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(shè)可快速,、靈活地構(gòu)建功能強(qiáng)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(shè)，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(shè)計(jì)中添加自定義IP核。在實(shí)際應(yīng)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(diǎn),，在智能儀器,、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。本文以深圳秋田視佳實(shí)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(shè)計(jì)了LCD顯示驅(qū)動IP核,，并下載到Cyclone系列的FPGA中，實(shí)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(diǎn)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(yīng)。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(shè)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(guān)指令,、顯示起始行(ROW)設(shè)置指令,、頁(RAGE)設(shè)置指令、列地址(Y Address)設(shè)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(shí)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(jī)操作，時(shí)序簡單,，易于實(shí)現(xiàn),；但是在SOPC系統(tǒng)中硬件上需要設(shè)計(jì)與外設(shè)相連的I／O口，軟件上需要編寫接口程序進(jìn)行讀寫控制,，增加了處理器的時(shí)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(shè)備,，作為從設(shè)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(shè)備或讀寫存儲器的方式對其進(jìn)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序控制。一旦完成了設(shè)計(jì),，即可封裝為SOPC BLdldel可用的獨(dú)立元件,，用戶可以像使用Altera公司提供的其他外設(shè)一樣來使用，并且可以提供給其他設(shè)計(jì)者使用,。本文選用該方式實(shí)現(xiàn),。
3 LCD顯示驅(qū)動設(shè)計(jì)
圖l為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于LCD顯示驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì),。按照模塊化,、層次化的設(shè)計(jì)思想，顯示驅(qū)動可分為3部分實(shí)現(xiàn),，即任務(wù)邏輯部分,、寄存器組部分和Avalon總線接口部分。任務(wù)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(jìn)行操作，從而實(shí)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(fù)位信號,，E為讀寫使能信號,。
3．1 任務(wù)邏輯
任務(wù)邏輯是整個驅(qū)動的核心部分。要實(shí)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(shí)序要求進(jìn)行設(shè)計(jì),。在時(shí)序邏輯電路中，數(shù)據(jù)信號和控制信號的配合比較復(fù)雜,，但又十分重要,，使用有限狀態(tài)機(jī)可以較為容易地設(shè)計(jì)出復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)。
本文采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)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(shí)序要求,，本文設(shè)計(jì)了3個狀態(tài)機(jī)，分別為讀寫控制狀態(tài)機(jī),、讀寫狀態(tài)機(jī)和讀寫時(shí)序狀態(tài)機(jī),。
如圖2所示，讀寫控制狀態(tài)機(jī)用于當(dāng)發(fā)生讀寫請求時(shí)進(jìn)行忙狀態(tài)檢測及讀寫操作控制,，并在每個狀態(tài)給出時(shí)序狀態(tài)機(jī)讀寫信號,。
如圖3所示，讀寫狀態(tài)機(jī)給出讀或者寫信號,，并在讀寫控制狀態(tài)機(jī)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(shí)序狀態(tài)機(jī)用于控制讀或者寫外設(shè)的時(shí)刻，當(dāng)讀寫完成時(shí)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(shí)序要求,，當(dāng)R／W為高電平時(shí),，讀取顯示RAM中的數(shù)據(jù)；當(dāng)R／W為低電平且在E的下降沿時(shí),，向顯示RAM中寫入數(shù)據(jù),。讀寫時(shí)序狀態(tài)機(jī)的讀寫信號由讀寫控制狀態(tài)機(jī)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(wù)邏輯中需要實(shí)現(xiàn)的特定邏輯功能來設(shè)定的,，任務(wù)邏輯中的數(shù)據(jù)通過這些寄存器傳輸,。本設(shè)計(jì)中，寄存器組設(shè)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(wù)邏輯模塊和寄存器模塊進(jìn)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(shè)計(jì)
直接在SOPC Builder中添加設(shè)計(jì)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(shè)置好相關(guān)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?dāng)?shù)IOWR(BASE,，OFFSET，DATA)和IORD(BASE,，OFFSET)對內(nèi)部寄存器進(jìn)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(jìn)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(jìn)行顯示,。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)行圖形顯示。
結(jié)語
本文采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了CBGl28064液晶模塊驅(qū)動硬件邏輯,，并將顯示驅(qū)動IP核進(jìn)行封裝構(gòu)成了一個模塊化的獨(dú)立元件,，使其能夠在其他的工程中復(fù)用；在此基礎(chǔ)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(kuò)展性。