Keio Univ. Murai Lab. ARCH Yusei Yamanak @ B2 / WIP presentation.

1. FPGAを用いたシリアル入力型
VGA映像出力装置の設計と実装
WIP
ARCH B2 miyukki
PARENT macchan

2. きっかけ
• 映像、音響に愛がある
• FPGAを触ってみたい
• FPGAを触って高価な映像、音響機器類の実装を
作ってみたい
• オープンソースで公開する
• FPGAの実装スキルを身に着けたい

3. 実装について
• RS-232からデータを受け取り、レジスタに記憶す
るシリアルモジュールとレジスタのデータを映像と
して出力するVGAモジュールをFPGAに実装し、実
際に動作させた
• ソースコードはGitHubで公開している
https://github.com/miyukki/spartan-3an-vga

4. 構成図
FPGA
評価ボード
モニター
PCなど
RS-232 VGA
10101…
…

5. 環境
• FPGA
• Spartan 3AN 評価ボード
• 開発環境
• Ubuntu 14.04
• ISE WebPACK 20131013

6. Spartan 3AN 評価ボード

7. Serial Module
• RS-232インターフェースを用いてRS-232規格の
通信をするモジュールを実装
• 入力をレジスタに記録していく
• RS-232のではいくつかのボーレート(通信速度)を
指定することができるが、精度の観点から9600bps
を指定した
• 50MHzの発振子から9600Hzを生成してモジュール
のクロックとした

8. RS-232仕様1
• EIA(現、TIA)が「ANSI/TIA/EIA-232-F-1997」、
日本では「JIS X 5101」として規格が定められて
いるが、製品によって様々な信号が出力されている
• 仕様ではデータビットは8bit、スタートビットとス
トップビットがそれぞれ1bit、データビットにパリ
ティビットを含む場合がある
• 1本の信号でデータをやりとりするが、クロックの
同期をデータとともに行う調歩同期式のため、お互
いのボーレートを同期する必要がある

9. RS-232仕様2
• また、ビットの1は-5V以下であり、0は5V以上であ
るため、注意が必要
• 評価ボードの場合は電圧変換器を含んでいるため、
実装時に考慮しなくてもよい

10. VGA Module
• D-Sub 15pinインターフェースを用いてVGA規格
の通信をするモジュールを実装
• レジスタの内容を表示し続ける
• ピクセル単位で25MHzのクロックが必要なため、
50MHzの発振子から25MHzを生成してモジュール
のクロックとした
• 1ピクセル25MHzだとフレーム単位で、
59.52Hz 59.94Hz=60FPS

11. VGA仕様1
• VGA信号における厳密な規格は制定されていない
• 民間でVESAなどが仕様を決めているが、製品によっ
て様々な信号が出力されている
• 最低限必要な信号はR,G,B,水平同期,垂直同期の5本

12. VGA仕様2
• ピクセルごとの色をアナログ値で出力する
• ちなみに評価ボードでは4bit出力をサポートしているた
め、2^4bit^3色=4096色の出力が可能
• 1ライン(ここでは640)の出力の後に、水平同期信
号をLOW※にする
• 1フレーム(ここでは640*480)の出力の後に、垂直
同期信号をLOW※にする
※機器によってはHIGH出力するものもあり

13. VGA仕様 図
Active Video
水平同期
96px
垂直同期
2px
640
480
800
525
1
0
16 48
10
33

14. Register
• ここで言うRegisterとはFF/Latch回路のこと
• FPGA内で生成できるFF/Latch回路の制限から、
64x48=3072bitの領域を確保した
• VGAの解像度は、640x480のため、10pxのブロッ
クを表示する

15. 描画について
• シリアルからの入力をレジスタにunshiftをして記
録をしていき、レジスタの先頭から画面に描画する
1
10
110101
100000…
010000…
110101…
…
…
…
画面の描画レジスタシリアルの入力
※unshift方式であればシリアルからの入力が何番目の
レジスタに代入するかを記録する必要が無いため
10px

16. 回路仕様
VGA
FF/Latch
Register
CLOCK
50MHz
CLOCK GENERATOR
9600Hz
CLOCK GENERATOR
25MHz
[3:0] RED
[3:0] GREEN
[3:0] BLUE
HSYNC
VSYNC
[3071:0]
Serial
RS-232
TX
[3071:0]
CLK
RX
CLK
CLK
CLK
FF/Latch
Register
FF/Latch
Register

17. デモ1

19. 画像の出力
• Rubyで画像を二値化し、0と1でシリアル出力する
プログラムを作った
00000000
01111110
01000000
01111110
00000010
01111110
00000000
…

20. デモ2

22. 実装の問題点
• FPGA内にFF/Latch回路をこれ以上作ることが出来
ない
• 評価ボードのSDRAMなどを使うことによってより
多くのデータを記録することができ、多色で高解像
度のデータを持つことができる
• RS-232の通信速度が遅い/損失が出る
• ボーレートを速くすると損失が出るが、数倍のクロッ
クで動作させ、中間位置でデータを取得するべき
• パリティを用いて早くするか、Ethernetなどを用
いる

23. 今後について
• VGAはもはや主流ではなくなってきているため、
今後は、SDI/HDMIなどで実装、開発をしたい
• HDMI入出力が可能なSpartan 6(Atlys)評価ボー
ドを借りることが出来たので、2入力の映像を合
成することを目標としたい

24. 参考文献
• 全般
• FPGA始めました！
• http://kozos.jp/fpga/
• RS-232
• シリアル通信ＲＳ２３２Ｃについて
• http://homepage3.nifty.com/ken-create/hard/rs/rs232c.htm
• VGA
• Video Graphics Array
• http://en.wikipedia.org/wiki/Video_Graphics_Array
• Arduino Uno output to VGA monitor
• http://www.gammon.com.au/forum/?id=11608

25. 質疑応答など

26. ご清聴ありがとうございました