正点原子开拓者FPGA开发板资料连载第二十一章 VGA图片显示实验

2）摘自《开拓者FPGA开发指南》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-13912-1-1.html

第二十一章 VGA图片显示实验（基于ROM）
我们在“VGA字符显示实验”中利用一个二维数组存储字符的点阵数据，进而实现汉字的
显示。字符显示时每个像素点采用二维数组中的1位（bit）数据来表示，只有0和1的差别，即
只能区分两种颜色。然而在显示图片时，由于1bit的数据无法区分各像素点的色彩差异，因此
二维数组已经不能满足图片存储的需要。本章我们将通过例化IP核来实现使用ROM存储图片，
并将ROM中存储的图片通过VGA接口显示到屏幕上。
本章包括以下几个部分：
21.1 VGA简介
21.2 实验任务
21.3 硬件设计
21.4 程序设计
21.5 下载验证
VGA简介
我们在“VGA彩条显示实验”中对VGA视频传输标准作了详细的介绍，包括VGA接口定义、
行场同步时序、以及显示分辨率等。如果大家对这部分内容不是很熟悉的话，请参考“VGA彩
条显示实验”中的VGA简介部分。
实验任务
本章的实验任务是使用开拓者开发板上的VGA接口在显示器的屏幕中心位置显示彩色图片。
显示分辨率为640*480，刷新速率为60hz，图片的大小为100*100。
硬件设计
VGA接口部分的硬件设计原理及本实验中各端口信号的管脚分配与“VGA彩条显示实验”完
全相同，请参考“VGA彩条显示实验”中的硬件设计部分。
程序设计
图 21.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。其中，时钟分频模块负责产生像素时钟，
VGA驱动模块产生行场同步信号及像素点的纵横坐标，VGA显示模块输出图像数据，ROM用于存
储需要显示的图片。


图 21.4.1 基于ROM的VGA图片显示实验系统框图
VGA显示模块中的ROM是通过例化IP核来实现的只读存储器，它使用FPGA的片上存储资源。
由于FPGA的片上存储资源有限，所以ROM中存储的图片大小也受到限制。由于开拓者开发板上
的VGA接口采用RGB565数据格式，即每个像素点的颜色用16bit的数据来表示，因此大小为100*100的图片占用的存储空间为100*100*16bit=160000bit=156.25Kbit（1Kbit=1024bit）。
而开拓者开发板上的FPGA片上存储资源为414Kbit，能够满足实验任务中的图片存储需求。
ROM作为只读存储器，在调用IP核时需要指定初始化文件，在这里就是写入存储器中的图
片数据，各种格式的图片（bmp、jpg等）都是以MIF文件的形式导入到ROM中的。MIF是一种Quartus
工具能识别的文件格式，在文件的开头定义了存储器的位宽和深度、地址格式、数据格式等信
息，紧接着列出了存储单元地址以及写入各地址的数据。例如，一个位宽为16，深度为5的MIF
文件内容如下图所示：


图 21.4.2 MIF文件示例
当需要存储的数据量较小时，如果我们知道数据的内容，那么就可以仿照图 21.4.2的格
式手动编写MIF文件。但是由于图片的数据量较大，并且我们无法直接看出各个像素点对应的
颜色数据，因此需要借助工具来实现图片到MIF文件的转换。在这里我们使用正点原子提供的
工具“PicToMif”来实现这一转换过程，该工具位于开发板所随附的资料中“6_软件资料/1_
软件/PicToMif”目录下。
我们在Windows自带的“画图”工具中将正点原子的LOGO图片大小调整100*100，并利用工
具PicToMif转换得到MIF文件“ZDYZ.mif”。
双击运行“PicToMif.exe”，点击“加载图片”并在弹出的界面中选择需要转换的图片
(注意：待转换图片分辨率的大小必须是100*100)，图片加载成功后工具会在图片属性中指示
出图片的文件名和大小；接下来选择图片转换的数据格式为RGB565；最后点击“一键转换”按
钮，在弹出的界面中选择MIF文件的存放路径并输入文件名。PicToMif转换过程中的软件界面
如图 21.4.3所示：

图 21.4.3 PicToMif转换界面
最终转换得到的MIF文件部分截图如下所示：

图 21.4.4 转换得到的MIF文件
程序中各模块端口及信号连接如图 21.4.5所示：


图 21.4.5 顶层模块原理图
图 21.4.5中的顶层模块（vga_blockmove）、时钟分频模块（vga_pll）以及VGA驱动模块
（vga_driver）均与“VGA彩条显示实验”完全相同，只对VGA显示模块（vga_display）作了
修改。因此，这里我们重点讲解VGA显示模块，其他部分大家可以参考“VGA彩条显示实验”。
VGA显示模块的代码如下：
1 module vga_display(
2 input vga_clk, //VGA驱动时钟
3 input sys_rst_n, //复位信号
4
5 input [ 9:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
6 input [ 9:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
7 output [15:0] pixel_data //像素点数据
8 );
9
10 //parameter define
11 parameter H_DISP = 10'd640; //分辨率——行
12 parameter V_DISP = 10'd480; //分辨率——列
13
14 localparam POS_X = 10'd270; //图片区域起始点横坐标
15 localparam POS_Y = 10'd190; //图片区域起始点纵坐标
16 localparam WIDTH = 10'd100; //图片区域宽度
17 localparam HEIGHT = 10'd100; //图片区域高度
18 localparam TOTAL = 14'd10000; //图案区域总像素数
19 localparam BLACK = 16'b00000_000000_00000; //屏幕背景色
20
21 //reg define
22 wire rom_rd_en; //读ROM使能信号
23 reg [13:0] rom_addr; //读ROM地址
24 reg rom_valid; //读ROM数据有效信号
25
26 //wire define
27 wire [15:0] rom_data; //ROM输出数据
28
29 //*****************************************************
30 //** main code
31 //*****************************************************
32
33 //从ROM中读出的图像数据有效时，将其输出显示
34 assign pixel_data = rom_valid ? rom_data : BLACK;
35
36 //当前像素点坐标位于图片显示区域内时，读ROM使能信号拉高
37 assign rom_rd_en = (pixel_xpos >= POS_X) && (pixel_xpos < POS_X + WIDTH)
38 && (pixel_ypos >= POS_Y) && (pixel_ypos < POS_Y + HEIGHT)
39 ? 1'b1 : 1'b0;
40
41 //控制读地址
42 always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) begin
43 if (!sys_rst_n) begin
44 rom_addr <= 14'd0;
45 end
46 else if(rom_rd_en) begin
47 if(rom_addr < TOTAL - 1'b1)
48 rom_addr <= rom_addr + 1'b1; //每次读ROM操作后，读地址加1
49 else
50 rom_addr <= 1'b0; //读到ROM末地址后，从首地址重新开始读操作
51 end
52 else
53 rom_addr <= rom_addr;
54 end
55
56 //从发出读使能到ROM输出有效数据存在一个时钟周期的延时
57 always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) begin
58 if (!sys_rst_n)
59 rom_valid <= 1'b0;
60 else
61 rom_valid <= rom_rd_en;
62 end
63
64 //通过调用IP核来例化ROM
65 pic_rom pic_rom_inst(
66 .clock (vga_clk),
67 .address (rom_addr),
68 .rden (rom_rd_en),
69 .q (rom_data)
70 );
71
72 endmodule
代码中14至19行声明了一系列的变量，方便大家修改图片的大小、在屏幕上显示的位置等，
其中图片显示的位置由图片显示区域左上角的纵横坐标来指定。
由于图片存储在ROM中，因此VGA显示模块的主要任务就是控制ROM的读使能及读地址，从
而在合适的时间段将ROM中的图片数据读出并显示。代码的36至39行判断当前像素点的纵横坐
标，当其位于图片显示区域时将ROM读使能信号rom_rd_en拉高。第41至54行在读操作过程中将
读地址依次累加，从而将图片数据顺序读出；当读到未地址后读地址清零，重新从ROM中图像
的第一个像素点数据开始读取。
读ROM的过程中，从发出读使能到ROM输出有效数据存在一个时钟周期的延时，因此ROM数
据有效信号rom_valid需要由rom_rd_en延迟一个时钟周期，如程序第56至62行所示。
程序第64~70行例化了ROM IP核，在工程中调用IP核时，需要设置ROM位宽为16bit,深度为
选择16384（不能低于100*100），如图 21.4.7所示。此外，为了保证从ROM的读使能信号拉高
到有效数据输出之间仅存在一个时钟周期的延时，需要取消寄存端口输出，如图 21.4.8红色
方框所示。

图 21.4.6 新建ROM IP核


图 21.4.7 配置ROM位宽及深度

图 21.4.8 取消寄存端口输出
最后，在“Mem Init”页选择前面生成的初始化文件“ZDYZ.mif”，如图 21.4.9所示。
注意需要将该MIF文件置于工程目录下，本工程中的MIF文件位于vga_rom_pic/doc文件夹下。

图 21.4.9 选择存储器初始化文件
图 21.4.10为VGA显示模块显示图片时SignalTap抓取的波形图。从图中可以看到，在ROM
读使能信号rom_rd_en拉高时，读地址rom_addr依次累加。同时数据有效信号rom_valid相对于
rom_rd_en延时一个时钟周期。


图 21.4.10 VGA显示模块SignalTap波形图
下载验证
基于ROM的VGA图片显示实验的工程位于vga_rom_pic/par文件夹下，工程打开后如图
21.5.1所示：

图 21.5.1 基于ROM的VGA图片显示
请大家参考VGA彩条显示实验中的下载验证方法，将vga_rom_pic/par/output_files目录
下的“vga_rom_pic.sof”文件下载至开发板。下载完成后在VGA显示器上观察显示的图片如图
21.5.2所示，说明基于ROM的VGA图片显示程序下载验证成功。


图 21.5.2 基于ROM的VGA图片显示效果图