（三）AX301 VGA接口的实现
为了督促自己更深入地学习FPGA，发博客似乎成了自己的爱好。突然发觉用英文写好别扭，算了还是用中文写吧。
那么今天来剖析一下AX301黑金开发板VGA接口实例吧。首先，上实验结果图：
哈哈哈哈哈桌面有点乱请勿嫌弃。
在上代码之前，先给大家讲解一下VGA相关的知识。
首先，列填充（HSync）和行扫描（VSync)都由四个区组成，分别叫同步段（sync time）、后廊段（Back Porch）、**区（Active）、前廊区（Front Porch），这些英文在途中都有标注。其中，真正有效的只有**区，其他的区域只是用来作同步操作的。那么，了解到这个之后，就可以去看一个表：
特别要注意的是字体加深的数字，这在接下来的编程中起到至关重要的作用。那么接下来看一下代码，关键来看懂color_bar.v，代码如下：
`include "video_define.v"
module color_bar(
input clk, //pixel clock
input rst, //reset signal high active
output hs, //horizontal synchronization
output vs, //vertical synchronization
output de, //video valid
output[7:0] rgb_r, //video red data
output[7:0] rgb_g, //video green data
output[7:0] rgb_b //video blue data
);
//video timing parameter definition
`ifdef VIDEO_1280_720
parameter H_ACTIVE = 16'd1280; //horizontal active time (pixels)
parameter H_FP = 16'd110; //horizontal front porch (pixels)
parameter H_SYNC = 16'd40; //horizontal sync time(pixels)
parameter H_BP = 16'd220; //horizontal back porch (pixels)
parameter V_ACTIVE = 16'd720; //vertical active Time (lines)
parameter V_FP = 16'd5; //vertical front porch (lines)
parameter V_SYNC = 16'd5; //vertical sync time (lines)
parameter V_BP = 16'd20; //vertical back porch (lines)
parameter HS_POL = 1'b1; //horizontal sync polarity, 1 : POSITIVE,0 : NEGATIVE;
parameter VS_POL = 1'b1; //vertical sync polarity, 1 : POSITIVE,0 : NEGATIVE;
`endif
//480x272 9Mhz
`ifdef VIDEO_480_272
parameter H_ACTIVE = 16'd480;
parameter H_FP = 16'd2;
parameter H_SYNC = 16'd41;
parameter H_BP = 16'd2;
parameter V_ACTIVE = 16'd272;
parameter V_FP = 16'd2;
parameter V_SYNC = 16'd10;
parameter V_BP = 16'd2;
parameter HS_POL = 1'b0;
parameter VS_POL = 1'b0;
`endif
//640x480 25.175Mhz
`ifdef VIDEO_640_480
parameter H_ACTIVE = 16'd640;
parameter H_FP = 16'd16;
parameter H_SYNC = 16'd96;
parameter H_BP = 16'd48;
parameter V_ACTIVE = 16'd480;
parameter V_FP = 16'd10;
parameter V_SYNC = 16'd2;
parameter V_BP = 16'd33;
parameter HS_POL = 1'b0;
parameter VS_POL = 1'b0;
`endif
//800x480 33Mhz
`ifdef VIDEO_800_480
parameter H_ACTIVE = 16'd800;
parameter H_FP = 16'd40;
parameter H_SYNC = 16'd128;
parameter H_BP = 16'd88;
parameter V_ACTIVE = 16'd480;
parameter V_FP = 16'd1;
parameter V_SYNC = 16'd3;
parameter V_BP = 16'd21;
parameter HS_POL = 1'b0;
parameter VS_POL = 1'b0;
`endif
//800x600 40Mhz
`ifdef VIDEO_800_600
parameter H_ACTIVE = 16'd800;
parameter H_FP = 16'd40;
parameter H_SYNC = 16'd128;
parameter H_BP = 16'd88;
parameter V_ACTIVE = 16'd600;
parameter V_FP = 16'd1;
parameter V_SYNC = 16'd4;
parameter V_BP = 16'd23;
parameter HS_POL = 1'b1;
parameter VS_POL = 1'b1;
`endif
//1024x768 65Mhz
`ifdef VIDEO_1024_768
parameter H_ACTIVE = 16'd1024;
parameter H_FP = 16'd24;
parameter H_SYNC = 16'd136;
parameter H_BP = 16'd160;
parameter V_ACTIVE = 16'd768;
parameter V_FP = 16'd3;
parameter V_SYNC = 16'd6;
parameter V_BP = 16'd29;
parameter HS_POL = 1'b0;
parameter VS_POL = 1'b0;
`endif
//1920x1080 148.5Mhz
`ifdef VIDEO_1920_1080
parameter H_ACTIVE = 16'd1920;
parameter H_FP = 16'd88;
parameter H_SYNC = 16'd44;
parameter H_BP = 16'd148;
parameter V_ACTIVE = 16'd1080;
parameter V_FP = 16'd4;
parameter V_SYNC = 16'd5;
parameter V_BP = 16'd36;
parameter HS_POL = 1'b1;
parameter VS_POL = 1'b1;
`endif
parameter H_TOTAL = H_ACTIVE + H_FP + H_SYNC + H_BP;//horizontal total time (pixels)
parameter V_TOTAL = V_ACTIVE + V_FP + V_SYNC + V_BP;//vertical total time (lines)
//define the RGB values for 8 colors
parameter WHITE_R = 8'hff;
parameter WHITE_G = 8'hff;
parameter WHITE_B = 8'hff;
parameter YELLOW_R = 8'hff;
parameter YELLOW_G = 8'hff;
parameter YELLOW_B = 8'h00;
parameter CYAN_R = 8'h00;
parameter CYAN_G = 8'hff;
parameter CYAN_B = 8'hff;
parameter GREEN_R = 8'h00;
parameter GREEN_G = 8'hff;
parameter GREEN_B = 8'h00;
parameter MAGENTA_R = 8'hff;
parameter MAGENTA_G = 8'h00;
parameter MAGENTA_B = 8'hff;
parameter RED_R = 8'hff;
parameter RED_G = 8'h00;
parameter RED_B = 8'h00;
parameter BLUE_R = 8'h00;
parameter BLUE_G = 8'h00;
parameter BLUE_B = 8'hff;
parameter BLACK_R = 8'h00;
parameter BLACK_G = 8'h00;
parameter BLACK_B = 8'h00;
reg hs_reg; //horizontal sync register
reg vs_reg; //vertical sync register
reg hs_reg_d0; //delay 1 clock of 'hs_reg'
reg vs_reg_d0; //delay 1 clock of 'vs_reg'
reg[11:0] h_cnt; //horizontal counter
reg[11:0] v_cnt; //vertical counter
reg[11:0] active_x; //video x position
reg[11:0] active_y; //video y position
reg[7:0] rgb_r_reg; //video red data register
reg[7:0] rgb_g_reg; //video green data register
reg[7:0] rgb_b_reg; //video blue data register
reg h_active; //horizontal video active
reg v_active; //vertical video active
wire video_active; //video active(horizontal active and vertical active)
reg video_active_d0; //delay 1 clock of video_active
assign hs = hs_reg_d0;
assign vs = vs_reg_d0;
assign video_active = h_active & v_active;
assign de = video_active_d0;
assign rgb_r = rgb_r_reg;
assign rgb_g = rgb_g_reg;
assign rgb_b = rgb_b_reg;
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
begin
hs_reg_d0 <= 1'b0;
vs_reg_d0 <= 1'b0;
video_active_d0 <= 1'b0;
end
else
begin
hs_reg_d0 <= hs_reg;
vs_reg_d0 <= vs_reg;
video_active_d0 <= video_active;
end
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
h_cnt <= 12'd0;
else if(h_cnt == H_TOTAL - 1)//horizontal counter maximum value
h_cnt <= 12'd0;
else
h_cnt <= h_cnt + 12'd1;
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
active_x <= 12'd0;
else if(h_cnt >= H_FP + H_SYNC + H_BP - 1)//horizontal video active
active_x <= h_cnt - (H_FP[11:0] + H_SYNC[11:0] + H_BP[11:0] - 12'd1);
else
active_x <= active_x;
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
v_cnt <= 12'd0;
else if(h_cnt == H_FP - 1)//horizontal sync time
if(v_cnt == V_TOTAL - 1)//vertical counter maximum value
v_cnt <= 12'd0;
else
v_cnt <= v_cnt + 12'd1;
else
v_cnt <= v_cnt;
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
hs_reg <= 1'b0;
else if(h_cnt == H_FP - 1)//horizontal sync begin
hs_reg <= HS_POL;
else if(h_cnt == H_FP + H_SYNC - 1)//horizontal sync end
hs_reg <= ~hs_reg;
else
hs_reg <= hs_reg;
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
h_active <= 1'b0;
else if(h_cnt == H_FP + H_SYNC + H_BP - 1)//horizontal active begin
h_active <= 1'b1;
else if(h_cnt == H_TOTAL - 1)//horizontal active end
h_active <= 1'b0;
else
h_active <= h_active;
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
vs_reg <= 1'd0;
else if((v_cnt == V_FP - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))//vertical sync begin
vs_reg <= HS_POL;
else if((v_cnt == V_FP + V_SYNC - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))//vertical sync end
vs_reg <= ~vs_reg;
else
vs_reg <= vs_reg;
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
v_active <= 1'd0;
else if((v_cnt == V_FP + V_SYNC + V_BP - 1) && (h_cnt == H_FP - 1))//vertical active begin
v_active <= 1'b1;
else if((v_cnt == V_TOTAL - 1) && (h_cnt == H_FP - 1)) //vertical active end
v_active <= 1'b0;
else
v_active <= v_active;
end
[email protected](posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)
begin
rgb_r_reg <= 8'h00;
rgb_g_reg <= 8'h00;
rgb_b_reg <= 8'h00;
end
else if(video_active)
if(active_x == 12'd0)
begin
rgb_r_reg <= WHITE_R;
rgb_g_reg <= WHITE_G;
rgb_b_reg <= WHITE_B;
end
else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 1)
begin
rgb_r_reg <= YELLOW_R;
rgb_g_reg <= YELLOW_G;
rgb_b_reg <= YELLOW_B;
end
else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 2)
begin
rgb_r_reg <= CYAN_R;
rgb_g_reg <= CYAN_G;
rgb_b_reg <= CYAN_B;
end
else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 3)
begin
rgb_r_reg <= GREEN_R;
rgb_g_reg <= GREEN_G;
rgb_b_reg <= GREEN_B;
end
else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 4)
begin
rgb_r_reg <= MAGENTA_R;
rgb_g_reg <= MAGENTA_G;
rgb_b_reg <= MAGENTA_B;
end
else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 5)
begin
rgb_r_reg <= RED_R;
rgb_g_reg <= RED_G;
rgb_b_reg <= RED_B;
end
else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 6)
begin
rgb_r_reg <= BLUE_R;
rgb_g_reg <= BLUE_G;
rgb_b_reg <= BLUE_B;
end
else if(active_x == (H_ACTIVE/8) * 7)
begin
rgb_r_reg <= BLACK_R;
rgb_g_reg <= BLACK_G;
rgb_b_reg <= BLACK_B;
end
else
begin
rgb_r_reg <= rgb_r_reg;
rgb_g_reg <= rgb_g_reg;
rgb_b_reg <= rgb_b_reg;
end
else
begin
rgb_r_reg <= 8'h00;
rgb_g_reg <= 8'h00;
rgb_b_reg <= 8'h00;
end
end
endmodule代码非常长，我们来一步一步地剖析吧（大家可以一边对着代码一边看）。
端口：clk，rst，hs列填充，vs行扫描，de使能，RGB三个颜色地寄存器
参数：列填充和行扫描地**区、前廊区、后廊区、同步区各自对应的像素（这里就是为了选定**区使能，参数都可以在上一张图加深的数字中找到），这里有非常多的ifdef是为了方便以后选择，所以代码虽长，但都是很多无关痛痒的东西，直接可以跳过了。
接下来就是列填充和行扫描总的像素点：H_TOTAL和V_TOTAL
接着就是定义各种颜色：因为红绿蓝是颜色的三基色，任何颜色都可以通过这三种颜色表示出来。因此只要控制颜色的深浅和有无就可以表达其他颜色，代码的意思就是这样，因此每一种颜色都需要R\G\B的值。
接下来就是一些暂时的寄存器，这里就不讲了。
接下来开始讲解always，其中关于rst复位的忽略不讲
第一个always：就是将暂时的寄存器的值直接给最终执行操作的寄存器，包括列填充和行扫描以及**段的使能
第二个always：对列填充的像素开始计数，一个很简单的计数器h_cnt，当到达H_TOTAL时重新归零，否则加1；
第三个always：x坐标的确定（和列填充有关），在一个周期内，当扫描完前廊、后廊和同步区，到达**区的时候，x做报表被**，同时计算出坐标的值
第四个always：当列填充完一次后，行扫描进行下一行，因此这里是行扫描的计数器。
第五个always：到达同步时钟的时候，可以看到刚刚上面的时序图，同步区会有一个翻转，这里就是翻转的意思
第六个always：当列填充到达**区的时候，使能列填充信号，否则失能
第七个always：和第五个always一样，是行扫描的同步区的时钟翻转，第五个是列填充
第八个always：当列填充和行扫描同时到达**区的时候，**区就被使能，注意一定是同时。而离开**区之后就失能**信号。
第九个always：当active_x到达第一区，显示白色，第二区黄色。。。。。就这个意思理解。
好了，代码理解完毕。接下来，要知道，AX301的晶振是50MHz的，而VGA的扫描需要60MHz，否则是不会显示出来的，因此，需要设置pll。设置pll专门有一节详细讲了，自己去看视频吧，完全不用写代码只需要跟着步骤走超级简单我就不说了。
接下来就是顶层文件：
module top(
input clk,
input rst_n,
//vga output
output vga_out_hs, //vga horizontal synchronization
output vga_out_vs, //vga vertical synchronization
output[4:0] vga_out_r, //vga red
output[5:0] vga_out_g, //vga green
output[4:0] vga_out_b //vga blue
);
wire video_clk;
wire video_hs;
wire video_vs;
wire video_de;
wire[7:0] video_r;
wire[7:0] video_g;
wire[7:0] video_b;
assign vga_out_hs = video_hs;
assign vga_out_vs = video_vs;
assign vga_out_r = video_r[7:3]; //discard low bit data
assign vga_out_g = video_g[7:2]; //discard low bit data
assign vga_out_b = video_b[7:3]; //discard low bit data
//generate video pixel clock
video_pll video_pll_m0(
.inclk0(clk),
.c0(video_clk));
color_bar color_bar_m0(
.clk(video_clk),
.rst(~rst_n),
.hs(video_hs),
.vs(video_vs),
.de(video_de),
.rgb_r(video_r),
.rgb_g(video_g),
.rgb_b(video_b)
);
endmodule
然后将管脚和你原理图上的管脚连起来就OK了，VGA接口无非五个pin。列填充，行扫描，R、G、B，对着原理图连根本不会有什么大问题。
这么长的代码分析起来原来这么简单。
PS一点心得，感觉学硬件无论是ARM还是FPGA，编程的思想还是要根据硬件的时序图来走，其实无非就是时序，命令符，只要理解透好像完全不是大问题。当然这些都是入门级的东西了。所以赶紧学，入门级的水平还是低了些。加油。