VGA數據線:原理,記憶體定址,程式技巧,規格,標準文字模式,色版,線路,接口,V

VGA數據線是用來連線電視或顯示器的VGA接口（D-SUB）和顯示卡的VGA接口（D-SUB）的特殊線纜。大多數計算機與外部顯示設備之間都是通過模擬VGA接口連線，計算機內部以數字方式生成的顯示圖像信息，被顯示卡中的數字/模擬轉換器轉變為R、G、B三原色信號和行、場同步信號，信號通過數據線傳輸到顯示設備中。對於模擬顯示設備，如模擬CRT顯示器，信號被直接送到相應的處理電路，驅動控制顯像管生成圖像。而對於LCD、DLP等數字顯示設備，顯示設備中需配置相應的A/D（模擬/數字）轉換器，將模擬信號轉變為數位訊號。在經過D/A和A/D2次轉換後，不可避免地造成了一些圖像細節的損失。連線數字顯示設備是用DVI或HDMI型的數據線比較好。

基本介紹

中文名：VGA數據線
外文名：Video Graphics Array
顯示器接口：VGA接口
轉換器轉變：R、G、B三原色信號
數字顯示設備：是用DVI或HDMI型的數據線比較好

原理,記憶體定址,程式技巧,規格,標準文字模式,色版,線路,接口,VGA套用,

原理

VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年隨PS/2機一起推出的一種視頻傳輸標準，具有解析度高、顯示速率快、顏色豐富等優點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的套用。

VGA技術的套用還主要基於VGA顯示卡的計算機、筆記本等設備，而在一些既要求顯示彩色高解析度圖像又沒有必要使用計算機的設備上，VGA技術的套用卻很少見到。

基於這種設計方法的嵌入式VGA顯示系統，可以在不使用VGA顯示卡和計算機的情況下，實現VGA圖像的顯示和控制。系統可廣泛套用於超市、車站、飛機場等公共場所的廣告宣傳和提示信息顯示，也可套用於工廠車間生產過程中的操作信息顯示，還能以多媒體形式套用於日常生活。

1 顯示原理與VGA時序實現

通用VGA顯示卡系統主要由控制電路、顯示快取區和視頻BIOS程式三個部分組成。控制電路如圖1所示。控制電路主要完成時序發生、顯示緩衝區數據操作、主時鐘選擇和D/A轉換等功能；顯示緩衝區提供顯示數據快取空間；視頻BIOS作為控制程式固化在顯示卡的ROM中。

1.1 VGA時序分析

通過對VGA顯示卡基本工作原理的分析可知，要實現VGA顯示就要解決數據來源、數據存儲、時序實現等問題，其中關鍵還是如何實現VGA時序。 VGA的標準參考顯示時序如圖2所示。行時序和幀時序都需要產生同步脈衝(Sync a)、顯示後沿(Back porch b)、顯示時序段(Display interval c)和顯示前沿(Front porch d)四個部分。幾種常用模式的時序參數如表1所示。1.2 VGA時序實現

首先，根據刷新頻率確定主時鐘頻率，然後由主時鐘頻率和圖像解析度計算出行總周期數，再把表1中給出的a、b、c、d各時序段的時間按照主計數脈衝源頻率折算成時鐘周期數。在CPLD中利用計數器和RS觸發器，以計算出的各時序段時鐘周期數為基準，產生不同寬度和周期的脈衝信號，再利用它們的邏輯組合構成圖2中的a、b、c、d各時序段以及D/A轉換器的空白信號BLANK和同步信號SYNC。

1.3 讀SRAM地址的產生方法

主時鐘作為像素點計數脈衝信號，同時提供顯存SRAM的讀信號和D/A轉換時鐘，它所驅動的計數器的輸出端作為讀SRAM的低位地址。行同步信號作為行數計數脈衝信號，它所驅動的計數器的輸出端作為讀SRAM的高位地址。由於採用兩片SRAM，所以最高位地址作為SRAM的片選使用。由於信號經過CPLD內部邏輯器件時存在一定的時間延遲，在CPLD產生地址和讀信號讀取數據時，讀信號、地址信號和數據信號不能滿足SRAM讀數據的時序要求。可以利用硬體電路對讀信號進行一定的時序調整，使各信號之間能夠滿足讀SRAM和為DAC輸入數據的時序要求。

1.4 數據寬度和格式

如果VGA顯示真彩色BMP圖像，則需要R、G、B三個分量各8位，即24位表示一個像素值，很多情況下還採用32位表示一個像素值。為了節省顯存的存儲空間，可採用高彩色圖像，即每個像素值由16位表示，R、G、B三個分量分別使用5位、6位、5位，比真彩色圖像數據量減少一半，同時又能滿足顯示效果。

2 功能單元設計

實現VGA顯示，除了實現時序控制，還必須有其他功能單元的支持才能實現完整的圖像顯示。

(1) 控制器：VGA顯示有多種模式，需要通過控制器實現模式間切換，還需要對顯示的內容進行接收、處理和顯示。所以控制器的性能越高，數據更新和顯示效果就越好。

(2) 顯示數據快取區：VGA顯示要求顯存速度快、容量大。讀速度要達到65MHz以卜，存儲容量至少要2MB。可採用高速SRAM或SDRAM作為顯示數據快取。

(3) 數模轉換器DAC：VGA顯示對數模轉換DAC有如下要求：一是高速轉換，轉換的速度應該在80MHz或以上；二是剛步性好，能保證 R、G、B三路信號的同步性；三是有相應的精度。可選擇一種包括3路8位高速D/A的專用視頻晶片。

(4) 數據源及其接口：要提高VGA顯示的效率，就要不斷更新數據，同時還要保證實時性，因此需要非常高的接口速度。VGA顯示卡雖可達到100Mbps的數據更新速度，但是一般設備、特別是嵌入式設備達不到這么高的速度，而且大多數情況下也不需要這么高的數據更新率。常用接口為EPP接口、USB接口、 TCP/IP、RS232C/485等。其中TCP/IP、EPP接口和USB接口是基於計算機的，速度較快；TCP/IP、RS232C/485是基於網路通信的接口，其中RS485速度雖慢，但套用廣泛且可實現遠程控制。

在數據源為低速接口時，可以考慮採用 Flash或者SM存儲卡等預先存儲一些常用的圖像顯示數據和字型檔檔案，在更新數據時直接套用這些數據，從而加快顯示快取的更新速度。這樣既能滿足高解析度圖像的顯示，又能滿足文字信息數據的快速更新。剛時為了存儲更多的圖像，可以先存儲JPEG格式圖像，再由控制器解碼成BMP點陣圖圖像後送到顯示快取顯示，這樣就相對擴展了Flash的存儲空間。同時，由於圖像的解碼速度要大大快於數據源接口的速度，也就相應提高了顯示快取的數據更新速度。

3 顯存數據更新與顯示的同步實現

在VGA顯示時，要考慮如何實現顯存數據更新與顯示的同步進行。解決的方案有以下幾種：

(1) 採用具有快取作用的雙口RAM，這種方法使用的器件數量多、功耗大、成本高，基本不可取。

(2) 採用兩組SRAM進行桌球工作模式，一組SRAM用於顯示的同時，另一組SRAM用於圖像數據的更新，然後在兩組SRAM之間切換。這樣做會提高一些成本，而且需要更複雜的匯流排控制。

(3) 利用FPAG/CPLD和SDRAM構造雙口SRAM。這種方法實時性好，成本較低，時序控制比較複雜，它是

實現高性能低成本要求的最佳方案。

(4) 採用一組SRAM作為顯存，可以簡化系統設計、降低成本。這時可以考慮利用行時序和幀時序中SRAM匯流排空閒的時序段，在不關閉圖像顯示的情況下實現顯存SRAM的數據更新。該方法的更新率與數據寫速度密切相關，顯存的寫數據速度越快，該方法的更新率就越高。

假設CPU的工作時鐘最大為60MHz，並採用JPEG解碼更新方式。這時如果將解碼快取區分配在CPU片內記憶體，則更新數據時直接由記憶體向 SRAM寫數據，一次需要0.17μs；如果將解碼快取區分配在片外空間，則更新數據時CPU要先從片外讀數據，再向SRAM寫數據，這樣寫一次需要 0.25μs。在相鄰顯示的兩幀圖像只存在局部差別或更新文本顯示信息時，可使用局部數據更新方法，以提高更新率。表2給出了顯示每幀圖像包含的匯流排空閒時間，以及在不同解碼快取區分配方式下圖像全部更新和10%局部更新的幀率。這裡提到的幀率是指對顯存數據的更新速度，而不是指圖像的螢幕刷新率，它對刷新率沒有影響。

基於以上方案設計的嵌入式VGA顯示系統在只有系統控制板和CRT顯示器的情況下實現了嵌入式高解析度VGA顯示。

通過對嵌入式VGA顯示系統的設計分析和實際使用，得到如下結論：(1) 由於VGA顯示是一個高速過程，所以選擇器件時要選擇高速器件。

(2) VGA顯示時序要求較嚴格，時序中的前後沿及同步脈衝寬度都要依照嚴格的參考數據設定。

(3) 在一般情況下，由於數據接口的限制，數據更新率不能達到計算機的水平。通過一些特殊設計，還是能夠滿足大多數嵌入式VGA的需求。

(4) 性能、成本和複雜度要綜合考慮，要以系統的實際需求為目標，採用合理而實用的設計方案。

這個標準已對於現今的個人電腦市場已經十分過時。即使如此，VGA仍然是最多製造商所共同支援的一個低標準，個人電腦在載入自己的獨特驅動程式之前，都必須支援VGA的標準。

VGA這個術語常常不論其圖形裝置，而直接用於指稱640×480的解析度。VGA裝置可以同時儲存4個完整的EGA色版，並且它們之間可以快速轉換，在畫面上看起來就像是即時的變色。

除了擴充為256色的EGA式色版，這256種色彩其實可以透過 VGA DAC（Digital-to-analog converter），任意的指定為任何一種顏色。這就程度上改變了原本EGA的色版規則，因為原本在EGA上，這只是一個讓程式可以在每個頻道（即紅綠藍）在2 bit以下選擇最多種顏色的方式。但在VGA下它只是簡單的64種顏色一組的表格，每一種都可以單獨改變——例如EGA顏色的首兩個bit代表紅色的數量，在VGA中就不一定如此了。

VGA在指定色版顏色時，一個顏色頻道有6個bit，紅、綠、藍各有64種不同的變化，因此總共有 262，144 種顏色。在這其中的任何 256 種顏色可以被選為色版顏色（而這 256 種的任何 16 種可以用來顯示 CGA 模式的色彩）。

這個方法最終仍然使了VGA模式在顯示EGA和CGA模式時，能夠使用前所未有的色彩，因為VGA是使用模擬的方式來繪出EGA和CGA畫面。提供一個色版轉換的例子：要把文字模式的字元顏色設定為暗紅色，暗紅色就必須是 CGA 16 色集合中的一種顏色（譬如說，取代 CGA 默認的 7 號灰色），這個 7 號位置將被指定為 EGA 色版中的 42 號，然後 VGA DAC 將 EGA #42 指定為暗紅色。則畫面上的原本的 CGA 七號灰色，都會變成暗紅色。這個技巧在 256 色的 VGA DOS 遊戲中，常常被用來表示載入遊戲的淡入淡出畫面。

總結來說，CGA 和 EGA 同時只能顯示 16 種色彩，而 VGA 因為使用了 Mode 13h 而可以一次顯示 256 色版中的所有色彩，而這 256 種顏色又是從 262，144 種顏色中挑出的。

記憶體定址

VGA所使用的視訊記憶體，透過一個視窗對應於PC的主記憶體，它們的真實位址為0xA000和0xC000之間的記憶體。典型地來說位址的開始點是：

* 0xA000 使用於 EGA/VGA 圖型模式（64 KiB）

* 0xB000 單色文字模式（32 KiB）

* 0xB800 彩色文字模式和 CGA 相容模式（32 KiB）

由於使用的區段皆不相同，在同一部機器上裝置一個單色顯示卡（MDA）和另一個彩色顯示卡（VGA、EGA或CGA）是不衝突的。在 1980 年代初，這種典型的搭配方式用於 Lotus 1-2-3 試算表上，一部高解析單色螢幕用來顯示文字，而另一部低解析的 CGA 螢幕用來顯示圖表。許多程式設計師也用這種配置來開發軟體，一部螢幕顯示 debug 細節，另一部螢幕則顯示真正的軟體運行畫面。許多商業的除錯軟體都支援這種配置，例如 Borland 的 TurboDebugger、由 Alan J. Cox 開發的 D86、微軟的 CodeView 等，Turbo Debugger 和 CodeView 可以甚至可拿來 debug 微軟的 Windows 軟體。也有 DOS 驅動程式如ox.sys模擬一個終端機來接受 Windows 的 debug 訊息，而不用真正接上另一個終端機。在 DOS 底下使用“單色模式”指令，使其輸出轉向單色也是可能的。另外，假如電腦上並無單色顯示卡，那么可以使用 EMM386.EXE 程式讓其他程式可以使用 B000-B7FF 這一段記憶體。（於 config.sys 檔案中加入 "DEVICE=EMM386.EXE I=B000-B7FF"）

程式技巧

一個未被紀錄但十分廣泛使用的技術稱作 Mode X（由 Michael Abrash 導入），使程式設計師能夠使用在 Mode 13h 之下無法做到的解析度。他將 256 KiB 連續的視訊記憶體“解開”並分成四個層次，因此在 256 色模式時全部 256 KiB 的記憶體都可以使用。技術上這將使得處理變得更複雜，並且效能降低。但在一些特殊情況下，效能損失的情況可以被彌補：

* 單色的多邊形填色增快，因為一次寫入可以設定四個像素。

* VGA 可以用來協助視訊記憶體之間的拷貝，有些時候會比使用 8088 或 80286 等慢速 CPU 更快。

* 提供更高的解析度：16 色可使用 704×528、736×552、768×576、甚至 800×600。諸如 Xlib（1990 年代早期的 C 圖形函式庫）和 ColoRIX（256 色的圖形程式）支援 256 色下的各種解析度調和：直行 256、320 和 360 個像素，以及水平行 200、240、256、400 和 480 個像素的組合（上限的 640×400 幾乎用掉 256 KiB 中每一個 byte）。不過，320×240仍然是最常被使用的，因它為典型的4:3比例，為方形像素。

* multiple video pages 讓程式設計師能夠使用雙重緩衝（所有的 16 色模式都可），這在 Mode 13h 無法辦到。

有時候，顯示器必須降低更新頻率來滿足這些模式，這會造成眼睛的疲勞這樣的低解析度雖然在PC市場早已淡出，但在Pocket PC和PDA市場，它正逐漸成為標準。它也常被用來指稱15針的D型接頭，這種接頭仍然用來傳輸各式各樣解析度的類比訊號。

曾經IBM官方宣布VGA被XGA標準所取代，但在歷史上，它是被其他的OEM製造商使用的所謂SVGA標準取代了。

規格

* 256 KiB 的 Video RAM

* 16 色和256色模式

* 總共262144種顏色的色版（紅、綠、藍三色各 6 bit，總共(26)3 種）

* 選擇性的25.2 MHz或28.3MHz處理頻率

* 最多720個水平像素

* 最多480 條線

* 最高70Hz的更新頻率

* Vertical Blanking interrupt（不是所有卡都支援）

* 平面模式：最多16色（4 bit面板）

* Packed-pixel 模式：256 色(Mode 13h)

* 順暢捲動畫面的能力

* Some "Raster Ops" support

* Barrel shifter

* 支援分割畫面

VGA支援可單獨操控像素的APA（All Points Addressable）模式，也支援字母與數字的文字模式。標準的圖形模式如下：

* 640×480×16色

* 640×350×16色

* 320×200×16色

* 320×200×256色（Mode 13h）

標準文字模式

標準的VGA文字模式使用 80×25 或 40×25 個字母或數字組成的平面。每個字元的塊狀區域可以選擇16種前景色和8種背景色；8種背景色來自bit容量較低的集合（以今天的標準來說，例如 ffffff 或者是 000000）。而字元本身也可設定是否閃爍，而字元的閃爍動作都是同時的。畫面的閃爍功能和選擇背景顏色的功能是可交換的，換句話說兩者只能擇一。以上這些選項和IBM先前生產的 CGA轉換器是相同的。

VGA雖然支援黑白和彩色的文字模式，但黑白模式很少使用。大多的VGA在顯示黑白模式時使用彩色模式，即是將灰色字畫在黑色背景上。而使用VGA 的單色顯示器也能很好的支援這樣的彩色模式。現代顯示器和顯示卡若連線不當，偶爾會導致顯示卡的VGA部份偵測顯示器為單色的，而這將使BIOS開機顯示為黑白模式。通常在載入作業系統和適當的驅動程式以後，顯示卡的設定被覆蓋，顯示器就會變回彩色。

在彩色的文字模式中，每個字元其實由兩個byte代表。較低的一個byte用來顯示字元，而較高的byte就用來代表彩色、閃爍等等屬性。這種成對的byte模式是從CGA就一直傳續下來的。

色版

VGA的色彩系統可以向前相容於EGA和CGA轉換器，而它在其上又新增了一種設定。CGA可以顯示16種色彩，EGA則將其擴充成從64種顏色色版選出的16色模式（即紅綠藍各2 bits）。VGA則更將其擴充成256種顏色色版，但為了向前相容，一次只能選擇256種之中的64種（例如第一個64種顏色集合、第二個…）。所以一個。它們也不相容於較老舊的顯示器，將造成諸如 overscan、閃爍、垂直滾動、缺乏水平同步等等缺點。因為如此，多數的商業軟體使用的 VGA 調適都限制在顯示器的“安全界線”之下，例如 320×400（雙倍解析度，2 video pages）、320×240（方形像素，3 video pages）和 360x480（最高的相容解析度，1 video page）。

VGA數據線

VGA數據線是用來連線VGA接口設備的線纜，長度有1.5米，3米，到100多米不等，因為它所採用的線材比較粗象電纜一樣因此幾十米上百米也不會出現明顯的信號減退現象，不過相對於HDMI線就沒那么清晰。

線路

一般在VGA接頭上，會1，5，6，10，11，15等標明每個接口編號。如果沒有，如上圖所示編號。

VGA接口15根針，其對應接口定義如下：

1.紅基色 red

2.綠基色 green

3.藍基色 blue

4.地址碼ID Bit（也有部分是RES，或者為ID2顯示器標示位2）

5.自測試 ( 各家定義不同 )（一般為GND）

6.紅地

7.綠地

8.藍地

9.保留 ( 各家定義不同 )（KEY··我也不是很理解）

10. 數字地

11.地址碼（ID0顯示器標示位0）

12.地址碼（ID1顯示器標示位1）

13.行同步

14.場同步

15.地址碼 ( ID3或顯示器標示位3 )

接口

VGA接口凸頭（公口）| VGA接口凹頭（母口）

VGA套用

VGA（Video Graphics Array）是IBM於1987年提出的一個使用模擬信號的電腦顯示標準，VGA最早指的是顯示器640X480這種顯示模式，VGA的英文全稱是Video Graphic Array，也叫視頻圖形陣列。

VGA中的A指的是“陣列（array）”而非“轉換器（adapter）”，因為它從一開始就被設計為一個單一的整合晶片，用來取代Motorola 6845和數十個離散的邏輯晶片組合而成的ISA母版，這種設計是之前的MDA、CGA和EGA所使用的。VGA的這個特性允許它輕易的殖入PC的主機板之中，只需要額外的視訊記憶體、振盪器和一個RAMDAC，就具備顯示功能。IBM的PS/2電腦系列就是採用將VGA放置於主機板上的設計。