Vykreslování obrazců na VGA pomocí FPGA firmy Xilinx

Zadaní

Teorie

Obr.1 Zobrazení na monitoru

Funkce VGA Pro vykreslení obrazce na monitor je třeba vědět několik důležitých informací o fungovaní VGA signálu. VGA video signál má 5 aktivních signálů. Dva jsou kompatibilní s logickými úrovněmi TTL logiky, horizontální a vertikální synchronizace, a používají se pro synchronizaci obrazu. Tři analogové signály s 0.7 až 1.0 V špička-špička úrovní jsou použity pro ovládání barev. Barevné signály jsou Red, Green, Blue. Změnou analogových hodnot všech tří signálů dochází k vykreslení všech možných barev. Technologie zobrazení Způsob ovládaní monitoru nemá cenu detailně popisovat. Takže jen zmíním základní poznatky. Electronový svazek prochází po řadcích celou plochu obrazovky. Tento svazek je vychylován pomocí magnetické nebo elektrostatického pole. RGB signál je použit pro ovládání síly elektronového svazku. Světlo je generováno, když je aktivní video signál a toto světlo dopadne na stínítko obrazovky čímž vytvoří obraz tečky (případně řádku). Každá obrazovka obsahuje tři různé fotoemitory, každý pro jednu složku RGB signálu. Ve standartním VGA je má obrazovka rozlišení 640 na 480 pixelů. Video signál musí celou obrazovku překreslit alespoň 60krát za vteřinu. Tomu se říká "refresh-rate". Lidské oko potřebuje frekvenci alespoň 30Hz aby vidělo normální obraz. K odstranění blikání z interferencí z flourescenčních světelných zdrojů se používá v monitorech "refresh-rate" vyšší než 60 Hz. Barva každého pixelu monitoru je určena hodnotou RGB signálů když elektronový paprsek přechází přes dané místo. V režimu 640 x 480 s 60 Hz frekvencí je to zhruba 40 ns na pixel. A hodiny s 25MHz frekvencí mají tuto periodu.

Vykreslování Proces vykreslování začína v levém horním rohu a po řádcích postupuje do pravého spodního rohu. Na konci řádky se resetuje číslo vykreslovaného sloupce a číslo řádky se nastaví na další. Jakmile je vykreslena celá obrazovka, proces začíná znovu. Vertikální synchronizace říká monitoru ať začne kreslit nový obraz a monitor začne kreslit v levém horním rohu. Horizontální synchronizace říká monitoru, ať "zalomí" řádek. Po vykreslení 480 řad pixelů pomocí 480 signálů na horizontální synchronizaci, signál vertikální synchronizace řekne monitoru, ať posune vychylování na bod 0,0. Během doby, kdy se nezobrazují pixely a paprsek se vrací zpět do levého horního rohu, by měl být RGB signál vynulován. Časování signálů synchronizace viz následující dva obrázky.

Obr.2 Zobrazení na monitoru II.

Obr.3 Časování vertikální synchronizace

Obr.4 Časování horizontální synchronizace

Řešení

Hlavní entita

Obr.5 Entita

Entita pro vykreslování se skládá z hlavní entity a jedné komponenty o které bude řeč později. Entita má jeden vstupní signál - hodiny (50 MHz) a několik výstupních, jak dokládá následující obrázek. Signály: red_out - ovládá R složku pixelu blue_out - ovládá B složku pixelu green_out - ovládá G složku pixelu horiz_sync_out - signál horizontální synchronizace vert_sync_out - signál horizontální synchronizace

Časování

Ovládání grafiky

• generování signálu pro horizontální synchronizace
  Zde je třeba zajistit nulování a posun, proto máme vytvořený pomocný čítač h_count, který slouží pro ovládání signálu horiz_sync, který se pak používá jako ovládací prvek monitoru. IF (h_count = 799) THEN h_count <= "0000000000"; ELSE h_count <= h_count + 1; END IF; IF (h_count <= 775) AND (h_count >= 679) THEN horiz_sync <= '0'; ELSE horiz_sync <= '1'; END IF;
• generování signálu pro vertikální synchronizace
  Opět je třeba zajistit nulování a posun, tentokrát však za jiných podmínek, a na to opět máme pomocný čitač v_count, který ovládá signál vert_sync IF (v_count >= 524) AND (h_count >= 699) THEN v_count <= "0000000000"; ELSIF (h_count = 699) THEN v_count <= v_count + 1; END IF; IF (v_count <= 494) AND (v_count >= 493) THEN vert_sync <= '0'; ELSE vert_sync <= '1'; END IF;
• nulování signálu RGB při zpětném chodu paprsku
  O to se stará následující úsek kódu video_on <= video_on_H AND video_on_V;

Vlastní grafika

Obrazce

• Různobarevné svislé pruhy široké 79 pixelů - jsou tvořeny pomocí následujícího kódu: IF (h_count <= 639) THEN video_on_h <= '1'; pixel_column <= h_count; ELSE video_on_h <= '0'; bar_counter := 80; row_counter := row_counter + 1; END IF; IF (v_count <= 479) THEN video_on_v <= '1'; pixel_row <= v_count; ELSE video_on_v <= '0'; END IF; IF (h_count = bar_counter) THEN bar_counter := bar_counter + 79; red_chan <= color(1); green_chan <= color(2); blue_chan <= color(0); color <= color - 1; END IF;
• Různobarevné svislé pruhy široké 4 pixely - jsou tvořeny pomocí následujícího kódu: IF (h_count = 0) then p_color :=color; end if; IF (h_count <= 639) THEN video_on_h <= '1'; pixel_column <= h_count; ELSE video_on_h <= '0'; bar_counter := 4; -- row_counter := 4; color <= p_color; END IF; IF (v_count <= 479) THEN video_on_v <= '1'; pixel_row <= v_count; ELSE video_on_v <= '0'; row_counter := 4; END IF; IF (h_count = bar_counter) THEN bar_counter := bar_counter + 4; red_chan <= color(1); green_chan <= color(2); blue_chan <= color(0); color <= color - 1; END IF; IF (v_count = row_counter) THEN row_counter := row_counter + 4; color <= color + 1; END IF;
Dva překrývající se trojúhelníky jsou tvořeny takto: IF (h_count <= 639) THEN video_on_h <= '1'; ELSE video_on_h <= '0'; END IF; IF (v_count <= 479) THEN video_on_v <= '1'; ELSE video_on_v <= '0'; END IF; red_chan <= '0'; green_chan <= '0'; blue_chan <= '0'; IF (h_count < v_count) THEN red_chan <= '1' ; END IF; IF (h_count > (640 - v_count)) THEN blue_chan <= '1'; END IF;
• Zobrazení skupiny čtverců různých barev je tvořeno následujícím kódem: IF (h_count <= 639) THEN video_on_h <= '1'; ELSE video_on_h <= '0'; END IF; IF (v_count <= 479) THEN video_on_v <= '1'; ELSE video_on_v <= '0'; END IF; IF (h_count >= 0 ) AND (h_count < 639 ) AND (v_count >= 0 ) AND (v_count < 492 ) THEN red_chan <= h_count(5) and v_count(5); green_chan <= h_count(4) and v_count(4); blue_chan <= h_count(3) and v_count(3); ELSE red_chan <= '0'; green_chan <= '0'; blue_chan <= '0'; END IF;

Celý kód

Literatura

• James O. Hamblen, Michael D Furman, Rapid protyping of Digital Systems - Second Edition