如何用FPGA逻辑来驱动VGA显示器

如果能够用FPGA能够驱动显示器，就可以做不少与视频相关的实验，很多FPGA开发板使用了比较简单的VGA接口，连接非常简单，如下图：

只需要5跟线就可以连接VGA显示器

连接VGA的原理图

VGA连接器

然后我们就可以用FPGA的逻辑来做各种游戏了：

经典的Pong游戏

关于如何用FPGA逻辑来驱动VGA显示器，可以参考页面：

然而，现在的显示器基本上都使用的是HDMI连接器，VGA接口的显示器只能在古老的实验室里才有。所以我们要做视频的一些项目，就要用FPGA来输出HDMI的信号，HDMI的连接器有不同大小，常用的体积比较大，信号线的定义如下图：

HDMI连接器

HDMI的信号线

标准的HMDI连接器有19个管脚，只有其中的8根是以差分信号的方式来传输高速视频信息的，所以只需要8根FPGA的管脚，配制成7对差分TMDS输出即可。

那时钟的速率需要多快呢？如果我们要生成一个640*480 RGB 24bpp的视频信号，刷新频率为60Hz，每帧有307200个像素，每一个像素为24位（R｜G、B各8位），需要0.44Gbps的又用数据才能传输。再考虑一些屏外区域的信息，实际的分辨率需要大一些，比如800*525.

一个像素需要3 * 8位来传输，实际上HDMI还需要添加2bits以便对数据进行加扰，也就是需要3*10位来传输，每个像素需要30bits。

加扰用的额外数据用于接收端对接收到的数据进行同步，下面是TMDS差分信号的时序：

对于640*480分辨率的显示，我们需要至少250MHz的时钟信号，如果要获得更高的分辨率则需要更高的时钟频率，小脚丫FPGA模块中使用的Lattice的XO2-4000HC系列FPGA以及Intel的MAX10器件内部的时钟通过锁相环生成，可以达到400MHz。支持640*480分辨率是没有问题的，如果要获得更高的分辨率可以采用DDR输出的方式。

显示驱动逻辑

屏幕的分布

通过逻辑编程，可以在显示屏上实现如下的效果：

用HDMI显示器实现的Pong游戏，比VGA实现的要效果好很多

PacMan游戏

具体的代码实现可以参考页面

讲完了FPGA驱动HDMI，有没有可能用单片机/微控制器也能实现同样的效果呢？一般的MCU真的够呛，但树莓派基金会推出的RP2040却是可以做到的：

虽然RP2040的标称时钟为125MHz，但可以轻松超频到250MHz，能够满足640*480分辨率的时钟要求了

RP2040的PIO可以通过编程配置称为4对差分输出的串行信号

具体如何实现，看一下技术大神Luke Wren在RP2040上用GPIO通过Bitbang的方式得到的DVI接口

下面是他的电路原理图（用KiCad绘制的，有源文件）

有位小哥使用他的代码，在SparkFun的RP2040板上实现的效果：

在显示屏上显示文字：

显示月亮：

当然也可以播放视频

有人专门制作了一个板子，RP2040超频到252MHz

关于用RP2040驱动HDMI的更多资源可以在Github搜索HDMIRP2040.

原文标题：用FPGA/树莓派RP2040驱动HDMI的资源

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审核编辑：汤梓红