VGA Module Design

VGAモジュールの作成

KITEプロセッサのに接続するVGAモジュールを作成します。

VGAモジュールの仕様

画面は1280dot x 720lineのHDとする．
キャラクタを表示するものとし、表示文字数は80x22文字(1,760文字)とする。
キャラクタの構成は16dot x 32lineとするが，文字フォントはメモリ節約のため16dot x 16lineを使用する。したがって，描画の際には2ラスタ分同じラスタを表示し32lineになるようにする．
したがって、文字表示画面 dot 構成は 1280dot x 702line となり，残り16ラインは無表示とする。

画面構成、文字構成、KITEにおけるメモリマップの対応を以下に示す。

VGAモジュールのブロック図

VGAモジュールは、主に以下のブロックからなる。

Video RAM：画面に表示する文字のJIS8ビットコードを保持しておくメモリ。表示文字数は80x22文字であるので、8ビットで1,7600ワードを記憶できる必要がある。メモリ容量としては2進数値できりの良い2,048バイトを準備する．
Character ROM：キャラクタの文字情報を記憶しておくメモリ。
JIS8ビットコードの場合256文字であるので，1文字の構成が16ドット×32ラインの場合，
16ビット8,192ワード必要となる。今回はメモリ節約のために1文字は16dot×32lineとし， 2ライン分同じラインを重複表示させることとする．
Shift Register：Char.ROM から読み出した文字のドットデータをドットクロックに応じてシフトし、シリアルに出力する。
VGA Controller：Video Memory, Char. ROM, Shift Register の制御および同期信号の生成を行うモジュールである。内部構成としては、ほとんどがタイミング調整用のカウンタである。

VGA画像表示の考え方

VGAモニタへの画像表示は、通常のテレビと同様にラスタスキャンで表示を行っている。

画面の表示は第1ライン(ラスタという)を左から右に向かって逐次的に表示している。水平のドット構成は1280ドットであるが、実際には表示されていない部分がある。1280x720構成の一般的VGAでは、実際には 1600dot×752line程度で構成される。水平部分の表示されていない期間中に水平同期信号がモニタに送られており、このタイミングにより次のラスタを表示するためのタイミングをモニタは知ることができるようになっている。
同様に、垂直方向についても、表示されていない期間において垂直同期信号が出力される。
図に示すように、水平方向および垂直方向のタイミングを取るために、以下のようなカウンタを用意する必要がある。
- CNT : 水平文字ドットカウンタ：0〜15までをカウントする。
- HCNT : 水平文字カウンタ：0〜99までをカウントする。
- RCNT : ラスタカウンタ：文字毎のラスタを0〜15までカウントする
- VCNT : 垂直文字カウンタ：0〜46までをカウントする。
このようにカウンタを用意することにより，実際には16×16ドットのフォントを使用している場合，80文字×45行の文字の総計3,600文字をHD画面上に表示することができる．しかしながら，KITE-1プロセッサのメモリ空間が狭くキャラクタ表示用に2048文字分の領域しか確保できないため，表示文字は１文字あたり32ラインとし，１文字あたりVCNTは２カウント分使用している．この4個のカウンタは以下の様に動作する。
- 1ドットは75MHzの1周期の時間である。水平文字ドットカウンタ(CNT)は 75MHz毎にカウントアップする。
- 水平文字カウンタ(HCNT)は16ドット毎にカウントアップする。つまり、水平文字ドットカウンタが4'b1111から4'b0000になるときにカウントアップする。
  また、99までカウントするので、99の次は0となるようにする。
- ラスタカウンタ(RCNT)は水平文字カウンタ(HCNT)が99から0になる際にカウントアップする。15までカウントするので15の次は0となる。
- 垂直文字カウンタ(VCNT)はラスタカウンタ(RCNT)が15から0になる際にカウントアップする。46までをカウントするので45の次は0となる。
水平同期信号は、87文字目から88文字目の間で出力される。
垂直同期信号は、46行目で出力される。

これらのカウンタ等を実現するために、以下のような定義をしておくと良いであろう。

`define HMAX 100 // H total Char.
`define HSIZ  80 // H Size
`define HSP   87 // H Sync. Pos.
`define HSL    2 // H Sync. Len.
`define HCR   16 // H dots per Char.
`define VMAX  47 // V total Char.
`define VSIZ  45 // V Size
`define VSP   46 // V Sync. Pos.
`define VSL    1 // V Sync. Len.
`define VCR   16 // V lines per Char.

module vram ( CLK, DCLK, RST, ADDR, DATAI, DATAO, MREQ, RW, ACK, R, G, B, HS, VS, DE );
  input  ...;
  output ...;

  ...
endmodule

また、カウンタの宣言は以下のとおりとなる。

reg    [3:0] CNT;
reg    [7:0] HCNT;  // H Counter 0-99
reg    [6:0] VCNT;  // V Counter 0-45
reg    [3:0] RCNT;  // R Counter 0-15

VideoRAMとChar.ROMのアクセス方法

VGAモニタへの画像表示は、通常のテレビと同様にラスタスキャンで表示を行っている。

クロックは75MHzが供給されている。
図に示すように1文字の横は4.6875MHzとなる。
75MHzをシフトクロック(1ドット分の表示クロック)、
75MHzを16分周した4.6875MHzでデューティ比1/16のクロックをパイプラインレジスタ用のタイミングクロックとする。

出力信号

DVIビデオのR, G, Bの各出力は8ビットで256階調である。
しかし、今回の設計は単色であるので、光らせる場合はR,G,Bともに(FF)、
光らせない場合は(00)を出力する。

HS, VSの同期信号は負論理であるので注意する。

DEは文字を表示させる期間に１とする。
なお、パイプライン動作しているため、
HCNTの値が0～79のときにDEを1にするのではないことに注意する。

サンプルソース

※以下のソースは、第1テーマのビデオコントローラにおいて、プロセッサとのインタフェース部分以外はほぼ同じ動作をするので、ここのコードを参考にして構わない。

`define HMAX 100 // H total Char.
`define HSIZ  80 // H Size
`define HSP   87 // H Sync. Pos.
`define HSL    2 // H Sync. Len.
`define HCR   16 // H dots per Char.
`define VMAX  47 // V total Char.
`define VSIZ  45 // V Size
`define VSP   46 // V Sync. Pos.
`define VSL    1 // V Sync. Len.
`define VCR   16 // V lines per Char.

module vram (CLK, DCLK, RST, ADDR, DATAI, DATAO, MREQ, RW, ACK, pDATA, HS, VS, DE);
   input         CLK,	     // Processor Clock (75MHz)
                 DCLK,	     // Video Clock     (75MHz)
                 RST;	     // Reset
   input  [11:0] ADDR;	     // Video Memory Address
   input  [ 7:0] DATAI;	     // Data Input
   input         MREQ,	     // Memory Request
                 RW;	     // Read/Write
   output [ 7:0] DATAO;      // Data Output
   output        ACK;	     // Acknowledge
   output [23:0] pDATA;      // RGB Data
   output        HS, VS, DE; // Sync. & Data Enable

   reg    [ 7:0] DATAO;

   // Memory
   reg    [..:0] VRAM [0:....]; //  8-bit, 2048word memory
   reg    [..:0] CGROM[0:....]; // 16-bit, 4096 word ROM

   // Counter
   reg    [..:0] CNT;	 // Character Counter (16-dot)
   reg    [..:0] HCNT;   // H Counter 0-99
   reg    [..:0] VCNT;   // V Counter 0-46
   reg    [..:0] RCNT;   // R Counter 0-15

   wire          CEP;	 // Character End Pulse

   // Internal Signals
   wire   [..:0] VADR;   // VideoRAM Address (2048-word)
   wire   [..:0] CGADR;  // CG-ROM Address (4096-word)
   wire   [..:0] CGDATA; // CG-ROM Font Data Size (16-bit)

   // Pipeline Register
   reg    [..:0] CADR;	// Character Code from VRAM (8-bit)
   reg    [..:0] SR;	// Shift Register (16-bit)

  // Memory Initialize
  initial
    begin
      $readmemh( "VRAM20.mif",  VRAM );
      $readmemh( "18x18ja.mif", CGROM );
    end

   // Video-RAM Write & Read
   always @( posedge CLK )
   begin
     if( ( ADDR[...] == 1'b1 ) && MREQ && ( RW == ...  ) )
         VRAM[ ...[...:...] ] <= ...;
         ... <= VRAM[ ...[...:...]];
   end

   // Video-RAM Acknowledge for Write & Read 
   assign ACK = ( ( ADDR[...] == 1'b1 ) && ... );

   // Counter for Character End Pulse
   always @( posedge DCLK )
     if( RST ) ... <= ...     else
               ... <= .......;

   assign ...  = ...;  // Character End Pulse


   always @( posedge DCLK )
   begin
      if( ... ) begin ...<=...; ...<=...; ...<=...; end // Reset
      if( ... )
      begin
         if( ... == ... )
         begin
            ... <= ...;
            if( ... == ... )
            begin
               ... <= ...;
               if( ... == ... ) ... <= ...;
               else             ... <= ...;
            end
            else
               ... <= ......;
         end
         else
               ... <= ......;
      end
   end

   // Internal Memory Address
   // ・VCNTは文字表示用に 0〜45 まで使用するが、文字フォントは
   //   16ドットx16ラインである．16ドットx32ラインの表示にするため
   //   にはVCNTを1/2の値にしてVADDRを生成する必要がある。

   assign VADR  = ...[...:...] * 11'd... + ...;

   always @( ... )
       if( ... )
           CADR <= ...[...];

   // Generate CG-ROM address from character data in video memory and VCNT, RCNT
   // ・CGROMは表示文字コード順に16ワード毎にフォントデータ格納されて
   //   いる．CGADRは文字コードの下位に16ワード分4ビットのアドレスを付
   //   加し、対応する文字フォントの1ライン分のフォントイメージを読み出す．
   //   この4ビットのアドレスはRCNTを用いるが、表示文字を16ドットx32ラインの
   //   表示にするため2ライン分フォントのラインを重複表示させる必要がある．
   //   したがって,RCNTは1/2にして使用する必要がある．この時1ビット分の
   //   アドレスが足りなくなるが、これは次のカウンタであるVCNTの最下位ビット
   //   用いる必要がある．
   assign CGADR  = { ..., ...[...], ...[...:...] };
   assign CGDATA = ...[ ... ];

   // Shift Register
   always @( posedge DCLK )
   begin
      if ( ... ) SR <= ...; else
      if ( ... ) SR <= ...; else
                 SR <= { ..., ... };
   end

   // RGB pixel Data & Data Enable
   assign pDATA = ( ...[...]  ) ? 24'hffffff : 24'h000000;
   assign DE = ( ( 1 < ... && ... < ... + ... ) && ( ... < ... ) );

   //Sync
   assign HS = ~( HCNT >= ... && HCNT < (... + ...) );
   assign VS = ~( VCNT >= ... && VCNT < (... + ...) );

endmodule

最後に、kite_top階層からは以下の様に呼び出すことになる。

  //
  // Memory & Video RAM
  //
  vram   mem1 ( .CLK (CLK75),
                .DCLK(CLK75),
                .RST(RST),
                .ADDR(ADR),
                .DATAI(DATAO[7:0]),
                .DATAO(VRAM_DATAO),
                .MREQ(MREQ),
                .RW(RW),
                .ACK(VRAM_ACK),
                .pDATA(pDATA),
                .HS(HS),
                .VS(VS),
                .DE(DE)
              );

次は、 DVIエンコーダモジュールを追加します。

| Back |