Verilog视频信号图形显示 FPGA(iCE40)

您需要一块带视频输出的 FPGA 板。我们将在 640x480 下工作，几乎任何视频输出都可以在此像素工作。它有助于轻松地对 FPGA 板进行编程并相当熟悉 Verilog。如果您没有开发板，请不要担心，您可以使用 Verilator 模拟器。

材料

Lattice iCE40
即用型开发平台（Xilinx Artix-7）
视频板（Xilinx Artix-7）
使用 SDL（简单直接媒体层）进行 Verilator 模拟

屏幕是一个微型宇宙，有自己的空间和时间。从远处看，屏幕显示出平滑的二维图像。近距离观察，它会分解成许多单独的色块：红色、绿色和蓝色。我们将这种复杂性隐藏在像素的抽象概念后面：我们可以控制的屏幕的最小部分。典型的高清屏幕为 1920 x 1080：总共 200 万像素。即使 640x480 的显示屏也有超过 300,000 个像素。屏幕每秒刷新多次，从而产生运动的错觉。在 60 Hz 频率下，1920x1080 屏幕每秒绘制 1.24 亿像素！快速处理大量数据的需求是在硬件级别处理图形的一大挑战。

显示连接器和布线各不相同，但 VGA、HDMI 和 DisplayPort 具有相似的数据设计。颜色有三个通道，通常是红色、绿色和蓝色，以及水平和垂直同步信号。可能还有音频和配置数据，但现在这并不重要。红、绿、蓝通道依次承载每个像素的颜色。当屏幕接收到水平同步和垂直同步上的新帧时，屏幕开始新的一行。同步信号是消隐间隔的一部分。

消隐间隔允许阴极射线管 (CRT) 中的电子枪移动到下一行（水平回扫）或屏幕顶部（垂直回扫）。现代数字显示器保留了消隐间隔，并将其重新用于传输音频和其他数据。

驱动显示器

选择显示时序后，我们就可以创建视频信号了。有四个阶段：

像素时钟
显示信号
绘制图形
视频输出（VGA、HDMI、DisplayPort）

像素时钟

我们知道我们需要 25.2 MHz 的频率，但是如何实现它呢？

FPGA 包括锁相环 (PLL)，用于生成自定义时钟频率。遗憾的是，并没有配置 PLL 的标准方法。我们需要特定于供应商的设计。

我已经为我们的板子提供了实施方案：

iCE40板子：

module clock_480p (
    input  wire logic clk_12m,        // input clock (12 MHz)
    input  wire logic rst,            // reset
    output      logic clk_pix,        // pixel clock
    output      logic clk_pix_locked  // pixel clock locked?
    );

    localparam FEEDBACK_PATH="SIMPLE";
    localparam DIVR=4'b0000;
    localparam DIVF=7'b1000010;
    localparam DIVQ=3'b101;
    localparam FILTER_RANGE=3'b001;

    logic locked;
    SB_PLL40_PAD #(
        .FEEDBACK_PATH(FEEDBACK_PATH),
        .DIVR(DIVR),
        .DIVF(DIVF),
        .DIVQ(DIVQ),
        .FILTER_RANGE(FILTER_RANGE)
    ) SB_PLL40_PAD_inst (
        .PACKAGEPIN(clk_12m),
        .PLLOUTGLOBAL(clk_pix),  // use global clock network
        .RESETB(rst),
        .BYPASS(1'b0),
        .LOCK(locked)
    );

endmodule

开发平台：

module clock_480p (
    input  wire logic clk_12m,        // input clock (12 MHz)
    input  wire logic rst,            // reset
    output      logic clk_pix,        // pixel clock
    output      logic clk_pix_locked  // pixel clock locked?
    );

    localparam FEEDBACK_PATH="SIMPLE";
    localparam DIVR=4'b0000;
    localparam DIVF=7'b1000010;
    localparam DIVQ=3'b101;
    localparam FILTER_RANGE=3'b001;

    logic locked;
    SB_PLL40_PAD #(
        .FEEDBACK_PATH(FEEDBACK_PATH),
        .DIVR(DIVR),
        .DIVF(DIVF),
        .DIVQ(DIVQ),
        .FILTER_RANGE(FILTER_RANGE)
    ) SB_PLL40_PAD_inst (
        .PACKAGEPIN(clk_12m),
        .PLLOUTGLOBAL(clk_pix),  // use global clock network
        .RESETB(rst),
        .BYPASS(1'b0),
        .LOCK(locked)
    );

endmodule

显示信号

我们可以从像素时钟和显示时序生成同步信号。我们还想报告当前的屏幕位置以了解何时绘制内容。

我们用一个简单的显示模块来完成这两件事：

module sim_480p (
    input  wire logic clk_pix,   
    input  wire logic rst_pix,   
    output      logic [9:0] sx,  
    output      logic [9:0] sy,  
    output      logic hsync,     
    output      logic vsync,    
    output      logic de         
    );

    parameter HA_END = 639;           
    parameter HS_STA = HA_END + 16;   
    parameter HS_END = HS_STA + 96;   
    parameter LINE   = 799;           

    parameter VA_END = 479;           
    parameter VS_STA = VA_END + 10;   
    parameter VS_END = VS_STA + 2;    
    parameter SCREEN = 524;          

    always_comb begin
        hsync = ~(sx >= HS_STA && sx < HS_END);  
        vsync = ~(sy >= VS_STA && sy < VS_END); 
        de = (sx <= HA_END && sy <= VA_END);
    end

    always_ff @(posedge clk_pix) begin
        if (sx == LINE) begin  // last pixel on line?
            sx <= 0;
            sy <= (sy == SCREEN) ? 0 : sy + 1;  // last line on screen?
        end else begin
            sx <= sx + 1;
        end
        if (rst_pix) begin
            sx <= 0;
            sy <= 0;
        end
    end
endmodule