為場消隱區(qū),每場有

66、一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度為63μs (2行) 。</p><p><b>　　顏色模型</b></p><p>　　電磁波波長范圍很大，但是只有波長在400~760nm這樣很小范圍內(nèi)的電磁波，才能使人產(chǎn)生視覺，感到明亮和顏色。把這個(gè)波長范圍內(nèi)的電磁波叫可見光?？梢姽饪捎蓭追N顏色按不同比例來產(chǎn)生，這就產(chǎn)生了各種顏色模型。</p><p>&l

67、t;b>　　RGB顏色模型</b></p><p>　　在傳送和重現(xiàn)顏色時(shí)，只要求重現(xiàn)原景物的彩色感，并不一定要求恢復(fù)原來的光譜。為此，我們只需要研究顏色之間的相互關(guān)系，可以不考慮譜色及非譜色等問題。大量實(shí)驗(yàn)證明，大自然中幾乎所有顏色都可以由三種基色按不同比例混合而得到，即：</p><p><b>　?。?—1）</b></p>&l

68、t;p>　　式2-1中，a,b,r>=0，a,b,r是紅、綠、藍(lán)三色的混合比例，稱為三色系數(shù)。</p><p>　　于是出現(xiàn)了顏色計(jì)量的基礎(chǔ)—三基色原理。該原理的主要內(nèi)容是:適當(dāng)選擇三種基色， ，混出的彩色光的色調(diào)由三基色的比例關(guān)系決定，其亮度由三基色光的亮度之和決定。要求選擇的三種基色是互相獨(dú)立的，即任一基色光不可由其他兩種基色光以任何方式相混產(chǎn)生;選擇三種基色的方法要盡可能簡單，由它們配出的彩色域

69、要盡可能大。</p><p>　　利用三基色原理，再結(jié)合人眼的特殊結(jié)構(gòu)，所有的顏色都被看作是三種所謂的基色紅、綠、藍(lán)的不同組合。為了標(biāo)準(zhǔn)化，CIE組織在1931年給這三種基色規(guī)定了以下特定的波長值，即藍(lán)為435.8nm，綠為546.nm，紅為700nm。但從某種意義上來說，沒有哪種單一的顏色可被看成為紅、綠、藍(lán)。這樣為了標(biāo)準(zhǔn)化而規(guī)定三種特定顏色的波長并不意味著這三種固定的單一波長的紅、綠、藍(lán)三基色能產(chǎn)生所有的顏色

70、。因?yàn)椤盎尽边@個(gè)詞的使用有可能使人們錯(cuò)誤地認(rèn)為這三種標(biāo)準(zhǔn)的基色當(dāng)以不同的強(qiáng)度比例混合時(shí)能產(chǎn)生所有不同的顏色。</p><p>　　在RGB色彩模型中，以紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)作為基色，其他的顏色都是由這三種基色混合而成的。我們可以將RGB色彩模型看成是一個(gè)三維模型，立體直角坐標(biāo)系中三根軸表示的分別是紅色、綠色和藍(lán)色，立方體內(nèi)任意一點(diǎn)表示一種顏色，該立方體在RGB三根軸上的投影就是三種基色的飽和度。在

71、立方體的原點(diǎn)處，紅、綠、藍(lán)均為0，表示黑色。立方體對角線上，紅、綠、藍(lán)三基色的飽和度相等，這正好表示灰度。對角線的終點(diǎn)處，紅、綠、藍(lán)三者均達(dá)到最大，表示白色。為了方便，假設(shè)所有的顏色值都己被標(biāo)準(zhǔn)化，因此，圖中的RGB三者的范圍是0到1。</p><p>　　在顯示屏的顯示應(yīng)用中，為了能顯示出彩色，可以通過各種色彩模型來實(shí)現(xiàn)，而使用的最多的色彩模型就是RGB色彩模型。例如：CRT顯示器使用的就是RGB色彩模型，顯示

72、器的三個(gè)電子槍分別對應(yīng)著紅色、綠色和藍(lán)色，一個(gè)像素的顏色就是用這三個(gè)電子束的強(qiáng)弱來表示的。顯示適配器中同樣使用RGB色彩模型來描述顏色，以保持與顯示器的一致。在VGA控制器的設(shè)計(jì)中，也采用了該色彩模型來描述顏色。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，為了調(diào)試方便，并沒有拓寬每種顏色的位寬，僅使用了每種顏色1位共3位8種顏色輸出，對應(yīng)RGB顏色模型的顏色編碼如表2-3所示。</p><p>　　

73、表2-3 RGB模型顏色編碼</p><p><b>　　其它顏色模型</b></p><p>　　除了RGB模型外，還有其他很多的顏色模型，這些模型多用于圖像處理。具體如下：</p><p>　　1. CMY顏色模型</p><p>　　CMY顏色模型是以紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（

74、Yellow）為原色構(gòu)成的顏色模型。CMY顏色模型常用于從白光中濾去某種顏色，故稱為減色原色空間。CMY顏色模型對應(yīng)的直角坐標(biāo)系的子空間與RGB顏色模型對應(yīng)的子空間幾乎完全相同。</p><p>　　2. HSV顏色模型</p><p>　　HSV（Hue，Saturation，Value）顏色模型則是面向用戶的，在HSV顏色模型中，每一種顏色和它的補(bǔ)色相差180度，圓錐的頂面對應(yīng)于V=1

75、，它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1三個(gè)面，故所代表的顏色較亮。色度H由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定。紅色對應(yīng)于角度0度，綠色對應(yīng)于角度120度，藍(lán)色對應(yīng)于角度240度。在圓錐的頂點(diǎn)處，V=0，H和S無定義，代表黑色。圓錐的頂面中心處S=0，V=1，H無定義，代表白色。</p><p>　　HSV顏色模型具有以下的優(yōu)點(diǎn)：符合人眼對顏色的感覺。當(dāng)采用RGB（或者CMY）顏色模型時(shí)，改變某一顏色的屬性，比如改變色調(diào)就必

76、須同時(shí)改變R、G、B（或者C、M、Y）三個(gè)坐標(biāo)；而采用HSV顏色模型時(shí)只需改變H坐標(biāo)。也就是說，HSV顏色模型中的三個(gè)坐標(biāo)是獨(dú)立的。HSV顏色模型構(gòu)成的是一個(gè)均勻的顏色空間，采用線性的標(biāo)尺，彩色之間感覺上的距離與HSV顏色模型坐標(biāo)上點(diǎn)的歐幾里德距離成正比。</p><p>　　3.CIE（國際照明委員會）顏色模型</p><p>　　CIE顏色模型包括一系列顏色模型，這些顏色模型是由國際照

77、明委員會提出的，是基于人的眼睛對RGB的反應(yīng)，被用于精確表示對色彩的接收。</p><p>　　這些顏色模型被用來定義所謂的獨(dú)立于設(shè)備的顏色。它能夠在任何類型的設(shè)備上產(chǎn)生真實(shí)的顏色，例如：掃描儀、監(jiān)視器和打印機(jī)。這些模型被廣泛地使用，因?yàn)樗鼈兒苋菀妆挥糜谟?jì)算機(jī)，描述顏色的范圍。</p><p>　　CIE的模型包括：CIE XYZ，CIE L*a*b*和 CIE YUV等，此處從略，具體請

78、參閱圖像處理相關(guān)書籍。</p><p><b>　　分屏顯示技術(shù)</b></p><p>　　分屏顯示技術(shù)是利用一臺計(jì)算機(jī)同時(shí)控制多個(gè)顯示器?？梢栽诓煌慕缑嫔巷@示不同的畫面。一般的說，一臺計(jì)算機(jī)只帶一臺顯示器。但是一臺顯示器其顯示的區(qū)域往往有限，如果需要顯示多區(qū)域或顯示大的區(qū)域，要么是用多臺計(jì)算機(jī)來顯示，要么用一臺計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示器。分屏技術(shù)在非工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)得

79、到廣泛的應(yīng)用，如機(jī)場、車站、樓宇監(jiān)控等多個(gè)行業(yè)。</p><p>　　采用分屏顯示技術(shù)，也可以在一臺計(jì)算機(jī)主機(jī)上同時(shí)顯示多幅畫面，不同的界面顯示不同的畫面。使顯示器以電視墻的形式來顯示，方便從多角度地來觀察，還能最大限度地利用顯示資源。本設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)的這個(gè)功能。</p><p><b>　　矩陣切換技術(shù)</b></p><p>　　切換原理上就

80、是選擇，選擇的方式有很多種，最簡單的就是將信號線直接接在一起，比如接線板，利用人工將輸出信號線跳接在輸入信號線上，也可完成選擇，或利用琴鍵開關(guān)完成接通與斷開，當(dāng)然這是人工操作的，機(jī)械的，不存在指標(biāo)等技術(shù)問題，故不作為矩陣切換討論。第二種方式，利用繼電器也可完成選擇，利用電平控制繼電器的通斷，可完成輸出線與輸入信號之間的斷開與聯(lián)接，也可完成信號的選擇，第三種方式是根據(jù)電路原理，利用芯片內(nèi)部電路的導(dǎo)通與關(guān)閉進(jìn)行接通與關(guān)斷，并可通過電平進(jìn)行控

81、制完成信號的選擇。</p><p>　　矩陣切換就是將一路或多路信號分別傳輸給一個(gè)或者多個(gè)顯示設(shè)備，如兩臺電腦主機(jī)要共用一個(gè)顯示器，矩陣切換器可以將兩臺電腦主機(jī)上的內(nèi)容任意切換到同一個(gè)或多個(gè)顯示器上。</p><p>　　矩陣切換器，也有類型之分，按信號源可以分為：VGA、 AV、 DVI、RGB、HDMI矩陣切換器。這里矩陣的概念可以參考數(shù)學(xué)中矩陣的概念。因此，矩陣切換器是一類切換多路信

82、號的輸出的設(shè)備。目前主要應(yīng)用是大屏幕拼接，視頻會議工程，AV工程、監(jiān)控等等需要用到多路音視頻信號交替使用的工程中。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是對多路VGA信號的選擇切換。</p><p><b>　　實(shí)現(xiàn)工具簡介</b></p><p>　　基于VHDL的自頂向下設(shè)計(jì)方法</p><p>　　對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有許多種，設(shè)計(jì)者可以通過不同的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)所要求

83、的功能。但它們之間所花費(fèi)的人力和物力則可能出現(xiàn)很大的差別，下面就通過與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法作比較，來列出基于VHDL的自頂向下設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)和過程：</p><p>　　傳統(tǒng)自底向上設(shè)計(jì)方法與自頂向下設(shè)計(jì)方法比較</p><p>　　傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)技術(shù)通常是自底向上的，即首先確定構(gòu)成系統(tǒng)的最底層的電路模塊或元件的結(jié)構(gòu)和功能，然后根據(jù)主系統(tǒng)的功能要求，將它們組合成更大的功能塊，使它們的結(jié)構(gòu)和功能

84、滿足高層系統(tǒng)的要求。以此流程，逐步向上遞推，直至完成整個(gè)設(shè)計(jì)。</p><p>　　其特點(diǎn)是必須首先關(guān)注并致力于解決系統(tǒng)最底層硬件的可獲得性，以及它們的功能特性方面的諸多細(xì)節(jié)問題；在整個(gè)逐級設(shè)計(jì)和測試過程中，始終必須顧及具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。</p><p>　　而在EDA技術(shù)應(yīng)用中，自頂向下的設(shè)計(jì)方法，就是在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中各個(gè)環(huán)節(jié)逐步求精的過程。如應(yīng)用VHDL進(jìn)行自頂向下的設(shè)計(jì)，就是使用VHD

85、L模型在所有綜合級別上對硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行說明、建模和仿真測試、主系統(tǒng)及子系統(tǒng)最初的功能要求在VHDL里體現(xiàn)為可以被VHDL仿真程序驗(yàn)證的可執(zhí)行程序。由于綜合工具可以將高級別的模型轉(zhuǎn)化生成為門級模型，所以整個(gè)設(shè)計(jì)過程基本是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的。</p><p>　　自頂向下的設(shè)計(jì)方法使系統(tǒng)被分解成眾多模塊的集合，可以對設(shè)計(jì)的每個(gè)獨(dú)立模塊指派不同的工作小組。這些小組可以工作在不同的地點(diǎn)，甚至可以分屬不同的單位，最后將不同的

86、模塊集成為最終的系統(tǒng)模型，并對其進(jìn)行綜合測試和評價(jià)。</p><p>　　自頂向下的設(shè)計(jì)方法有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1.由于系統(tǒng)的行為和功能描述完全獨(dú)立于硬件電路的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)的最初階段，設(shè)計(jì)師可不受電路結(jié)構(gòu)的約束，致力于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法帶來的重新再設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。</p><p>　　2.設(shè)計(jì)的再利用得到保證。目前的電子產(chǎn)品正

87、向模塊化發(fā)展，所謂模塊化就是對以往的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行修改、組合和再利用，產(chǎn)生全新的或派生設(shè)計(jì)，而自頂向下的設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，設(shè)計(jì)可以存檔，以便將來再利用。</p><p>　　3.設(shè)計(jì)規(guī)模大大提高。運(yùn)用簡單的語言描述即可完成復(fù)雜的功能，而不需手工繪圖。</p><p>　　基于VHDL的自頂向下設(shè)計(jì)流程</p><p>　　基于VHDL的自頂向下設(shè)計(jì)流程的框圖如圖

88、2-4所示。</p><p>　　圖2-4 基于VHDL的自頂向下設(shè)計(jì)流程框圖</p><p>　　基于VHDL的自頂向下設(shè)計(jì)流程分為如下幾個(gè)階段：</p><p>　　1.提出設(shè)計(jì)說明書，即用自然語言表達(dá)系統(tǒng)項(xiàng)目的功能特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)等；</p><p>　　2.建立VHDL行為模型，這一步是將設(shè)計(jì)說明書轉(zhuǎn)化為VHDL行為模型。在這一項(xiàng)目的表

89、達(dá)中，可以使用滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)的VHDL的所有語句而不必考慮可綜合性；</p><p>　　3.VHDL行為仿真，這一階段可以利用VHDL仿真器（如 ModelSim）對頂層系統(tǒng)的行為模型進(jìn)行仿真測試，檢查模擬結(jié)果，繼而進(jìn)行修改和完善；</p><p>　　4.VHDL-RTL級建模，VHDL只有部分語句集合可用于硬件功能行為的建模，因此，在這一階段，必須將VHDL的行為模型表達(dá)為VHDL

90、行為代碼（或稱VHDL-RTL級模型）；</p><p>　　5.前端功能仿真，在這一階段對VHDL-RTL級模型進(jìn)行仿真，稱為功能仿真；仿真結(jié)果表達(dá)的是可綜合模型的邏輯功能；</p><p>　　6.邏輯綜合，使用綜合工具將VHDL行為級描述轉(zhuǎn)化為架構(gòu)化的門級電路；</p><p>　　7.測試向量生成，這一階段主要是針對ASIC設(shè)計(jì)的，對ASIC的測試向量文件是

91、綜合器結(jié)合含有版圖硬件特性的工藝庫后產(chǎn)生的，用于對ASIC的功能測試；</p><p>　　8.功能仿真，利用獲得的測試向量對ASIC的設(shè)計(jì)系統(tǒng)和子系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真；</p><p>　　9.結(jié)構(gòu)綜合，主要將綜合產(chǎn)生的邏輯連接關(guān)系網(wǎng)表文件，結(jié)合具體的目標(biāo)硬件環(huán)境進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單元調(diào)用、布局、布線和滿足約束條件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置；</p><p>　　10.門級時(shí)序仿真，在這

92、一級中將使用門級仿真器或仍然使用VHDL仿真器進(jìn)行門級仿真，在計(jì)算機(jī)上了解更接近硬件目標(biāo)器件工作的功能時(shí)序；</p><p>　　11.硬件測試，這是對最后完成的硬件系統(tǒng)進(jìn)行檢查和測試[3]。</p><p>　　QuartusII軟件簡介</p><p>　　Quartus II 是Altera 提供的FPGA / CPLD開發(fā)集成環(huán)境，Altera 是世界上最大

93、的可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。Quartus II在21世紀(jì)初推出，是Altera 前一代 FPGA / CPLD集成開發(fā)環(huán)境MAX+plus II 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II上可以完成從設(shè)計(jì)輸入、編譯綜合、仿真、適配下載、在線硬件調(diào)試等整個(gè)設(shè)計(jì)的流程，它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。</p><p>　　Altera 的Quar

94、tus II 提供了完整的多平臺設(shè)計(jì)環(huán)境，能滿足各種特定設(shè)計(jì)的需要，也是單芯片可編程系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)的綜合性環(huán)境和SOPC開發(fā)的基本設(shè)計(jì)工具，并為Altera DSP開發(fā)包進(jìn)行系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)提供了集成綜合環(huán)境。Quartus II設(shè)計(jì)工具完全支持VHDL、Verilog的設(shè)計(jì)流程，其內(nèi)部嵌有VHDL、Verilog邏輯綜合器。Quartus II 也可以利用第三方的綜合工具，如：Leonardo Spectrum、Synplify P

95、ro、FPGA Compiler II，并能直接調(diào)用這些工具。同樣，Quartus II 具備仿真功能，同時(shí)也支持第三方的仿真工具，如：ModelSim。 此外，Quartus II 與MATLAB 和DSP Builder 結(jié)合，可以進(jìn)行基本FPGA的DSP系統(tǒng)開發(fā)，是DSP 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵EDA工具。 </p><p>　　Quartus II 包括模塊化的編譯器。編譯器包括的功能模塊有分析/ 綜合器（A

96、nalysis & Synthesis）、適配器（Fitter）、裝配器（Assembler）、時(shí)序分析器（Timing Analyzer）、設(shè)計(jì)輔助模塊（Design Assistant）、EDA網(wǎng)表文件生成器（EDA Netlist Writer）、編輯數(shù)據(jù)接口 (Compiler Database Interface )等?？梢酝ㄟ^選擇 Start Compilation 來運(yùn)行所有的編譯器模塊，也可以通過選擇 Start

97、 單獨(dú)運(yùn)行各個(gè)模塊。還可以通過選擇 Compilation Tool (Tools 菜單)，在Compiler Tool 窗口中運(yùn)行該模塊來啟動(dòng)編譯器模塊。在Compiler Tool 窗口中，可以打開帶模塊的設(shè)置文件或報(bào)告文件，或打開其他相關(guān)窗口。</p><p>　　此外，Quartus II 還包含了許多十分有用的LPM （Library of Parameterized Modules）模塊，它們是復(fù)雜

98、或高級系統(tǒng)構(gòu)建的重要組成部分，也可以再 Quartus II 中與普通設(shè)計(jì)文件一起使用。Altera 提供的LPM 函數(shù)均基于Altera 器件的結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在許多實(shí)用情況中，必須使用宏功能模塊才可以使用一些Altera 特定器件的硬件功能。例如各類片上存儲器、DSP模塊、LVDS驅(qū)動(dòng)器、PLL鎖相環(huán)以及SERDES和DDIO電路模塊等等。</p><p>　　Quartus II編譯器支持的硬件描述語言有

99、VHDL（支持VHDL’87 及 VHDL’97標(biāo)準(zhǔn)）、Verilog HDL及 AHDL (Altera HDL) ，AHDL是Altera 公司自己設(shè)計(jì)、制定的硬件描述語言，是一種以結(jié)構(gòu)描述方式為主的硬件描述語言，只有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　Quartus II允許來自第三方的EDIF文件輸入，并提供了很多EDA軟件的接口，Quartus II支持層次化設(shè)計(jì)，可以再一個(gè)新的編輯輸入環(huán)境中對使用不同輸入

100、設(shè)計(jì)方式完成的模塊（元件）進(jìn)行調(diào)用，從而解決了原理圖與HDL混合輸入設(shè)計(jì)的問題。在設(shè)計(jì)輸入之后，Quartus II的編譯器將給出設(shè)計(jì)輸入的錯(cuò)誤報(bào)告。Quartus II擁有性能良好的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤定位器，用于確定文本或圖形設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。對于使用HDL的設(shè)計(jì)，可以使用Quartus II帶有的RTL Viewer觀察綜合后的RTL圖。在進(jìn)行編譯后，可對設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序仿真。在仿真前，需要利用波形編輯器編輯一個(gè)波形激勵(lì)文件。編譯和仿真經(jīng)過檢測無誤后

101、，便可以將下載信息通過Quartus II提供的編程器下載入目標(biāo)器件中去了。</p><p>　　特別的就是該軟件還提供IP核，IP核就知識產(chǎn)權(quán)核或知識產(chǎn)權(quán)模塊的意思。著名的美國Dataquest 咨詢公司將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的IP定義為用于ASIC或FPFA/CPLD中的預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路功能模塊。IP分為軟IP、固IP、硬IP。</p><p>　　軟IP是用VHDL等硬件描述語言描述的功能塊，

102、但是并不涉及用什么具體的電路元件實(shí)現(xiàn)這些功能。固IP是完成了綜合的功能塊。它有較大的深度，以網(wǎng)表文件的形式提交客戶使用。硬IP則為完成了掩模的可供用戶調(diào)用的功能模塊。</p><p><b>　　VHDL語言簡介</b></p><p>　　VHDL的英文全稱為VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Desc

103、riptiong Language，翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言。 誕生于1982年。由美國國防部（DOD）發(fā)起創(chuàng)建，由IEEE(The institute of Electrical and Electronics Engineers)進(jìn)一步發(fā)展。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言 。自IEEE公布了VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本，IEEE-1076（簡稱87版)之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHD

104、L設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的VHDL，即IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1076-1993版本，（簡稱93版）。現(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上<

105、/p><p>　　一個(gè)完整的VHDL語言通常包含5個(gè)部分：</p><p>　　1.實(shí)體說明（entity）。用于描述系統(tǒng)的外部接口信號。</p><p>　　2.結(jié)構(gòu)體說明（architecture）。用于描述系統(tǒng)的行為、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流程或系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　3.配置（configuration）。屬性選項(xiàng)，描述層與層之間、實(shí)

106、體與結(jié)構(gòu)體之間連接關(guān)系。</p><p>　　4.程序包。屬性選擇，用于把共享的定義放置其中。具體講，就是存放各單元都能共享的數(shù)據(jù)類型、常量、子程序等。</p><p>　　5.庫（library）。存放已編譯的實(shí)體、結(jié)構(gòu)體、包集合和配置，可由用戶生成或由ASIC芯片制造商提供。</p><p>　　VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。具有功能強(qiáng)大

107、、設(shè)計(jì)靈活；支持廣泛、易于修改；獨(dú)立于器件的設(shè)計(jì)、與工藝無關(guān)；強(qiáng)大的系統(tǒng)硬件描述能力；很強(qiáng)的移植能力等特點(diǎn)。</p><p><b>　　FPGA簡介</b></p><p>　　可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型邏輯器件，是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件基礎(chǔ)。目前生產(chǎn)和使用的PLD產(chǎn)品主要有可

108、編程只讀存儲器（PROM）、現(xiàn)場可編程邏輯陣列（Field Programmable LogiArray，F(xiàn)PLA）、可編程陣列邏輯（Programmable Array Logic，PAL）、通用陣列邏輯（GeneriArray Logic，GAL）、可擦除的可編程邏輯器件（Erasable Programmable Logic Device，EPLD）、復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Dev