VGA

VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。

VGA（Video Graphics Array）即视频图形阵列，是IBM在1987年随PS/2机（PS/2 原是“Personal System 2”的意思，“个人系统2”，是IBM公司在1987年推出的一种个人电脑。PS/2电脑上使用的键盘鼠标接口就是现在的PS/2接口。因为标准不开放，PS/2电脑在市场中失败了。只有PS/2接口一直沿用到今天。）一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准，在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式，这也说明其在显示标准中的重要性和兼容性。

　　通用VGA显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频BIOS（Basic Input Output System即基本输入输出系统）程序三个部分组成。控制电路如图1所示。控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作、主时钟选择和D/A（Digital to Analog即将数字信号转换为模拟信号）转换等功能；显示缓冲区提供显示数据缓存空间；视频BIOS作为控制程序固化在显示卡的ROM（Read-Only Memory即只读存储器）中。

　　通过对VGA显示卡基本工作原理的分析可知，要实现VGA显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现等问题，其中关键还是如何实现VGA时序。 VGA的标准参考显示时序如图2所示。行时序和帧时序都需要产生同步脉冲(Sync a)、显示后沿(Back porch b)、显示时序段(Display interval c)和显示前沿(Front porch d)四个部分。几种常用模式的时序参数如表1所示。

　　首先，根据刷新频率确定主时钟频率，然后由主时钟频率和图像分辨率计算出行总周期数，再把表1中给出的a、b、c、d各时序段的时间按照主计数脉冲源频率折算成时钟周期数。在CPLD中利用计数器和RS触发器，以计算出的各时序段时钟周期数为基准，产生不同宽度和周期的脉冲信号，再利用它们的逻辑组合构成图2中的a、b、c、d各时序段以及D/A转换器的空白信号BLANK和同步信号SYNC。

　　主时钟作为像素点计数脉冲信号，同时提供显存SRAM的读信号和D/A转换时钟，它所驱动的计数器的输出端作为读SRAM的低位地址。行同步信号作为行数计数脉冲信号，它所驱动的计数器的输出端作为读SRAM的高位地址。由于采用两片SRAM，所以最高位地址作为SRAM的片选使用。由于信号经过CPLD内部逻辑器件时存在一定的时间延迟，在CPLD产生地址和读信号读取数据时，读信号、地址信号和数据信号不能满足SRAM读数据的时序要求。可以利用硬件电路对读信号进行一定的时序调整，使各信号之间能够满足读SRAM和为DAC输入数据的时序要求。
　　如果VGA显示真彩色BMP图像，则要R、G、B三个分量各8位，即24位表示一个像素值，很多情况下还采用32位表示一个像素值。为了节省显存的存储空间，可采用高彩色图像，即每个像素值由16位表示，R、G、B三个分量分别使用5位、6位、5位，比真彩色图像数据量减少一半，同时又能满足显示效果。

实现VGA显示，除了实现时序控制，还必须有其他功能单元的支持才能实现完整的图像显示。
1 控制器
　　VGA显示有多种模式，需要通过控制器实现模式间切换，还需要对显示的内容进行接收、处理和显示。所以控制器的性能越高，数据更新和显示效果就越好。
2 显示数据缓存区
　　VGA显示要求显存速度快、容量大。读速度要达到65MHz以上，存储容量至少要2MB。可采用高速SRAM或SDRAM作为显示数据缓存。
3 数模转换器DAC
　　VGA显示对数模转换DAC有如下要求：一是高速转换，转换的速度应该在80MHz或以上；二是同步性好，能保证 R、G、B三路信号的同步性；三是有相应的精度。可选择一种包括3路8位高速D/A的专用视频芯片。
4 数据源及其接口
　　要提高VGA显示的效率，就要不断更新数据，同时还要保证实时性，因此需要非常高的接口速度。VGA显示卡虽可达到100Mbps的数据更新速度，但是一般设备、特别是嵌入式设备达不到这么高的速度，而且大多数情况下也不需要这么高的数据更新率。目前常用接口为EPP接口、USB接口、 TCP/IP、RS232C/485等。其中TCP/IP、EPP接口和USB接口是基于计算机的，速度较快；TCP/IP、RS232C/485是基于网络通信的接口，其中RS485速度虽慢，但应用广泛且容易实现远程控制。 　　

在数据源为低速接口时，可以考虑采用 Flash或者SM存储卡等预先存储一些常用的图像显示数据和字库文件，在更新数据时直接应用这些数据，从而加快显示缓存的更新速度。这样既能满足高分辨率图像的显示，又能满足文字信息数据的快速更新。刚时为了存储更多的图像，可以先存储JPEG格式图像，再由控制器解码成BMP位图图像后送到显示缓存显示，这样就相对扩展了Flash的存储空间。同时，由于图像的解码速度要大大快于数据源接口的速度，也就相应提高了显示缓存的数据更新速度。 　　

由各功能单元组成的VGA显示硬件结构框图如图3所示。

　　在VGA显示时，要考虑如何实现显存数据更新与显示的同步进行。解决的方案有以下几种： 　　

(1) 采用具有缓存作用的双口RAM，这种方法使用的器件数量多、功耗大、成本高，基本不可取。 　　

(2) 采用两组SRAM进行乒乓工作模式，一组SRAM用于显示的同时，另一组SRAM用于图像数据的更新，然后在两组SRAM之间切换。这样做会提高一些成本，而且需要更复杂的总线控制。 　　

(3) 利用FPGA/CPLD和SDRAM构造双口SRAM。这种方法实时性好，成本较低，时序控制比较复杂，它是 实现高性能低成本要求的最佳方案。 　　

(4) 采用一组SRAM作为显存，可以简化系统设计、降低成本。这时可以考虑利用行时序和帧时序中SRAM总线空闲的时序段，在不关闭图像显示的情况下实现显存SRAM的数据更新。该方法的更新率与数据写速度密切相关，显存的写数据速度越快，该方法的更新率就越高。 　　

假设CPU的工作时钟最大为60MHz，并采用JPEG解码更新方式。这时如果将解码缓存区分配在CPU片内内存，则更新数据时直接由内存向 SRAM写数据，一次需要0.17μs；如果将解码缓存区分配在片外空间，则更新数据时CPU要先从片外读数据，再向SRAM写数据，这样写一次需要 0.25μs。在相邻显示的两帧图像只存在局部差别或更新文本显示信息时，可使用局部数据更新方法，以提高更新率。表2给出了显示每帧图像包含的总线空闲时间，以及在不同解码缓存区分配方式下图像全部更新和10%局部更新的帧率。这里提到的帧率是指对显存数据的更新速度，而不是指图像的屏幕刷新率，它对刷新率没有影响。

　　基于以上方案设计的嵌入式VGA显示系统在只有系统控制板和CRT显示器的情况下实现了嵌入式高分辨率VGA显示。 　　

通过对嵌入式VGA显示系统的设计分析和实际使用，得到如下结论： 　　

(1) 由于VGA显示是一个高速过程，所以选择器件时要选择高速器件。 　　

(2) VGA显示时序要求较严格，时序中的前后沿及同步脉冲宽度都要依照严格的参考数据设置。 　　

(3) 在一般情况下，由于数据接口的限制，数据更新率不能达到计算机的水平。通过一些特殊设计，还是能够满足大多数嵌入式VGA的需求。 　　

(4) 性能、成本和复杂度要综合考虑，要以系统的实际需求为目标，采用合理而实用的设计方案。

　　VGA所使用的视讯内存，透过一个窗口对应于PC的主内存，它们的真实位址为0xA000和0xC000之间的内存。典型地来说位址的开始点是： 　　

* 0xA000 使用于 EGA/VGA 图型模式（4 KB） 　　

* 0xB000 单色文字模式（2 KB） 　　

* 0xB800 彩色文字模式和 CGA 相容模式（2 KB） 　　

由于使用的区段皆不相同，在同一部机器上装置一个单色显卡（MDA）和另一个彩色显卡（VGA、EGA或CGA）是不冲突的。在 1980 年代初，这种典型的搭配方式用于 Lotus 1-2-3 试算表上，一部高解析单色屏幕用来显示文字，而另一部低解析的 CGA 屏幕用来显示图表。许多程式设计师也用这种配置来开发软件，一部屏幕显示 debug 细节，另一部屏幕则显示真正的软件运行画面。许多商业的除错软件都支持这种配置，例如 Borland 的 Turbo Debugger、由 Alan J. Cox 开发的 D86、微软的 CodeView 等，Turbo Debugger 和 CodeView 可以甚至可拿来 debug 微软的 Windows 软件。也有 DOS 驱动程式如ox.sys模拟一个终端机来接受 Windows 的 debug 讯息，而不用真正接上另一个终端机。在 DOS 底下使用“单色模式”指令，使其输出转向单色也是可能的。另外，假如电脑上并无单色显卡，那么可以使用 EMM386.EXE 程序让其他程式可以使用 B000-B7FF 这一段内存。（于 config.sys 档案中加入 "DEVICE=EMM386.EXE I=B000-B7FF"）
程序技巧
　　一个未被纪录但十分广泛使用的技术称作 Mode X（由 Michael Abrash 导入），使程式设计师能够使用在 Mode 13h 之下无法做到的分辨率。他将 256 KiB 连续的视讯内存“解开”并分成四个层次，因此在 256 色模式时全部 256 KB 的内存都可以使用。技术上这将使得处理变得更复杂，并且效能降低。但在一些特殊情况下，效能损失的情况可以被弥补： 　　

* 单色的多边形填色增快，因为一次写入可以设定四个像素。 　　

* VGA 可以用来协助视讯内存之间的拷贝，有些时候会比使用 8088 或 80286 等慢速 CPU 更快。 　　

* 提供更高的分辨率：16 色可使用 704×528、736×552、768×576、甚至 800×600。诸如 Xlib（1990 年代早期的 C 图形函式库）和 ColoRIX（256 色的图形程式）支援 256 色下的各种分辨率调和：直行 256、320 和 360 个像素，以及水平行 200、240、256、400 和 480 个像素的组合（上限的 640×400 几乎用掉 256 KiB 中每一个 byte）。不过，320×240仍然是最常被使用的，因它为典型的4:3比例，为方形像素。 　　

* multiple video pages 让程序员能够使用双重缓冲（所有的 16 色模式都可），这在 Mode 13h 无法办到。 　　

有时候，显示器必须降低更新频率来满足这些模式，这会造成眼睛的疲劳这样的低分辨率虽然在PC市场早已淡出，但在Pocket PC和PDA市场，它正逐渐成为标准。它也常被用来指称15针的D型接头，这种接头仍然用来传输各式各样分辨率的类比讯号。 　　

曾经IBM官方宣布VGA被XGA标准所取代，但在历史上，它是被其他的OEM制造商使用的所谓SVGA标准取代了。

　　VGA中的A指的是“阵列（array）”而非“转换器（adapter）”，因为它从一开始就被设计为一个单一的整合芯片，用来取代Motorola 6845和数十个离散的逻辑芯片组合而成的ISA母版，这种设计是之前的MDA、CGA和EGA所使用的。VGA的这个特性允许它轻易的殖入PC的主板之中，只需要额外的视讯内存、振荡器和一个RAMDAC，就具备显示功能。IBM的PS/2电脑系列就是采用将VGA放置于主板上的设计。 　　

VGA的规格表如下： 　　

* 256 KiB 的 Video RAM 　　

* 16 色和 256 色模式 　　

* 总共 262144 种颜色的色版（红、绿、蓝三色各 6 bit，总共 (26)3 种） 　　

* 选择性的 25.2 MHz 或 28.3 MHz 处理频率 　　

* 最多 720 个水平像素 　　

* 最多 480 条线 　　

* 最高 70 Hz 的更新频率 　　

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

* 平面模式：最多 16 色（4 bit 面板） 　　

* Packed-pixel 模式：256 色(Mode 13h) 　　

* 顺畅卷动画面的能力 　　

* Some "Raster Ops" support 　　

* Barrel shifter 　　

* 支援分割画面 　　

VGA支援可单独操控像素的APA（All Points Addressable）模式，也支援字母与数字的文字模式。标准的图形模式如下： 　　

* 640×480×16色 　　
* 640×350×16色 　　
* 320×200×16色 　　
* 320×200×256色（Mode 13h） 　　

它也支援用模拟的方式画出以往规格的分辨率：EGA、CGA和MDA。

　　标准的VGA文字模式使用 80×25 或 40×25 个字母或数字组成的平面。每个字符的块状区域可以选择16种前景色和8种背景色；8种背景色来自bit容量较低的集合（以今天的标准来说，例如 ffffff 或者是 000000）。而字符本身也可设定是否闪烁，而字符的闪烁动作都是同时的。画面的闪烁功能和选择背景颜色的功能是可交换的，换句话说两者只能择一。以上这些选项和IBM先前生产的 CGA 转换器是相同的。 　　

VGA虽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在显示黑白模式时使用彩色模式，即是将灰色字画在黑色背景上。而使用VGA 的单色显示器也能很好的支援这样的彩色模式。现代显示器和显卡若连接不当，偶尔会导致显卡的VGA部份侦测显示器为单色的，而这将使BIOS开机显示为黑白模式。通常在加载操作系统和适当的驱动程式以后，显卡的设定被覆盖，显示器就会变回彩色。 　　

在彩色的文字模式中，每个字符其实由两个byte代表。较低的一个byte用来显示字符，而较高的byte就用来代表彩色、闪烁等等属性。这种成对的byte模式是从CGA就一直传续下来的。

　　VGA的色彩系统可以向前相容于EGA和CGA转换器，而它在其上又新增了一种设定。CGA可以显示16种色彩，EGA则将其扩充成从64种颜色色版选出的16色模式（即红绿蓝各2 bits）。VGA则更将其扩充成256种颜色色版，但为了向前相容，一次只能选择256种之中的64种（例如第一个64种颜色集合、第二个…）。所以一个。它们也不相容于较老旧的显示器，将造成诸如 overscan、闪烁、垂直滚动、缺乏水平同步等等缺点。因为如此，多数的商业软件使用的 VGA 调适都限制在显示器的“安全界线”之下，例如 320×400（双倍分辨率，2 video pages）、320×240（方形像素，3 video pages）和 360x480（最高的相容分辨率，1 video page）。

　　VGA（Video Graphics Array）是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准，这个标准已对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个低标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程式之前，都必须支持VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式，这也说明其分辨率和载色数的不足。 　　

VGA这个术语常常不论其图形装置，而直接用于指称640×480的分辨率。VGA装置可以同时储存4个完整的EGA色版，并且它们之间可以快速转换，在画面上看起来就像是即时的变色。 　　

除了扩充为256色的EGA式色版，这256种色彩其实可以透过 VGA DAC（Digital-to-analog converter），任意的指定为任何一种颜色。这就程度上改变了原本EGA的色版规则，因为原本在EGA上，这只是一个让程式可以在每个频道（即红绿蓝）在2 bit以下选择最多种颜色的方式。但在VGA下它只是简单的64种颜色一组的表格，每一种都可以单独改变——例如EGA颜色的首两个bit代表红色的数量，在VGA中就不一定如此了。 　　

VGA在指定色版颜色时，一个颜色频道有6个bit，红、绿、蓝各有64种不同的变化，因此总共有 262,144 种颜色。在这其中的任何 256 种颜色可以被选为色版颜色（而这 256 种的任何 16 种可以用来显示 CGA 模式的色彩）。 　　

这个方法最终仍然使了VGA模式在显示EGA和CGA模式时，能够使用前所未有的色彩，因为VGA是使用模拟的方式来绘出EGA和CGA画面。提供一个色版转换的例子：要把文字模式的字符颜色设定为暗红色，暗红色就必须是 CGA 16 色集合中的一种颜色（譬如说，取代 CGA 默认的 7 号灰色），这个 7 号位置将被指定为 EGA 色版中的 42 号，然后 VGA DAC 将 EGA #42 指定为暗红色。则画面上的原本的 CGA 七号灰色，都会变成暗红色。这个技巧在 256 色的 VGA DOS 游戏中，常常被用来表示加载游戏的淡入淡出画面。 　　

总结来说，CGA 和 EGA 同时只能显示 16 种色彩，而 VGA 因为使用了 Mode 13h 而可以一次显示 256 色版中的所有色彩，而这 256 种颜色又是从 262,144 种颜色中挑出的。

　　VGA最早指的是显示器640X480这种显示模式，VGA的英文全称是Video Graphic Array，也叫显示绘图阵列。VGA支持在640X480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320X240分辨率下可以同时显示256种颜色。 　　

在VGA基础上加以扩充，使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，这些扩充的模式就称之为VESA(Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会)的Super VGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式VGA接口就是显卡上输出模拟信号的接口，也叫D-Sub接口，传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

　　VGA (Video Graphics Array，视频图形阵列)：是IBM于1987年提出的一个使用类比讯号的电脑显示标准。这个标准已对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支援的一个低标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程式之前，都必须支援VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式，这也说明其分辨率和载色数的不足。VGA这个术语常常不论其图形装置，而直接用于指称640×480的分辨率。 　　

XGA (Extended Graphics Array，扩展图形阵列)：是IBM于1990年发明的，XGA较新的版本XGA-2以真彩色提供800×600象素的分辨率或以65536种色彩提供1024×768象素的分辨率，这两种图像分辨水平可能是个人和小企业当今最常用的。 　　

UVGA(Ultra Video Graphics Array，极速扩展图形阵列)：支持最大1600×1200分辨率。一般用于15英寸的笔记本电脑。由于对制造工艺要求较高所以价格也是比较昂贵。目前只有少部分高端的移动工作站配备了这一类型的屏幕。 　　

HVGA,Half-size VGA，意思是VGA分辨率的一半，为480×320像素，宽高比为3:2。目前这种分辨率的屏幕大多用于PDA，当然iPhone和第一款Google手机——T-Mobile G1也都是采用这种分辨率，黑莓也有手机采用HVGA分辨率的屏幕。 　　

QVGA(Quarter VGA)。顾名思义，QVGA即VGA分辨率的四分之一，亦即分辨率是240×320像素。QVGA支持屏幕旋转，可以开发出相应的程序，以显示旋转90°、180°、270°屏幕位置。由HandEra公司发布。多用于手持/移动设备。QQVGA为QVGA的1/4屏，分辨率为120*160。 　　

SVGA(Super Video Graphics Array，高级视频图形阵列)：VGA由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在VGA基础上加以扩充，如将显存提高至1M并使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，这些扩充的模式就称之为VESA(Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会)的Super VGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式。由VESA为IBM兼容机推出的标准，属于VGA的替代品。最大支持800×600分辨率。 　　

SXGA(Super Extended Graphics Array，高级扩展图形阵列)：一个分辨率为1280x1024的既成事实显示标准。这种被广泛采用的显示标准的纵横比是5:4而不是常见的4:3。 　　

SXGA+(Super Extended Graphics Array)：作为SXGA的一种扩展，SXGA+是一种专门为笔记本设计的屏幕。其显示分辨率为1400×1050。由于笔记本LCD屏幕的水平与垂直点距不同于普通桌面LCD，所以其显示的精度要比普通17英寸的桌面LCD高出不少。 　　

　WVGA,Wide VGA，分辨率分为854×480像素和800×480像素两种。由于目前很多网页的宽度都是800像素，所以这种分辨率通常用于PDA或者高端智能手机，方便用户浏览网页。夏普公司的手机大多也是采用WVGA级别分辨率的屏幕。 　　

WXGA(Wide Extended Graphics Array，宽屏扩展图形阵列)：作为普通XGA屏幕的宽屏版本，WXGA采用16:10的横宽比例来扩大屏幕的尺寸。其最大显示分辨率为1280×800。由于其水平像素只有800，所以除了一般15英寸的笔记本电脑之外，也有12.1英寸的笔记本电脑采用了这种类型的屏幕。 另一种是1366×768，宽高比为16:9，主要应用于37、42、46英寸的平板电视上。 　　

WXGA+(Wide Extended Graphics Array)：这是一种WXGA的的扩展，其最大显示分辨率为1280×854。由于其横宽比例为15:10而非标准宽屏的16:10。所以只有少部分屏幕尺寸在15.2英寸的笔记本电脑采用这种产品。 　　

WSXGA(Wide Super Extended Graphics Array，宽屏超级扩展图形阵列)：其显示分辨率为1680×1050，宽高比为16:9。除了大多数15英寸以上的宽屏笔记本以外，目前较为流行的大尺寸LCD-TV也都采用了这种类型的产品。 　　

WUXGA(Wide Ultra Video Graphics Array宽屏极速视频图形阵列)：和4:3规格中的UXGA一样，WUXGA屏幕是非常少见的，其显示分辨率可以达到1920×1200。