FPGA 技术培训学习总结与实验心得
——对 VGA 实验电路的改进
姓 名：段 磊
日 期：2007/4/20
FPGA 技术培训学习总结与实验心得
目 录
1. 学习感受........................................................................................................................................1
2. 对VGA实验电路的改进...............................................................................................................2
2.1 VGA接口..............................................................................................................................2
2.2 系统实现...............................................................................................................................3
2.3 VHDL程序设计....................................................................................................................5
2.4 NIOS程序设计 .....................................................................................................................9
2.5 实验结果.............................................................................................................................12
3. 致谢..............................................................................................................................................13
4. 参考文献......................................................................................................................................13
FPGA 技术培训学习总结与实验心得
1. 学习感受
我在一家通信公司从事研发设计研发工作。几年前的一次偶然机会让我初次接触到
FPGA，没想到过这么普通的一块集成电路居然可以根据需要设计成各种电路。从那以后，我
就对 FPGA 产生了极大兴趣。后来，我了解到除了用画原理图的方法设计外，还可以用编程
的方法，而且这种方法的可移植性更强，于是我买来参考书开始学习。但是苦于缺少这方面
的基础，并且周围也没有精通于此的人能给予足够的指点和帮助，致使我在自学过程中遇到
很多困惑，几次陷入停顿。
去年，当我在杂志上看到中电网正在网上组织 FPGA 技术培训时，我感到这个机会太难
得了，多年以来渴望全面、系统学习 FPGA 的愿望终于可以实现了，于是我立即报名参加。
我过去参加的培训全都是面对面的，学生有问题可以随时向老师提问，但是我对网络教学这
种新模式还十分陌生，对学习效果也曾经有过一些担心。后来事实证明我的担心完全是没有
必要的。首先，学员不用脱产学习，可以自由安排时间学习，同时免去了上课路途上的劳顿
之苦。其次，所有学习内容都被制作成多媒体形式，图文声并茂，可以反复浏览，使得学习
记忆深刻，方便复习。而最重要的是，我们能够通过电子邮件的方式直接向著名的孟宪元教
授请教问题，得到一对一的辅导。这样的学习模式真是一举多得，中电网为我们想得很周到。
通过几个月的学习，我学到了许多新知识。比如：FPGA 的发展历程，FPGA 的内部基本
结构、FPGA 的设计原则、流程与方法，VHDL 语言的特点和编程技巧，时序仿真与系统优
化，嵌入式 NIOS 内核的开发，FPGA 在诸多领域的应用等。所有这些都极大的拓宽了我知识
面。为了学好 FPGA，我反复做实验，通过实验使我对 FPGA 和 VHDL 语言有了更深入的认
识和了解。一个学期下来，我现在已经可以独立设计一些相对复杂的电路，如 4*4 键盘控制
电路、8 位并行总线与 SPI 总线转换电路等，而且还改进了实验教材中的 VGA 显示电路。如
果没有中电网的老师们和孟宪元教授的辛勤付出，我是取得不了的这些进步的。
由于一些技术问题暂时还没有被解决，再加上我的本职工作也很忙，所以我目前还无法
提交一份完整的技术论文。因此，请允许我在下面内容中将已有的研究成果以实验心得的方
式向各评审老师汇报，希望您们能多谅解，谢谢。
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2. 对 VGA 实验电路的改进
在 THCII-1 实验套件的《实验教材》中，有多个实验都是以 VGA 显示器作为人机接口
来输出系统状态或计算结果的。与 7 段数码管和 LED 这些输出方式相比，VGA 显示器可以
显示更多的文字或图形信息。与串口比起来，由 FPGA 直接输出 VGA 信号可以省去体积庞
大的 PC 主机，因此应用起来十分方便。
《实验教材》中的 VGA 电路将 VGA 显示器模拟成一个 4 位 7 段数码管。这样在方便了
实验的同时也降低了 VGA 显示器在文字和图形显示方面的优势。因此我考虑在此基础上改
进电路，充分发挥 VGA 显示器的特点，并使之与 NIOS 顺利对接，这样就能够按照程序员的
意愿，在屏幕上显示任意的文字或图形。
2.1 VGA 接口
最初的 PC 显示标准（包括 MDA，CGA，EGA，VGA，XGA 等）是由 IBM 制定的。视
频电子标准协会（VESA）为了进一步统一显示器的视频显示标准，对以前的标准进行了修订
和说明，并同时又制定了一些超过 VGA，XGA 的标准。各显示器和显卡的生产厂家为了保
持最大的产品兼容性，对这两家的标准都予以支持。这里以 VESA 的标准为例对 VGA 接口
进行说明。
VGA 接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是控制信号。数据信号包括红
（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）信号，简称 RGB 信号。控制信号包括水平同步信号和垂直
同步信号。向显示器输出不同的分辨率时，水平同步信号和垂直同步信号的频率也不同。下
表是部分显示模式所使用的频率。
分辨率 垂直同步信号频率
Hz
水平同步信号频率
kHz
图像时钟频率
MHz
同步极性
H/V
640*480 75.000 37.500 31.500 -/-
800*600 75.000 46.875 49.500 +/+
800*600 72.188 48.077 50.000 +/+
1024*768 60.004 48.363 65.000 -/-
1024*768 70.069 56.476 75.000 -/-
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从表中可以看出，当分辨率为 640*480 时，垂直同步信号是 75Hz，水平同步信号是
37.5kHz，图像时钟是 31.5MHz，垂直同步信号和水平同步信号都采用低电平同步方式。这些
频率之间存在以下关系：
31.5MHz / 37.5kHz = 840 ……………………… （1）
840 – 640 = 200 ………………………………… （2）
37.5kHz / 75Hz = 500 …………………………… （3）
500 – 480 = 20 ………………………………… （4）
式（1）、（2）说明分辨率为 640*480 时，显示器每行占用 840 个数据位，其中 640 个数
据位用于显示像素，另外 200 个数据位用于输出水平同步信号和水平消隐信号。式（3）、（4）
则说明垂直方向有 500 行，其中 480 行用于显示像素，其余 20 行用于输出垂直同步信号和垂
直消隐信号。可见，如果想在屏幕的某个位置显示一个某种颜色的点，只需在该点所对应的
那个数据位输出对应的 RGB 信号即可。
水平同步信号和垂直同步信号都采用低电平同步方式。通过示波器观察发现水平同步信
号低电平约保持 2us，相当于 63 个数据位长度。垂直同步信号低电平约保持 80us，相当于 3
行数据位长度。
2.2 系统实现
在了解了 VGA 的显示原理之后，我们就会发现，输出标准 VGA 信号的关键是要产生正
确的图像时钟频率。有了这个时钟信号，就可以通过计数分频的方法在规定的时刻输出 RGB
信号、垂直同步信号和水平同步信号。
此次改进的 VGA 实验电路的输出分辨率设定在 640*480，需要为其提供 31.5MHz 的时
钟信号。THCII-1 实验板上晶振的频率是 50MHz，要想通过 FPGA 内部的锁相环（PLL）将
时钟调整到 31.5MHz 不太容易，因此将晶振更换为 36MHz，这样经过 7 倍频，8 分频后就可
获得 31.5MHz 时钟。
接下来的问题是 NIOS 如何将数据发送给 VGA 显示电路呢？这里参考了 PC 机中显卡的
工作方式。即在 NIOS 和 VGA 显示电路之间增设一个双口 RAM（DPRAM）作为显示存储器
（VRAM）。NIOS 每次把要显示的内容写入 VRAM 中，VGA 显示电路根据显示时序依次读
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