4. Разработка проекта

Источник сигнала – в нашем случае это будет ПЛИС платы Марсоход2, которая снабжает монитор сигналами цветовых величин красного, зелёного и синего компонента, а также сигналами горизонтальной (строчной) и вертикальной (кадровой) синхронизации. Последние два являются цифровыми, в то время как данные о цвете предварительно превращаются в уровень напряжения в цифро-аналоговом преобразователе. Модуль требует входного сигнала тактовой частоты (pixel clock).



Рис. 1 - Стандартная вилка VGA-разъёма

Также в интерфейсе есть четыре вывода, которые используются для загрузки расширенных данных идентификации дисплея из ПЗУ монитора. В простейшем случае их можно не подключать. Кроме того, некоторые из мониторов поддерживают синхронизацию по зелёному – в этом случае сигналы вертикальной и горизонтальной синхронизации передаются по каналу зелёного цветового компонента, а необходимость в отдельных синхронизирующих линиях, соответственно, исчезает.

Изображение ниже показывает, как располагаются сигналы синхронизации относительно видимой области. Синхронизирующие импульсы в начале и в конце выделяются "порожками" (англ. porch – "крыльцо"), причём длительность импульса и порожков определяется режимом работы контроллера. Также надо заметить, что для строк длительность измеряется в тактах опорной частоты, а для кадров – в строках.



Рисунок - 2 -Расположение видимой области и сигналов синхронизации

В таблице показаны параметры для наиболее распространённых разрешений:

Таблица -1 Параметры для наиболее распространённых разрешений:

Разрешение	Частота обновления (Гц)	Частота пикселей (МГц)	Строки				Кадры				Полярность h_sync*	Полярность v_sync*
			Пиксели	Передний порожек	Синхронизация	Задний порожек	Строки	Передний порожек	Синхронизация	Задний порожек
640x350	70	25.175	640	16	96	48	350	37	2	60	p	n
640x350	85	31.5	640	32	64	96	350	32	3	60	p	n
640x400	70	25.175	640	16	96	48	400	12	2	35	n	p
640x400	85	31.5	640	32	64	96	400	1	3	41	n	p
640x480	60	25.175	640	16	96	48	480	10	2	33	n	n
640x480	73	31.5	640	24	40	128	480	9	2	29	n	n
640x480	75	31.5	640	16	64	120	480	1	3	16	n	n
640x480	85	36	640	56	56	80	480	1	3	25	n	n
640x480	100	43.16	640	40	64	104	480	1	3	25	n	p
720x400	85	35.5	720	36	72	108	400	1	3	42	n	p
768x576	60	34.96	768	24	80	104	576	1	3	17	n	p
768x576	72	42.93	768	32	80	112	576	1	3	21	n	p
768x576	75	45.51	768	40	80	120	576	1	3	22	n	p
768x576	85	51.84	768	40	80	120	576	1	3	25	n	p
768x576	100	62.57	768	48	80	128	576	1	3	31	n	p
800x600	56	36	800	24	72	128	600	1	2	22	p	p
800x600	60	40	800	40	128	88	600	1	4	23	p	p
800x600	75	49.5	800	16	80	160	600	1	3	21	p	p
800x600	72	50	800	56	120	64	600	37	6	23	p	p
800x600	85	56.25	800	32	64	152	600	1	3	27	p	p
800x600	100	68.18	800	48	88	136	600	1	3	32	n	p
1024x768	43	44.9	1024	8	176	56	768	0	8	41	p	p
1024x768	60	65	1024	24	136	160	768	3	6	29	n	n
1024x768	70	75	1024	24	136	144	768	3	6	29	n	n
1024x768	75	78.8	1024	16	96	176	768	1	3	28	p	p
1024x768	85	94.5	1024	48	96	208	768	1	3	36	p	p
1024x768	100	113.31	1024	72	112	184	768	1	3	42	n	p
1152x864	75	108	1152	64	128	256	864	1	3	32	p	p
1152x864	85	119.65	1152	72	128	200	864	1	3	39	n	p
1152x864	100	143.47	1152	80	128	208	864	1	3	47	n	p
1152x864	60	81.62	1152	64	120	184	864	1	3	27	n	p
1280x1024	60	108	1280	48	112	248	1024	1	3	38	p	p
1280x1024	75	135	1280	16	144	248	1024	1	3	38	p	p
1280x1024	85	157.5	1280	64	160	224	1024	1	3	44	p	p
1280x1024	100	190.96	1280	96	144	240	1024	1	3	57	n	p
1280x800	60	83.46	1280	64	136	200	800	1	3	24	n	p
1280x960	60	102.1	1280	80	136	216	960	1	3	30	n	p
1280x960	72	124.54	1280	88	136	224	960	1	3	37	n	p
1280x960	75	129.86	1280	88	136	224	960	1	3	38	n	p
1280x960	85	148.5	1280	64	160	224	960	1	3	47	p	p
1280x960	100	178.99	1280	96	144	240	960	1	3	53	n	p
1368x768	60	85.86	1368	72	144	216	768	1	3	23	n	p
1400x1050	60	122.61	1400	88	152	240	1050	1	3	33	n	p
1400x1050	72	149.34	1400	96	152	248	1050	1	3	40	n	p
1400x1050	75	155.85	1400	96	152	248	1050	1	3	42	n	p
1400x1050	85	179.26	1400	104	152	256	1050	1	3	49	n	p
1400x1050	100	214.39	1400	112	152	264	1050	1	3	58	n	p
1440x900	60	106.47	1440	80	152	232	900	1	3	28	n	p
1600x1200	60	162	1600	64	192	304	1200	1	3	46	p	p
1600x1200	65	175.5	1600	64	192	304	1200	1	3	46	p	p
1600x1200	70	189	1600	64	192	304	1200	1	3	46	p	p
1600x1200	75	202.5	1600	64	192	304	1200	1	3	46	p	p
1600x1200	85	229.5	1600	64	192	304	1200	1	3	46	p	p
1600x1200	100	280.64	1600	128	176	304	1200	1	3	67	n	p
1680x1050	60	147.14	1680	104	184	288	1050	1	3	33	n	p
1792x1344	60	204.8	1792	128	200	328	1344	1	3	46	n	p
1792x1344	75	261	1792	96	216	352	1344	1	3	69	n	p
1856x1392	60	218.3	1856	96	224	352	1392	1	3	43	n	p
1856x1392	75	288	1856	128	224	352	1392	1	3	104	n	p
1920x1200	60	193.16	1920	128	208	336	1200	1	3	38	n	p
1920x1440	60	234	1920	128	208	344	1440	1	3	56	n	p
1920x1440	75	297	1920	144	224	352	1440	1	3	56	n	p
* p – положительный ("1"), n – отрицательный ("0").

---

Было решено ориентироваться на на режим 1280 на 1024 точки при частоте кадров 60 Гц, но модуль можно подстроить под любой из режимов, изменив одних сигналов синхронизации для модуля мало. Поскольку основное его предназначение – отображение текстовой информации, требуется ПЗУ, в котором будет храниться алфавит используемого шрифта. Я выбрал шрифт, ранее использованный Николаем и включающий 256 различных символов с размерами 8 на 16 точек. Таким образом, ПЗУ должно иметь 4096 восьмиразрядных слов. Отдельно требуется блок ОЗУ, где хранится текущее состояние экрана и куда сохраняются текстовые данные, поступающие от какого-либо источника. Каждое слово ОЗУ – несложно сосчитать, что их будет 10240, по максимальному числу отображаемых символов – соответствует одному знакоместу на экране и состоит из 16 бит – старший байт определяет атрибуты цвета фона и текста, младший же кодирует символ.

Два блока памяти создаются через MegaWizard Plug-In Manager. Замечу, что я выбрал однопортовое ПЗУ, для его конфигурации использован файл vgafont.mif, в то время как ОЗУ имеет раздельные порты для чтения и записи данных. Сделано это для того, чтобы текстовый модуль мог свободно читать необходимую для отображения информацию из памяти и записывать новые данные. На входы ОЗУ 

---

data, wraddress и wren подаются записываемые данные (текст с атрибутами цвета), адрес знакоместа и сигнал разрешения записи от любого внешнего источника или пользовательской логики. Через мастер добавлен и модуль PLL, превращающий базовую частоту 100 МГц в частоту пикселей 108 МГц и частоту 54 МГц, которая использована для памяти.



Рис. 3 - Пользоваться MegaWizard Plug-In Manager легко

Рассмотрим интерфейсную часть основного модуля. Входами здесь являются порты pixel_clk для частоты пикселей, 16-разрядный вектор q_ram для запрошенных из ОЗУ данных, и 8-разрядный вектор q_rom – для данных их ПЗУ. В числе выходов присутствуют сигналы величин цветовых компонентов (r, g, b), сигналы вертикальной (vsync) и горизонтальной (hsync) синхронизации, 14-разрядный адрес запрашиваемого из ОЗУ слова rd и 12-разрядный адрес запрашиваемого из ПЗУ слова adr_rom.


Рисунок 4 - Графический символ текстового модуля
Если по интерфейсной части модуля вопросов не возникает, то можно перейти непосредственно к описанию его архитектуры. Прежде всего, необходимо задать два счётчика – горизонтальный (hcnt), считающий такты частоты пикселей, и вертикальный (vcnt), считающий строки. Первый считает от 0 до 1687 (столько пикселей влезает в строку в выбранном мною режиме), второй – от 0 до 1065, причём его увеличение на единицу происходит только в момент обнуления горизонтального счётчика.

Следом нужно описать алгоритм формирования сигналов синхронизации. Значение сигнала выбирается в соответствии с его полярностью (при отрицательной полярности при "отсутствии" сигнала линия должна находится в высоком логическом состоянии), о том, как определить длительность и расположение синхронизирующего импульса я писал выше. Кстати говоря, синхронизирующий сигнал может проходить как после видимой зоны, так и до, чем я и воспользовался для выравнивания задержки видеопамяти, поставив горизонтальную синхронизацию до отображаемой строки пикселей. Кадровая синхронизация же происходит после отрисовки видимой зоны.

---

На основе значения счётчиков формируется сигнал display_en, принимающий единичные значения тогда, когда состояние адаптера соответствует одной из видимых на экране точек. В этом случае цветовым компонентам будут назначаться некоторые значения, получаемые из памяти, иначе же графическая информация не выводится. 

process(pixel_clk)
begin
  if rising_edge(pixel_clk) then   

         --counters
         if (hcnt = 1687) then
                 hcnt <= 0;
                 if (vcnt = 1065) then
                         vcnt <= 0;
                 else
                         vcnt <= vcnt+1;
                 end if;
         else
                 hcnt <= hcnt+1;
         end if;      

        --sync pulses
         if (hcnt > 47 and hcnt < 160) then
                 hsync <= '1';
         else
                 hsync <= '0';
         end if;
         if(vcnt > 1025 and vcnt < 1028) then
                 vsync <= '1';
         else
                 vsync <= '0';
         end if;

         --display enable
         if (hcnt > 407 and vcnt < 1024) then
                 display_en <= '1';
         else
                 display_en <= '0';
         end if;
  end if;
end process;

Самой важной частью текстового модуля будет получение адреса отображаемого в конкретный момент времени знакоместа и считывания из ПЗУ нужного слова, характеризующего расположение закрашенных точек символа. Во-первых, для этого из ОЗУ нужно запросить данные знакоместа – цвет фона, цвет текста и код самого символа. Числовой адрес знакоместа совпадает с таковым у слова в ОЗУ, а определяется он по такой формуле:

160*(vcnt/16)+ (hcnt-401)/8

Напомню, что высота знака 16 точек, а ширина – 8. Таким образом, в одну строку влезает 160 символов, номер символа в строке – это результат деления текущего значения hcnt (с поправкой на то, что видимая область начинается не от нуля) без остатка на восемь. Дополнительно к этому результату следует прибавить результат деления текущего значения счётчика vcnt на 16 (показывает номер отображаемой строки символов), умноженный на 160 – именно такое количество знаков влезает в одну строку. Очевидно, сумма укажет на искомое знакоместо. Из-за особенностей работы алгоритма первый символ в строке искажается, поэтому в действительности знакомест в строке 161, но первое не попадает в видимую зону и отсекается.

Далее нужно запросить из ПЗУ адрес слова, описывающего текущий фрагмент расположенного в знакоместе символа. Как уже неоднократно подмечалось, символ состоит из 16 строк по 8 точек в каждой. Одно слово в ПЗУ – это одна такая строка, состоящая из нулей (обозначают "фон") и единиц (соответственно, "знак"). Итак, адрес вычисляется следующим образом:

---

16*(to_integer(q_ram(7 downto 0))) + (vcnt rem 16)

Перевод в целое число младшего байта вектора считанной из ОЗУ характеристики знакоместа даст результат от 0 до 255, который покажет, какой именно знак будет читаться из ПЗУ. Поскольку на один знак выделено 16 слов памяти, полученное число нужно умножить на 16, а к произведению прибавить остаток от деления текущего значения счётчика vcnt на 16.



Рисунок 5 - Пример знака из алфавита, записанного в ПЗУ

В последнюю очередь назначаются величины цветовых компонентов. Здесь всё просто: если адаптер находится в зоне отображения, а точка в текущем знакоместе – фон, цветам назначаются значения по старшим четырём разрядам старшего байта слова, считанного из ОЗУ; в противном случае (точка – часть символа) цвета назначаются из младшей тетрады старшего байта; а если адаптер вне видимой зоны – цветам назначаются нули (чёрный цвет).

red <= (others => q_ram(14)) when (display_en='1' and q_rom(to_integer(col(2 downto 0)))='0')
else (others => q_ram(10)) when display_en='1' else (others => '0');

green <= (others => q_ram(11)) when (display_en='1' and q_rom(to_integer(col(2 downto 0)))='0')
else (others => q_ram(9)) when display_en='1' else (others => '0');

blue <= (others => q_ram(12)) when (display_en='1' and q_rom(to_integer(col(2 downto 0)))='0')
else (others => q_ram(8)) when display_en='1' else (others => '0');

В результате на экране выводятся числа в заданном диапазоне.
Заключение

В ходе выполнения курсового проекта было спроектировано устройство формирования тестового видеоизображения на базе ПЛИС «Quartus II», Программное обеспечение предоставляет полную мультиплатформенную среду проектирования, которая может быть легко перенастроена под конкретные требования. Это идеальная среда для проектирования на основе ПЛИС законченных систем на кристалле (SOPS). Программное обеспечение Quartus II включает в себя средства для всех фаз проектирования с применением ПЛИС как FPGA, так и CPLD структур.


Литература:
1. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс.- М.: РадиоСофт, 2001. – 224с.

2. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. – М.:ДОДЕКА, 2000. – 128с.

3. Стешенко В.Б. EDA. Практика автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств. – М.: Издатель Молгачева С.В., Издательство «Нолидж», 2002. – 768с.

4. Описания к лабораторным работам по курсу «СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭВС»

5. Методические описания по курсу «СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭВС».

---

Смотрите также файлы

• Вопрос найдите все ошибки в фразе Законопроект одобрен Думой в третьем чтении.docx

• Практическое задание 15 Беспалова Е. А.docx

• Комплексный машинный эксперимент по исследованию технологических процессов, представленных детерминированной моделью.pdf

• Бизнеспланирование менеджмент предпринимательство. Характеристики, соответствующие понятию менеджер.docx

• Шалар ауданыны білім бліміні басшысы . О. Жмаханова.odt