引言
SOPC(System On Programmable Chip，可編程的片上系統(tǒng))是Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口等系統(tǒng)設計 需要的功能模塊集成到一個可編程器件上，構成一個可編程的片上系統(tǒng)。SOPC是PLD和ASIC技術融合的結果，代表了半導體產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。
Altera公司的Nios II核是目前最具代表性的軟核嵌入式系統(tǒng)處理器，本文描述的SOPC系統(tǒng)以Altera NiosII為基礎，利用SOPC Builder對Nios II及其外圍系統(tǒng)進行構建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結構、功能特點、資源占用等方面全面滿足系統(tǒng)設計的需求。
設計課題的確立
本文所描述的SOPC系統(tǒng)需要完成以下功能：
1.利用PS2接口的鍵盤作為設計的信號輸入和外部控制電路部分;
2.利用VGA顯示接口作為設計的信號輸出和顯示電路部分;
3.嵌入處理器 + 應用軟件。
根據(jù)以上要求，確立要完成本文設計的3個功能模型，分別是：兼容標準鍵盤的PS2控制接口邏輯;基于Avalon總線的VGA顯示接口邏輯，以及NiosII嵌入式處理器和PS2/VGA驅動程序。
系統(tǒng)的組成和結構
在SOPCBuilder中構造整個系統(tǒng)的連接，包括基本的SOPC系統(tǒng)和自定義外設。基本SOPC系統(tǒng)的核心是NiosII處理器Core，它還包含Avalon三態(tài)總線，以及掛在總線上的外部存儲設備接口，包括SRAM(或SDRAM)控制接口及Flash控制接口;以及定時計數(shù)Timer和調(diào)試Jtag_Uart模塊。而本課題設計的關鍵就是自定義的外設接口——基于Avalon總線協(xié)議的PS2接口和VGA控制接口。
基于Avalon總線協(xié)議的PS2控制接口設計
PS2控制接口協(xié)議
PS2設備接口多用于當今的鼠標和鍵盤設計，它是由IBM 開發(fā)并最早出現(xiàn)在IBM 技術參考手冊里。PS2 鼠標和鍵盤遵循雙向同步串行協(xié)議，每次數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，時鐘線上的脈沖就被讀入。鍵盤/鼠標可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機，同樣主機也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設備，但主機總是在總線上有優(yōu)先權，它可以在任何時候抑制來自于鍵盤/鼠標的通訊，而只需把時鐘拉低即可。
從鍵盤/鼠標發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)，在時鐘信號的下降沿被讀取;從主機發(fā)送到鍵盤/鼠標的數(shù)據(jù)在上升沿被讀取。不管通訊的方向怎樣，鍵盤/鼠標總是產(chǎn)生時鐘信號。如果主機要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須先告訴設備開始產(chǎn)生時鐘信號。PS2設備最大的時鐘頻率是33kHz 而大多數(shù)設備工作在10-20kHz。設備到主機的通訊過程如圖2所示：
所有數(shù)據(jù)安排在字節(jié)中，每個字節(jié)為一幀，包含了11/12 個位，這些位的含義如下：1個起始位，總是為0;8個數(shù)據(jù)位，低位在前;1個校驗位，奇校驗;1個停止位，總是為1;1個應答位，僅在主機對設備的通訊中出現(xiàn)。
鍵盤上包含了一個大型的按鍵矩陣，它們是由“鍵盤編碼器”來監(jiān)視的。監(jiān)視哪些按鍵被按下或釋放了，并在適當?shù)臅r候傳送到主機。而主板上包含了一個“鍵盤控制器”負責解碼所有來自鍵盤的數(shù)據(jù)， 并告訴軟件什么事件發(fā)生。在主機和鍵盤之間的通訊使用IBM 的協(xié)議，最初IBM 使用Intel8048 微處理器作為它的鍵盤編碼器，而使用Intel8042 微控制器作為它的鍵盤控制器，這些現(xiàn) 已被兼容設備取代，并整合到主板的芯片組中。
鍵盤的處理器花費很多的時間來掃描或監(jiān)視按鍵矩陣。如果它發(fā)現(xiàn)有鍵被按下、釋放或按住，鍵盤將發(fā)送“掃描碼”的信息包到計算機。掃描碼有兩種不同的類型：“通碼”和“斷碼”。當一個鍵被按下或按住就發(fā)送通碼;當一個鍵被釋放就發(fā)送斷碼。每個按鍵被分配了唯一的通碼和斷碼，這樣主機通過查找唯一的掃描碼就可以測定是哪個按鍵。
基于Avalon總線的鍵盤控制器的FPGA實現(xiàn)
基于Avalon總線的鍵盤控制器的實現(xiàn)，需模擬Intel8042的功能時序，完成鍵盤控制器的功能模型的建立，并完成其RTL代碼。本鍵盤控制器，不僅完成8042對鍵盤掃描碼的接收功能，還要把掃描碼轉換為處理器能夠識別的ASCII碼。
從鍵盤讀數(shù)據(jù)：當從鍵盤收到有效的掃描碼就把它放置在輸入緩沖區(qū)，IBF(輸入緩沖區(qū)滿)標志被設置，產(chǎn)生IRQ1。如果中斷是使能，IRQ1將激活鍵盤驅動程序，它指向0x09中斷向量。驅動程序將從Avalon_PS2_BASE端口讀取ASCII碼。這個動作會釋放IRQ1并復位IBF標志。接著ASCII被驅動程序處理。如下圖3顯示接收“c”通碼的時序，經(jīng)過11個PS2_CLK接收到“c”的掃描碼為“0x21”，同時掃描碼被轉換為ASCII碼，為“0x63”。圖4，模擬了鍵盤發(fā)送一個大寫“A”的數(shù)據(jù)傳輸時序，其過程為SHIFT通碼(0x12)，“A”通碼(0x1c)，“A”斷碼(0xf0，0x1c)，SHIFT斷碼(0xf0，0x12)。此過程中加入了兩個標識位，SHIFT標識(rx_shift_key_on)和斷碼標識(rx_released)，用以顯示SHIFT是否被按下，及發(fā)送的是通碼或斷碼。
往鍵盤寫數(shù)據(jù)：當你寫數(shù)據(jù)到鍵盤控制器的輸出緩沖區(qū)，控制器設置OBF(輸出緩沖區(qū)滿)標志并處理數(shù)據(jù)?？刂破鲗l(fā)送這個數(shù)據(jù)到鍵盤并等待一個回應。如果鍵盤沒有接收或在指定時間內(nèi)沒有回應，相應的超時標志就會被設置。
基于Avalon總線協(xié)議的VGA控制接口設計
VGA原理
VGA接口主要有五個信號線，分別為R、G、B、vsync(場同步)、hsync(行同步)信號。Red、Green、Blue 就是大家熟知的三原色，由RGB的電壓差便可以產(chǎn)生出所有的顏色。如果R、G、B各用一個bit來控制，也就是只有0、1兩種電壓準位，則所能形成的顏色種類只有8種。若每一種顏色能用多個bit來分出不同準位的電壓差，顏色就能多樣化呈現(xiàn)。vsync和hsync用作顯示器的同步信號，依據(jù)垂直與水平更新率的不同，不斷送出固定頻率的信號輸出，此時就可以在屏幕上正確的顯示色彩。
屏幕的顯示方式，是從左邊最上角的第一個像素開始，然后依次向右顯示下一個像素，到顯示完第一列的最后一個像素，就跳到第二列的第一個像素繼續(xù)開始顯示。一直到整個屏幕都顯示完畢時，回到原點，如此能不斷的刷新畫面。對上述5個信號的時序驅動，VGA顯示器要求嚴格遵循“VGA工業(yè)標準”，即640×480×60Hz模式。下圖給出VGA行掃描、場掃描的時序。
這是每一行掃描所需的時間，3.77μs(29.88μs - 26.11μs)是hsync必需降為0的時間，1.89μs是后置準備時間，0.94μs是前置準備時間。而25.17μs則是像素顯示時間，顏色的變化都要在這個時間內(nèi)顯示，在該時間域外，R、G、B三根信號線都一定置0，否則將無法正確顯示畫面。[!--empirenews.page--]
每一個垂直信號內(nèi)，總共要包含480個水平信號(或者在不同分辨率時，會有不同數(shù)目的行信號)。64μs(15.764ms - 15.700ms)是vsync必需為0的時間。1.02ms是后置準備時間，0.35ms是前置準備時間，15.24ms是圖像周期。每一個vsync就顯示新的一幀。
基于Avalon總線的VGA控制器的實現(xiàn)
Avalon流模式外設的設計需要遵循Avalon總線規(guī)范?；贏valon總線VGA控制器的硬件結構如圖7所示，該控制器由4部分構成：vga_regster_bank：VGA寄存器控制模塊;line_buffer：FIFO存儲器，由Magawizard產(chǎn)生;vga_driver：vga時序發(fā)生器，產(chǎn)生行場信號，并從FIFO中讀取像素信息產(chǎn)生RGB;imga_dma：DMA控制器，完成直接存儲，從系統(tǒng)SRAM中讀取數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽IFO。
使用pixel_counter(像素計數(shù)器)生成行時序，計數(shù)器應每31.77μs完成一個周期，當VGA時鐘選擇在25MHz，則每行需31.77μs/(1/25MHz) = 794個時鐘周期。而行同步信號保持為低狀態(tài)要3.77μs，3.77*25 = 94;所以如圖8所示，在A處像素計數(shù)值為0，B-94，C-140，D-781，E-794，然后復位到0，從而產(chǎn)生行同步時序。同理，對場也需通過一個計數(shù)器生成場時序。
在EP2C5T的板子上，要使用存儲器，通常需要實時顯示的都會使用on-chip memory(片內(nèi)存儲器)，因為on-chip memory的雙口結構可以同時對一塊存儲單元不同的地址進行讀、寫，同時，on-chip memory的速度極快，可以不經(jīng)過外部總線工作，因此不會出現(xiàn)總線仲裁和延遲。但是因為實驗板的on-chip memory較小，而設計中256色顯存空間最少要 307.2Kbytes。因此，選擇外部SRAM作為顯存，并由imga_dma 產(chǎn)生的DMA控制從Avalon總線主動讀取外部SRAM中的數(shù)據(jù)。
一般在Avalon總線上大多是從外設，其使用的方式是，一直等待chipselect的輸入為1時，才讀取總線上的數(shù)據(jù)，如果chipselect一直為0的狀態(tài)下，則從外設將不做響應。然而，跟一般從外設不一樣的是VGA控制器中的imga_dma模塊是一個主外設，它完成存儲器到存儲器的 DMA傳輸，它通過Avalon總線一端連接外部顯存(SRAM)，一端連接控制器的FIFO。然后控制器不斷主動的去讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并輸出信號到RGB。
實驗分析及結果展示
中文字符串顯示：先建立中文字符串字庫，利用鍵盤擴展鍵觸發(fā)，Nios II軟件捕捉到此鍵碼，顯示字符串。英文字符顯示：鍵盤輸入，由PS2協(xié)議模塊捕捉到鍵盤輸入的掃描碼，轉換成ASCII碼，Nios II軟件再根據(jù)ASCII碼值在預先建立好的ASCII字庫中尋址讀取ASCII字庫數(shù)據(jù)，并把字庫數(shù)據(jù)寫入到VGA顯示存儲器;然后VGA控制模塊把顯示存儲器中的數(shù)據(jù)通過DMA方式發(fā)送到VGA，完成英文字符顯示。
至此完成課題設計要求，利用PS2鍵盤輸入、VGA顯示、Nios II數(shù)據(jù)處理，構造了一個SOPC系統(tǒng)。
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