系統(tǒng)總體設(shè)計方案
Nios II處理器在SDRAM中開辟幀緩沖(Frame buffer)，可以是單緩沖也可以是雙緩沖。以單緩沖為例。處理器將一幀圖像數(shù)據(jù)(640×480×2Bytes，RGB565，16bit)存入幀緩沖，然后將幀緩沖的首地址寫入到LCD控制器，并啟動LCD控制器。該控制器自動從傳來的首地址處開始讀取數(shù)據(jù)，并按照TFT的格式輸出。圖中各模塊由AvalON Bus連接在一起。Avalon Bus是一種簡單的總線結(jié)構(gòu)，Nios II處理器和各種外設(shè)都是通過Avalon Bus連接在一起。由圖1可以看出，作為Slaver的SDRAM Controller分別要受到Processor 和LCD Controller的控制，為了解決總線沖突，Avalon Bus自動在有沖突的接口上加入了Arbitrator這樣一個仲裁模塊，用于合理分配總線時間，用戶通過改變每個模塊的權(quán)值來改變對其分配總線時間的多少。在這個系統(tǒng)中，SDRAM Controller是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。以SDRAM時鐘頻率為100MHz計算，16bit的SDRAM其數(shù)據(jù)總帶寬為200MByte/s，640×480×2Bytes×60Hz的TFT LCD要占用36MByte/s左右的帶寬，這對于還要處理其他任務(wù)的處理器來說是很大的影響。
本系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
LCD控制器的FPGA實現(xiàn)
Avalon Bus Slaver從總線接口模塊實現(xiàn)
Avalon從總線接口負責(zé)處理器與LCD控制器的接口控制，LCD控制器在整個系統(tǒng)中作為從設(shè)備，NIOS II通過該接口對控制寄存器進行設(shè)置，控制LCD。
LCD從模塊有四個32bit的可讀寫寄存器，用于控制LCD控制器的工作和指示其工作狀態(tài)。
Avalon Bus DMA Master主設(shè)備接口模塊實現(xiàn)
Avalon Bus DMA MaSTer負責(zé)按照控制模塊的指令，讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，并寫入到FIFO中，其核心部分是DMA地址累加器。當(dāng)條件滿足時，地址累加器開始在100MHz的時鐘下以4為單位開始累加用于生成讀取SDRAM的地址。讀完一幀的數(shù)據(jù)后，自動復(fù)位到首地址，繼續(xù)累加。
主設(shè)備接口采用帶延遲的主設(shè)備讀傳輸模式，在這種傳輸模式下，即使沒有接收到上一次的有效數(shù)據(jù)，主設(shè)備也可以發(fā)起下一次讀命令。當(dāng)waitrequest信號無效(低電平)時，主設(shè)備可以連續(xù)的發(fā)起讀命令，當(dāng)waitrequest信號有效(高電平)時，主設(shè)備開始等待，直到其變?yōu)榈碗娖?。?dāng)readdatavalid信號有效(高電平)時，表示讀數(shù)據(jù)有效，此時主設(shè)備可以鎖存數(shù)據(jù)口上的有效數(shù)據(jù)。這里沒有使用flush信號，flush信號會清除前面一切未完成的讀命令。Avalon總線保證數(shù)據(jù)的輸出順序與主設(shè)備要求的順序一致(即與主設(shè)備地址輸出順序一致)。readdatavalid信號可以作為FIFO的wrreq信號，這樣可以直接將讀出來的數(shù)據(jù)寫入到FIFO中。當(dāng)前地址等于尾地址時，則復(fù)位累加器，使之重新開始從首地址累加。地址累加器代碼模塊如圖3。
圖2 LCD BSF圖
圖3 設(shè)備接口模塊BSF圖
FIFO模塊實現(xiàn)
FIFO的作用是對DMA輸出的圖像數(shù)據(jù)進行緩存，以匹配時序控制模塊的輸出速度。FIFO大小暫定為4096×16bit，在實際設(shè)計時，再根據(jù)系統(tǒng)需要以及資源狀況做出適當(dāng)調(diào)整。原則是，在系統(tǒng)資源允許的情況下，將FIFO大小盡量設(shè)置大點。
FIFO由DMA控制器寫入數(shù)據(jù)，寫入時鐘為100MHz；由LCD控制器的時序發(fā)生模塊讀出數(shù)據(jù)，讀出時鐘為PCLK，即LCD的像素點掃描頻率，通常取25MHz。在獨立的寫時鐘和讀時鐘作用下，F(xiàn)IFO可以提供rdusedw[11:0]信號，用于指示FIFO中已經(jīng)使用掉的容量。系統(tǒng)可以設(shè)置一個上限和一個下限，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)量高于上限或低于下限時，控制器暫停DMA傳輸或啟動DMA傳輸，用以保證系統(tǒng)性能。
在本例應(yīng)用中，將wrclk接系統(tǒng)時鐘(100MHz)，wrreq接master_readdatavalid，data接writedata，即可完成DMA的數(shù)據(jù)寫入操作；將rdclk接12.5MHz(因為TFT的時鐘為25MHz，數(shù)據(jù)寬度為16bit，而FIFO的寬度為32bit，所以用一半的時鐘12.5MHz去讀取FIFO，然后依次輸出32bit的高16bit和低16bit)，rdreq由時序發(fā)生模塊控制，即可在每個rdclk的上升沿讀出一個數(shù)據(jù)到q。aclr接~reset_n，可以完成復(fù)位操作。當(dāng)然，所有信號都受controller_GoBit的控制。
FIFO設(shè)計采用了Quartus II自帶的fifo宏模塊，自動生成所需要的模塊，供調(diào)用。
LCD 時序發(fā)生器設(shè)計模塊實現(xiàn)
時序發(fā)生器用于產(chǎn)生TFT所需的時序，將圖像數(shù)據(jù)按特定的時序輸出。每種控制器的設(shè)計關(guān)鍵就是時序設(shè)計，本文專門針對三菱公司的AA084VC05液晶屏，圖4，圖5是其時序圖。
圖4 水平時序圖
圖5 垂直時序圖
LCD時序發(fā)生器以DCLK為時鐘基準，該DCLK即上面所說的PCLK，也就是像點時鐘，每個像素點的數(shù)據(jù)以該時鐘驅(qū)動進入LCD。圖4為AA084VC05的水平掃描時序，其中，DATA為18位數(shù)據(jù)信號(本設(shè)計中只用其中的16位)，DENA為數(shù)據(jù)有效信號，高電平使能，其有效寬度THA為640個DCLK；HD為水平同步信號，低電平有效，其有效寬度TWHL為96個DCLK。一行640個象素掃描完畢之后，控制器將驅(qū)動HD有效，在HD有效之前插入THFP(Horizontal Front Porch)為16個DCLK，有效之后插入THBP(Horizontal Back Porch)為144個DCLK，然后再開始下一行的掃描。如此一來，行掃描信號的頻率FH典型值為31.5KHz。而讀FIFO信號要提前DENA信號一個時鐘節(jié)拍到來，提前一個時鐘節(jié)拍結(jié)束，因為該FIFO有一個時鐘節(jié)拍的延遲。
AA084VC05的垂直掃描時序與水平掃描時序類似，該時序以HD為時鐘基準，其中，VD為垂直同步信號(幀同步)。每掃描完一幀(480行)，控制器將驅(qū)動VD有效(低電平)，有效寬度TWVL為2個HD。同樣，在VD有效之前插入TVFP(Vertical Front Porch)為10個HD，有效之后插入TVBP(Vertical Back Porch)為35個HD，如此一來，垂直掃描信號頻率FV的典型值為60Hz。
時序發(fā)生器采用狀態(tài)機實現(xiàn)。由于該控制器的參數(shù)比較大，為了便于觀察仿真結(jié)果，本文對這些參數(shù)做了一些處理(成倍減少)。
結(jié)語
本文設(shè)計實現(xiàn)了一個簡單的基于Avalon總線的TFT LCD控制器，能實現(xiàn)640×480，顏色深度為16bit的彩色圖形顯示，可應(yīng)用于各種TFT LCD，亦可改寫為VGA控制器，有較大的靈活性。根據(jù)設(shè)計好的控制器編寫了相應(yīng)的Linux下的FrAME buffer驅(qū)動程序。很好的實現(xiàn)了界面環(huán)境的開發(fā)，可以用于很多手持設(shè)備的電子產(chǎn)品。該設(shè)計最大的特點是有很強的可移植性，不論是控制器的設(shè)計還是Frame buffer驅(qū)動程序的設(shè)計都很靈活。