第十一章 VGA显示图片(还不会)

FPGA至简设计实例

前言

一、项目背景

1. IP核概述

IP 核（Intellectual Property core）指的是知识产权核或知识产权模块，其是具有特定电路功能的硬件描述语言程序，在EDA技术开发中具有十分重要的地位。美国著名的Dataquest咨询公司将半导体产业的IP定义为“用于ASIC或FPGA中的预先设计好的电路功能模块”。

在数字电路中IP（知识产权）核非常常用，其将FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等比较复杂的功能模块设计成可修改参数的模块，这些模块会像应用程序一样公开给设计者们使用。在进行复杂的工程中如果需要这些技术，设计者就可以调用对应IP 核后补充工程所需参数，就可将其运用到设计中。随着CPLD/FPGA的规模越来越大，设计也变得越来越复杂，设计者的主要任务则是在规定的时间周期内完成复杂的设计。而IP核的调用可以避免重复劳动，从而大大减轻工程师的负担，因此使用IP核成为了一大发展趋势，与此同时，IP核的重用大大缩短了产品上市时间。

利用IP核设计的电子系统具有引用方便的特点且很易于修改基本元件的功能。一般来说，具有复杂功能和商业价值的IP核具有知识产权，尽管目前IP核的市场活动还不规范，但是仍有许多集成电路设计公司从事IP核的设计、开发和营销工作。

IP 核具有三种不同的存在形式：HDL语言形式，网表形式、版图形式。IP内核可以在不同的硬件描述级实现，由此产生了三类IP 内核：软核、固核和硬核。这种分类主要依据产品交付的方式，而这三种IP内核实现方法也各具特色。

软核是用 VHDL 等硬件描述语言描述的功能块，但其并不涉及用哪些具体电路元件来实现这些功能。软IP通常是以硬件描述语言HDL源文件的形式出现，其应用开发过程与普通HDL的设计十分相似，只是所需的开发硬软件环境比较昂贵。软IP 的设计周期短，设计投入少，且不涉及物理实现，因此为后续的设计留有较大的发挥空间，同时也增大了IP的灵活性和适应性。其主要缺点是软I P在一定程度上使后续工序无法适应整体设计，从而需要一定程度的修正，在性能上也不可能获得全面的优化。软核是以源代码的形式提供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知识产权保护问题依然不容忽视。

硬核提供设计阶段最终阶段产品：掩膜。这种硬核以经过完全的布局布线的网表形式提供，既具有可预见性，同时还可以针对特定工艺或购买商进行功耗和尺寸上的优化。尽管由于缺乏灵活性而导致硬核可移植性差，但由于其无须提供寄存器转移级(RTL)文件，因而更易于实现IP保护。

固核则是软核和硬核的折中。目前应用于FPGA的IP内核大多数均为软核，其有助于用户调节参数并增强可复用性。软核通常以加密形式提供，这样一来用户无法获取实际的 RTL，但其布局和布线十分灵活。在这些加密的软核中，如果对内核进行了参数化，那么通过头文件或图形用户接口(G UI)用户可以方便地进行参数操作。而对于那些对时序要求严格的内核(如PCI接口内核)，可预布线特定信号或分配特定的布线资源从而满足其时序要求，这一部分的内核就可归类为固核。由于内核是预先设计的代码模块，其建立(setup)、保持时间和握手信号都可能是固定的，因此其它电路的设计时都必须考虑如何与该内核正确地进行接口。如果内核具有固定布局或部分固定的布局，那么这还可能影响其它电路的布局。

2. ROM IP核

目前现有的大多数FPGA都有内嵌块RAM(Block RAM)，可以将其灵活地配置成单端口RAM(D PRAM，Single Port RAM)、双端口RAM(DPRAM，Double Ports RAM)、伪双端口RAM(Pseudo DPRAM)、CAM(Content Addressable Memory)和 FIFO 等常用的存储结构。其实在FPGA中并没有专用的ROM硬件资源，实现ROM的思路是对RAM赋予初值后保持该初值。

Altera 的器件内部提供了各种存储器模块（RAM、ROM 或双口 RAM），可以在设计中使用M egaWizard Plug-In Manager，执行“Tools”后利用“MegaWizard Plug-In Manager”菜单命令来创建所需要的存储器模块。此外，也可以使用 Altera 提供的宏功能模块 LPM_ROM 来创建存储器模块。每个 ROM 模块有 clock（时钟）、address（地址）这两个输入信号和一个 q（值）输出信号。在每个时钟上升沿，ROM 读出地址信号指定存储单元中的信号值并将其输出。ROM 内的值通过加载 MIF （Memory Initialization File，存储器初始化文件）来实现。

当设计中使用了器件内部的存储器模块时，需要对存储器模块进行初始化。在 Quartus Ⅱ中，存储器初始化文件可以使用两种格式：Intel Hex 格式（.hex）或 Altera 存储器初始化格式（.mif）。其中mif 文件是 Altera 存储器类器件初始化的专用文件格式，文件内容为地址与值的对应表，该表规定了存储器单元的初始值。

如果 ROM 要存储的内容比较少或者很有规律，这种情况下可以执行【File】|【New„】菜单命令，创建mif文件并编辑其内容。如果已经存在bmp格式的图片，则可以使用本书提供的BmpTo Mif 软件，利用现有的bmp格式图片生成mif文件。该软件使用方法非常简单，但是需要注意要适当调整原图片的大小，这一操作可以通过Windows 自带的画图程序、Photoshop 等各种图形编辑软件修改实现。BmpToMif 软件可以将 bmp 图片转为 mif 文件，即将黑白图片转换为单色mif文件，将彩色图片转换为三色mif 文件，也可以将二进制文件转为mif文件，如将中英文点阵字库转换为mif 文件。