VGA Controller

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1. Visão Geral

O VGA Controller é um periférico de saída de vídeo que permite ao processador RISC-V exibir gráficos em monitores VGA padrão.

Característica	Valor
Resolução	640×480 pixels
Taxa de Atualização	60 Hz
Profundidade de Cor	8 bits/pixel (RGB332)
VRAM	320×240 = 76.800 bytes
Clock do Sistema	100 MHz
Pixel Clock	25 MHz

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2. Princípio de Funcionamento

O padrão VGA utiliza o princípio da varredura eletrônica (raster scan), onde o monitor varre a tela linha por linha, da esquerda para direita e de cima para baixo.

2.1 Sinais de Sincronismo

Para que o monitor know quando reposicionar o feixe de elétrons, dois sinais são utilizados:

• H_SYNC (Horizontal): Indica o momento de retornar ao início da linha
• V_SYNC (Vertical): Indica o momento de retornar ao topo da tela

O monitor VGA espera pulses de sincronismo em intervalos específicos para controlar o posicionamento do feixe.

2.2 Área Ativa

Apenas uma região central da imagem (640×480 pixels) é visível. Os intervalos entre os pulses de sincronismo (front porch, back porch, sync pulse) são necessários para que o monitor processe o sinal, mas não aparecem na tela.

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3. Memória de Vídeo

A VRAM (Video RAM) armazena os dados de pixel que serão exibidos na tela. O sistema utiliza uma Dual-Port RAM que permite acesso simultâneo de duas entidades independentes:

• Porta A (CPU): O processador RISC-V escreve dados de pixel nesta porta para atualizar a tela
• Porta B (VGA): O controlador VGA lê continuamente os dados para gerar a imagem

Esta separação permite que a CPU escreva na memória a qualquer momento, sem interferir na leitura contínua feita pelo controlador de vídeo.

3.1 Endereçamento

A VRAM é organizada como um array linear de 76.800 bytes (320 × 240). Cada byte representa um pixel no formato RGB332:

bit 7-5: Vermelho (3 bits)
bit 4-2: Verde   (3 bits)  
bit 1-0: Azul    (2 bits)

O endereço de cada pixel é calculado como:

endereço = (y × 320) + x

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4. Interface com Software

A HAL VGA (hal_vga.h) fornece uma API simples para manipulação de gráficos:

// Inicializa o controlador
hal_vga_init();

// Limpa a tela com uma cor
hal_vga_clear(VGA_BLACK);

// Desenha um pixel
hal_vga_plot(x, y, VGA_RED);

// Desenha um retângulo
hal_vga_rect(10, 10, 100, 50, VGA_GREEN);

// Espera o próximo quadro (para sincronização)
hal_vga_vsync_wait();

4.1 Cores Pré-definidas

A HAL define cores básicas em formato RGB332:

Cor	Valor
VGA_BLACK	0x00
VGA_WHITE	0xFF
VGA_RED	0xE0
VGA_GREEN	0x1C
VGA_BLUE	0x03
VGA_YELLOW	0xFC
VGA_CYAN	0x1F
VGA_MAGENTA	0xE3

4.2 Exemplo: Desenho de uma Linha

void draw_line(int x0, int y0, int x1, int y1, uint8_t color) {
    int dx = abs(x1 - x0);
    int dy = -abs(y1 - y0);
    int sx = (x0 < x1) ? 1 : -1;
    int sy = (y0 < y1) ? 1 : -1;
    int err = dx + dy;

    while (1) {
        hal_vga_plot(x0, y0, color);
        if (x0 == x1 && y0 == y1) break;
        int e2 = 2 * err;
        if (e2 >= dy) { err += dy; x0 += sx; }
        if (e2 <= dx) { err += dx; y0 += sy; }
    }
}

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5. Integração no SoC

O VGA Controller conecta-se ao barramento do SoC como um periférico mapeado em memória:

Endereço Base: 0x30000000

A CPU acessa a VRAM escrevendo bytes diretamente neste intervalo de endereços. O controlador de vídeo lê esses dados autonomamente para gerar a imagem.

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Documento simplificado. Para detalhes de implementação RTL, consulte o código fonte em fpga/hw/peripherals/vga/.