FPGA數(shù)字圖像顯示原理與實現(xiàn)(Verilog)

01視頻圖像接口概述

視頻圖像經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已形成了一系列的規(guī)范，以VGA和HDMI為主的視頻圖像接口協(xié)議也得到定義與推廣。盡管DP、DVI、Type-C等圖像接口技術近年來得到了推廣與應用，且VGA傳輸性能發(fā)展逐漸落后于時代，但作為顯示器和顯卡等設備的通用顯示接口，VGA和HDMI仍是當前主流的視頻圖像接口技術。

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1.1 VGA視頻接口

視頻圖形陣列(VGA，Video Graphics Array)，也可稱作D-Sub，是IBM于1987年提出的一個使用模擬信號的電腦顯示標準，因此VGA傳輸信號為模擬信號，并且只能傳輸視頻信號，不能傳輸音頻信號。

VGA接口共有15針，分成3排，每排5個孔，是顯卡上應用最為廣泛的接口類型，絕大多數(shù)顯卡都帶有此種接口。它傳輸紅、綠、藍模擬信號以及同步信號(水平和垂直信號)。

VGA各針腳定義如下：

VGA支持在640×480的較高分辨率下同時顯示16種色彩或256種灰度，同時在320×240分辨率下可以同時顯示256種顏色。使用VGA連接設備時，線纜長度通常不超過10米，而且要注意接頭是否安裝牢固，否則可能引起圖像中出現(xiàn)虛影。

1.2 HDMI視頻接口

高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術，是適合影像傳輸?shù)膶Ｓ眯蛿?shù)字化接口，HDMI可同時傳送音頻和影音信號，且在信號傳送前無需進行數(shù)/模或者模/數(shù)轉(zhuǎn)換，是當前視音頻主選接口。

HDMI自2002年提出以來，已發(fā)展到HDMI 2.1標準。該標準能夠支持4K 120Hz、8K 60Hz以及高動態(tài)范圍成像(HDR)，能夠針對場景或幀數(shù)進行優(yōu)化，并向后兼容HDMI 2.0和HDMI 1.4，其中HDMI 1.4最高數(shù)據(jù)傳輸速度為10.2Gbps，HDMI 2.0最高數(shù)據(jù)傳輸速度為18Gbps。

HDMI在物理接口上主要包括以下幾種類型：標準HDMI接口、mini HDMI接口和Micro HDMI接口。長距離傳輸通常線材較硬 ，采用標準HDMI接口以確保穩(wěn)固連接；而小設備通常采用mini HDMI接口和Micro HDMI接口。

1.3 VGA與HDMI對比

VGA與HDMI的對比如下：

1. VGA傳輸模擬信號，傳輸過程需要轉(zhuǎn)換和緩存，存在一定損失；HDMI傳輸數(shù)字信號，數(shù)據(jù)需要無壓縮，短距離無轉(zhuǎn)換無損失；

2. VGA僅支持視頻傳輸；HDMI同時支持音頻傳輸；

3. VGA采用PC標準，色階從0至255；HDMI采用TV標準，色階默認從15至255；

4. VGA在高分辨率下會存在失真虛化的問題；HDMI支持4K高清分辨率；

5. VGA不存在兼容顧慮；HDMI在PC上兼容性一般，通常不支持三屏以上多屏顯示。

隨著數(shù)字圖像的發(fā)展，VGA接口被淘汰已成為趨勢，目前大部分新生產(chǎn)的PC和顯示器設備都不再支持VGA接口。然而，由于VGA標準早期的影響較大，大量投影儀等設備仍采用VGA，因此VGA接口目前仍被大量使用。

02圖像顯示時序分析

盡管HDMI接口為減少干擾、增強傳輸可靠性采用了TMDS編碼，但其圖像掃描的本質(zhì)方法與VGA相同：通過行同步與場同步進行掃描控制。在設計過程中通常采用專用芯片(例如SIL9134 HDMI編碼芯片與SIL9013 HDMI解碼芯片)完成TMDS編碼操作，因此掌握行同步與場同步的控制時序，就可以完成視頻圖像的顯示。

2.1 圖像顯示時序

視頻圖像顯示通常采用逐行掃描的方法：從屏幕左上方開始，從左向右逐點掃描。每行掃描完成時，用行同步信號HSYNC進行同步，電子束回到下一行最左側起始位置，同時CRT對電子束進行行消隱；每幀所有行掃描完成時，用場同步信號VSYNC進行幀同步，電子束回到屏幕左上方，同時CRT對電子束進行進行場消隱，開始下一幀掃描。

HSYNC為行同步信號(Horizontal Synchronization)，低電平時完成圖像行數(shù)據(jù)掃描，高電平時進行行同步；VSYNC為場同步信號(Vertical Synchronization)，低電平時進行圖像數(shù)據(jù)掃描，高電平時進行幀同步。

行同步信號HSYNC和場同步信號VSYNC均由四部分組成：Sync同步脈沖 + Back Porch消隱后肩時間 + Active Video數(shù)據(jù)有效時間 + Front Porch消隱前肩時間。

一幅圖片的顯示包括有效數(shù)據(jù)部分和消隱區(qū)部分，Blanking為圖像的消隱區(qū)，Border和Addressable Video部分為圖像的有效數(shù)據(jù)部分，在800×600及以上分辨率中Horizontal Left Border、Horizontal Right Border、Vertical Top Border、Vertical Bottom Border四個參數(shù)為0，即不存在Border區(qū)域。

行同步時序以像素為單位，場同步時序以行為單位。例如1920×1080分辨率的圖像，行時序以每行1920個像素進行同步和有效傳輸，場時序以每幀1080行進行同步和有效傳輸。

2.2 不同分辨率顯示參數(shù)

通過行場同步時序分析可知，對于圖像分辨率為1920×1080@60Hz的圖像顯示，時鐘傳輸頻率并非僅考慮有效數(shù)據(jù)像素1920×1080×60=124.416MHz，而應當同時考慮有效數(shù)據(jù)和消隱區(qū)數(shù)據(jù)2200×1125×60=148.5MHz。

不同分辨率圖像有效數(shù)據(jù)和消隱區(qū)像素分布如下：

03圖像顯示代碼實現(xiàn)

3.1 Verilog代碼

通過HDMI接口顯示圖像信息，主要包括兩部分：行場同步等信號生成模塊與IIC配置TMDS編碼芯片模塊。由于IIC協(xié)議配置芯片寄存器實現(xiàn)方法已在IIC協(xié)議中介紹，所以這里給出不同分辨率下HDMI行場同步信號的生成代碼：

`timescale 1ns / 1ps

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Company: Cascatrix

// Engineer: Carson

//

// Create Date: 2023/01/15

// Design Name: Image_Base

// Module Name: cx_image

// Tool Versions: v1.0

// Description: Image read and generate display parameters

//

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

`define PIXEL_1920_1080

//`define PIXEL_1680_1050

//`define PIXEL_1280_1024

//`define PIXEL_1280_720

//`define PIXEL_1024_768

//`define PIXEL_800_600

//`define PIXEL_640_480

module cx_image(

inputwireclk,

outputreghs,

outputregvs,

outputwireen,

outputwire [23:0]data

);

//1920x1080 148.5Mhz

`ifdef PIXEL_1920_1080

parameter H_ACTIVE = 1920;// 行數(shù)據(jù)有效時間

parameter H_FRONT_PORCH = 88; // 行消隱前肩時間

parameter H_SYNC_TIME = 44; // 行同步信號時間

parameter H_BACK_PORCH = 148; // 行消隱后肩時間

parameter V_ACTIVE = 1080;// 列數(shù)據(jù)有效時間

parameter V_FRONT_PORCH = 4; // 列消隱前肩時間

parameter V_SYNC_TIME = 5; // 列同步信號時間

parameter V_BACK_PORCH = 36; // 列消隱后肩時間

`endif

//1680x1050 119Mhz

`ifdef PIXEL_1680_1050

parameter H_ACTIVE = 1680;// 行數(shù)據(jù)有效時間

parameter H_FRONT_PORCH = 48; // 行消隱前肩時間

parameter H_SYNC_TIME = 32; // 行同步信號時間

parameter H_BACK_PORCH = 80; // 行消隱后肩時間

parameter V_ACTIVE = 1050;// 列數(shù)據(jù)有效時間

parameter V_FRONT_PORCH = 3; // 列消隱前肩時間

parameter V_SYNC_TIME = 6; // 列同步信號時間

parameter V_BACK_PORCH = 21; // 列消隱后肩時間

`endif

//1280x1024 108Mhz

`ifdef PIXEL_1280_1024

parameter H_ACTIVE = 1280;// 行數(shù)據(jù)有效時間

parameter H_FRONT_PORCH = 48; // 行消隱前肩時間

parameter H_SYNC_TIME = 112; // 行同步信號時間

parameter H_BACK_PORCH = 248; // 行消隱后肩時間

parameter V_ACTIVE = 1024;// 列數(shù)據(jù)有效時間

parameter V_FRONT_PORCH = 1; // 列消隱前肩時間

parameter V_SYNC_TIME = 3; // 列同步信號時間

parameter V_BACK_PORCH = 38; // 列消隱后肩時間

`endif

//1280X720 74.25MHZ

`ifdef PIXEL_1280_720

parameter H_ACTIVE = 1280;// 行數(shù)據(jù)有效時間

parameter H_FRONT_PORCH = 110; // 行消隱前肩時間

parameter H_SYNC_TIME = 40; // 行同步信號時間

parameter H_BACK_PORCH = 220; // 行消隱后肩時間

parameter V_ACTIVE = 720; // 列數(shù)據(jù)有效時間

parameter V_FRONT_PORCH = 5; // 列消隱前肩時間

parameter V_SYNC_TIME = 5; // 列同步信號時間

parameter V_BACK_PORCH = 20; // 列消隱后肩時間

`endif

//1024x768 65Mhz

`ifdef PIXEL_1024_768

parameter H_ACTIVE = 1024;// 行數(shù)據(jù)有效時間

parameter H_FRONT_PORCH = 24; // 行消隱前肩時間

parameter H_SYNC_TIME = 136; // 行同步信號時間

parameter H_BACK_PORCH = 160; // 行消隱后肩時間

parameter V_ACTIVE = 768; // 列數(shù)據(jù)有效時間

parameter V_FRONT_PORCH = 3; // 列消隱前肩時間

parameter V_SYNC_TIME = 6; // 列同步信號時間

parameter V_BACK_PORCH = 29; // 列消隱后肩時間

`endif

//800x600 40Mhz

`ifdef PIXEL_800_600

parameter H_ACTIVE = 800;// 行數(shù)據(jù)有效時間

parameter H_FRONT_PORCH = 40 ;// 行消隱前肩時間

parameter H_SYNC_TIME = 128;// 行同步信號時間

parameter H_BACK_PORCH = 88 ;// 行消隱后肩時間

parameter V_ACTIVE = 600;// 列數(shù)據(jù)有效時間

parameter V_FRONT_PORCH = 1 ;// 列消隱前肩時間

parameter V_SYNC_TIME = 4 ;// 列同步信號時間

parameter V_BACK_PORCH = 23 ;// 列消隱后肩時間

`endif

//640x480 25.175Mhz

`ifdef PIXEL_640_480

parameter H_ACTIVE = 640; // 行數(shù)據(jù)有效時間

parameter H_FRONT_PORCH = 16 ; // 行消隱前肩時間

parameter H_SYNC_TIME = 96 ; // 行同步信號時間

parameter H_BACK_PORCH = 48 ; // 行消隱后肩時間

parameter V_ACTIVE = 480; // 列數(shù)據(jù)有效時間

parameter V_FRONT_PORCH = 10 ; // 列消隱前肩時間

parameter V_SYNC_TIME = 2 ; // 列同步信號時間

parameter V_BACK_PORCH = 33 ; // 列消隱后肩時間

`endif

parameter H_TOTAL_TIME = H_ACTIVE + H_FRONT_PORCH + H_SYNC_TIME + H_BACK_PORCH;

parameter V_TOTAL_TIME = V_ACTIVE + V_FRONT_PORCH + V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH;

reg h_act;

reg v_act;

reg [12:0] h_syn_cnt;

reg [12:0] v_syn_cnt;

reg [31:0] image_cnt;

// 有效數(shù)據(jù)控制

assign en = h_act & v_act;

// 行掃描計數(shù)器

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt == H_TOTAL_TIME - 1)

h_syn_cnt <= 13'b0;

else

h_syn_cnt <= h_syn_cnt + 1'b1;

end

// 列掃描計數(shù)器

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt == H_TOTAL_TIME - 1)

begin

if(v_syn_cnt == V_TOTAL_TIME-1)

v_syn_cnt <= 13'b0;

else

v_syn_cnt <= v_syn_cnt + 1'b1;

end

end

// 行同步控制

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt < H_SYNC_TIME)

hs <= 1'b0;

else

hs <= 1'b1;

end

// 場同步控制

always@(posedge clk)

begin

if(v_syn_cnt < V_SYNC_TIME)

vs <= 1'b0;

else

vs <= 1'b1;

end

// 行有效控制

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt == H_SYNC_TIME + H_BACK_PORCH - 1)

h_act = 1'b1;

else if(h_syn_cnt == H_SYNC_TIME + H_BACK_PORCH + H_ACTIVE - 1)

h_act = 1'b0;

end

// 列有效控制

always@(posedge clk)

begin

if(v_syn_cnt == V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH - 1 && h_syn_cnt == 0)

v_act = 1'b1;

else if(v_syn_cnt == V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH + V_ACTIVE - 1 && h_syn_cnt == 0)

v_act = 1'b0;

end

// 像素數(shù)計數(shù)器

always@(posedge clk)

begin

if(image_cnt == H_ACTIVE*V_ACTIVE - 1)

image_cnt <= 'd0;

else if(h_act & v_act)

image_cnt <= image_cnt + 1;

end

// 圖像像素值存儲rom

rom_image inst_rom_image

(

.clk (clk),

.en (h_act & v_act),

.addr (image_cnt),

.dout (data)

);

endmodule

rom_image為圖像像素數(shù)據(jù)存儲模塊，根據(jù)不同地址依次存入對應像素的像素值。該模塊可通過Matlab生成，具體方法將在后續(xù)FPGA數(shù)字圖像仿真中介紹。部分代碼如下：

module rom_image

(

input clk,

input[31:0] addr,

inputen,

output[23:0]dout

);

reg [23:0] DATA;

assigndout = DATA;

always@(*)

begin

if(en)

case(addr)

0 : DATA<=24'hB18D81;

1 : DATA<=24'h967266;

2 : DATA<=24'h987468;

...

2073597 : DATA<=24'hAE8070;

2073598 : DATA<=24'hAE8070;

2073599 : DATA<=24'hC79989;

default: DATA<= 0;

endcase

else

DATA <= 0;

end

endmodule

3.2 實現(xiàn)效果分析

選擇分辨率為1920×1080的圖像：

FPGA通過HDMI輸入到顯示器，顯示效果如下：