SOPC中NiosII的LCD顯示驅(qū)動IP設計

摘要：針對SOPC Builder系統(tǒng)沒有提供128064液晶模塊驅(qū)動的問題，以CBGl28064液晶模塊為例，采用有限狀態(tài)機，用Verilog HDL語言設計了顯示驅(qū)動IP核，并構(gòu)建了基于NiosII嵌入式處理器的片上系統(tǒng)。通過把顯示驅(qū)動IP核下載到Cyclone系列FPGA上，驗證了該設計的可行性。
關鍵詞：NiosII嵌入式處理器；顯示驅(qū)動；IP核

引言
    NioslI嵌入式處理器是A1tera公司提出的SOPC解決方案，是一種用戶可隨意配置和構(gòu)建的32位嵌入式處理器，結(jié)合豐富的外設可快速、靈活地構(gòu)建功能強大的SOPC系統(tǒng)。Altera公司提供了一些通用的IP核，使得用戶可輕松集成屬于自己的專用功能；但對于一些特定的外設，沒有現(xiàn)成可用的IP核，如液晶模塊CBGl28064等。
    用戶可通過自定義邏輯的方法在SOPC設計中添加自定義IP核。在實際應用中，LCD液晶顯示器憑借功耗低、體積小、輕薄及控制驅(qū)動簡單等特點，在智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中得到了廣泛應用。本文以深圳秋田視佳實業(yè)有限公司的液晶顯示模塊CBGl28064為例，在基于NioslI的SOPC系統(tǒng)中設計了LCD顯示驅(qū)動IP核，并下載到Cyclone系列的FPGA中，實現(xiàn)了對LCD的顯示驅(qū)動。

1 CBGl28064液晶顯示模塊
    CBG128064是一款以2片HD61202作為列驅(qū)動器，1片HD61203作為行驅(qū)動器的液晶模塊。HD61202是一種帶有驅(qū)動輸出的圖形液晶顯示控制器，可直接與8位微處理器相連；而HD61203只需提供電源，就能產(chǎn)生行驅(qū)動信號和各種同步信號。CBGl28064液晶顯示模塊內(nèi)置顯示存儲器RAM，顯示屏上各像素點的顯示狀態(tài)與顯示存儲器RAM中的各位數(shù)據(jù)一一對應。顯示存儲器的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動信號。外部處理器只需要通過其8位數(shù)據(jù)線和6條控制線來設置所需要的顯示方式，其他功能均由模塊自動完成。HD61202提供7條簡單的指令：顯示開／關指令、顯示起始行(ROW)設置指令、頁(RAGE)設置指令、列地址(Y Address)設置指令、讀狀態(tài)指令、寫數(shù)據(jù)指令、讀數(shù)據(jù)指令。

2 方案選擇
    通常有兩種方式可以實現(xiàn)NiosII嵌入式處理器對LCD的顯示驅(qū)動：
    一種是利用現(xiàn)成的并行輸入／輸出(PIO)內(nèi)核。該內(nèi)核提供了Avalon總線從控制器端口到通用I／O口間的存儲器映射接口，將LCD模塊的接口與NiosII嵌入式處理器的并行端口相連接，NiosII嵌入式處理器通過對其端口的操作來完成對LCD模塊的控制。這種方式類似于單片機操作，時序簡單，易于實現(xiàn)；但是在SOPC系統(tǒng)中硬件上需要設計與外設相連的I／O口，軟件上需要編寫接口程序進行讀寫控制，增加了處理器的時間開銷，F(xiàn)PGA的并行處理能力沒有得到發(fā)揮。
    另一種是采用自定義IP核方式。把LCD模塊看成是外部存儲器或I／O設備，作為從設備掛接到NiosII嵌入式處理器的Avalon總線上，處理器以訪問I／O設備或讀寫存儲器的方式對其進行控制。這種方法需要寫HDL模塊，自己定義控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)寄存器和控制位，可較為靈活地實現(xiàn)復雜的時序控制。一旦完成了設計，即可封裝為SOPC BLdldel可用的獨立元件，用戶可以像使用Altera公司提供的其他外設一樣來使用，并且可以提供給其他設計者使用。本文選用該方式實現(xiàn)。

3 LCD顯示驅(qū)動設計
    圖l為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。設計的重點在于LCD顯示驅(qū)動模塊的設計。按照模塊化、層次化的設計思想，顯示驅(qū)動可分為3部分實現(xiàn)，即任務邏輯部分、寄存器組部分和Avalon總線接口部分。任務邏輯部分描述液晶模塊的讀寫邏輯功能；寄存器文件部分提供了內(nèi)部寄存器訪問的通道；Avalon總線接口部分通過頂層接口模塊對寄存器進行操作，從而實現(xiàn)對行為模塊的訪問和控制。其中，DATA[7．．0]為8位數(shù)據(jù)線，CSl、CS2為片選信號，RS為指令／數(shù)據(jù)選擇信號，R／W為讀寫選擇信號，RST為復位信號，E為讀寫使能信號。

3．1 任務邏輯
    任務邏輯是整個驅(qū)動的核心部分。要實現(xiàn)對LCD的顯示控制，就要按照CBG128064驅(qū)動控制器的規(guī)范及時序要求進行設計。在時序邏輯電路中，數(shù)據(jù)信號和控制信號的配合比較復雜，但又十分重要，使用有限狀態(tài)機可以較為容易地設計出復雜的數(shù)字電路系統(tǒng)。
    本文采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)顯示驅(qū)動的核心邏輯。根據(jù)驅(qū)動控制器的讀寫命令及讀寫時序要求，本文設計了3個狀態(tài)機，分別為讀寫控制狀態(tài)機、讀寫狀態(tài)機和讀寫時序狀態(tài)機。
    如圖2所示，讀寫控制狀態(tài)機用于當發(fā)生讀寫請求時進行忙狀態(tài)檢測及讀寫操作控制，并在每個狀態(tài)給出時序狀態(tài)機讀寫信號。

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    如圖3所示，讀寫狀態(tài)機給出讀或者寫信號，并在讀寫控制狀態(tài)機的控制下，完成寫命令、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。在每一個狀態(tài)下給出LCD顯示數(shù)據(jù)及控制信號，如片選、所寫數(shù)據(jù)／指令等。

    如圖4所示，讀寫時序狀態(tài)機用于控制讀或者寫外設的時刻，當讀寫完成時給出讀寫完成信號。其中，讀寫信號由圖2中的讀寫操作給出。根據(jù)CBGl28064讀寫時序要求，當R／W為高電平時，讀取顯示RAM中的數(shù)據(jù)；當R／W為低電平且在E的下降沿時，向顯示RAM中寫入數(shù)據(jù)。讀寫時序狀態(tài)機的讀寫信號由讀寫控制狀態(tài)機給定，其中，E為模塊使能信號。

3．2 寄存器組
    寄存器組由一系列寄存器組成，為軟件提供了訪問硬件的通道。寄存器組中的寄存器是根據(jù)任務邏輯中需要實現(xiàn)的特定邏輯功能來設定的，任務邏輯中的數(shù)據(jù)通過這些寄存器傳輸。本設計中，寄存器組設定了8位頁地址寄存器、8位列地址寄存器，以及32位數(shù)據(jù)寄存器等。
3．3 Ayalon總線接口
    顯示驅(qū)動的Avalon總線接口需要一個簡單的Slave端口。該端口使用較少的Avalon信號來處理簡單的寄存器讀／寫傳輸。該模塊是與Avalon總線接口的一個頂層模塊，主要功能是對任務邏輯模塊和寄存器模塊進行例化和封裝，使其信號類型符合Avalon總線信號規(guī)范和外接模塊的信號規(guī)范。頂層接口定義如下：
   
3．4 顯示驅(qū)動封裝及軟件設計
    直接在SOPC Builder中添加設計好的顯示驅(qū)動IP Core和Verilog HDL語言描述的文件，并根據(jù)Avalon總線傳輸規(guī)范設置好相關的信號線及傳輸參數(shù)。由于是在NiosII IDE環(huán)境下直接編寫用戶程序，可以不用編寫驅(qū)動程序。完成后，將顯示驅(qū)動IP Core添加至SOPC工程，并編譯、下載到FPGA器件中。
    在NiosII IDE環(huán)境下，使用自己添加的模塊編寫程序，可直接調(diào)用甬數(shù)IOWR(BASE，OFFSET，DATA)和IORD(BASE，OFFSET)對內(nèi)部寄存器進行讀寫。本文使用結(jié)構(gòu)體定義了一個指向模塊的結(jié)構(gòu)體指針，對寄存器進行讀寫操作。

    
    CBGl28064本身不帶字庫，可以通過2種方式添加字庫：一種是把所需字庫做到硬件ROM中，增加了硬件資源成本，且缺乏靈活性；另一種是在軟件中定義字庫，通過寫數(shù)據(jù)寄存器進行顯示。本設計采用第2種方式，在軟件中定義字庫，并編寫了簡單的顯示測試程序，在液晶屏上顯示“ZHONG GUO”字樣。測試結(jié)果表明，該設計是正確可行的。此外，利用字模軟件生成的圖形數(shù)據(jù)，也可進行圖形顯示。

結(jié)語
    本文采用有限狀態(tài)機設計了CBGl28064液晶模塊驅(qū)動硬件邏輯，并將顯示驅(qū)動IP核進行封裝構(gòu)成了一個模塊化的獨立元件，使其能夠在其他的工程中復用；在此基礎上，基于NiosII嵌入式處理器構(gòu)建了一個用戶定制的片上系統(tǒng)。經(jīng)過在Cyclone系列FPGA上測試，該驅(qū)動能夠在C-BGl28064液晶模塊上顯示字符、圖形。整個系統(tǒng)體現(xiàn)了SOPC嵌入式系統(tǒng)的靈活性和擴展性。