摘  要： 主要闡述了以Altera公司的FPGA為核心的基于NiosⅡ軟核的嵌入式LCD圖形顯示設(shè)計(jì)方法。從系統(tǒng)的角度提出在LCD上顯示圖形的設(shè)計(jì)過程，給出搭建NiosⅡ軟核的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，并最終實(shí)現(xiàn)了圖形以及漢字在LCD上的顯示,最后總結(jié)出利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)LCD圖形顯示的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞： LCD顯示； NiosⅡ軟核； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陳列（FPGA）

    隨著工藝技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)的需要,超大規(guī)模、高速、低功耗的FPGA不斷推出，并且被廣泛地應(yīng)用在高速、高密度的數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。SoPC[1](System on a Programmable Chip)是一種基于FPGA 的SoC設(shè)計(jì)方案,它將FPGA及微處理器的核心嵌在同一芯片上，構(gòu)成一個(gè)可編程的SoPC系統(tǒng)框架,具有高度的集成能力，很大程度上減小了產(chǎn)品體積以及外部信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾，大大增加了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。本文介紹一種基于Nios Ⅱ軟核處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD控制顯示圖形的方法。在設(shè)計(jì)中,利用Altera的FPGA的SoPC Builder定制Nios Ⅱ軟核處理器及其與顯示功能相關(guān)的“軟”硬件模塊,來協(xié)同實(shí)現(xiàn)控制顯示的軟硬件設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    在工業(yè)控制和消費(fèi)電子領(lǐng)域，LCD的顯示技術(shù)呈現(xiàn)出越來越多的方式。本設(shè)計(jì)采用基于NiosⅡ處理器的液晶顯示圖形的設(shè)計(jì)方法，在SoPC Builder中以自定義接口的形式利用總線方式對(duì)LCD控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，LCD控制器[2]一端接收用戶控制，一端實(shí)現(xiàn)LCD復(fù)雜時(shí)序，并集成多種功能。用戶只需要與控制器的簡(jiǎn)單接口交互，便能達(dá)到控制LCD的目的，進(jìn)而編寫應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)顯示漢字、圖片、畫圖等功能。本文的設(shè)計(jì)方法大大降低了工作量，加快了數(shù)據(jù)的處理速度和掃描頻率，提高了各個(gè)功能模塊的集成度，改善了系統(tǒng)的性能和可靠性。
    本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Altera公司的DE2 開發(fā)板的TFT—LCD 控制器對(duì)已知圖形的顯示。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
    SoPC系統(tǒng)基于Avalon 總線與其他系統(tǒng)構(gòu)件來通信，整個(gè)SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的外設(shè)通過Avalon總線模塊連接起來，并且總線規(guī)范為外設(shè)端口與總線模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了互連模型。
　本設(shè)計(jì)的SoPC系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2  SoPC系統(tǒng)建立
    基于FPGA的SoPC方案[3]的可配置性表現(xiàn)在搭建硬件平臺(tái)時(shí)，用戶可以根據(jù)自己要實(shí)現(xiàn)的功能來靈活選擇所需要的存儲(chǔ)器以及外圍接口設(shè)備,而不用把所有提供的元件添加到系統(tǒng)中，這樣就可以因功能不同而有針對(duì)性地設(shè)計(jì)每一個(gè)系統(tǒng)，從而也避免了添加無用元件占用FPGA資源而引起浪費(fèi)。例如，由系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)可知,本系統(tǒng)所需要的基本組件有CPU、SDRAM控制器、JTAG-UART、SRAM、定時(shí)器以及用三態(tài)橋來連接的CPI-FLASH,因?yàn)樵赥FT-LCD已經(jīng)帶有控制器了，所以就不需要以自定義組件的形式在SoPC Builder中添加該元件的控制器。
    本系統(tǒng)的構(gòu)建基于QuartusⅡ8.0版本的SoPC Builder工具，它使用CPU、存儲(chǔ)器接口和外圍設(shè)備(例如本設(shè)計(jì)中添加的掛接在三態(tài)橋上的接口gx_tft_lcd)生成系統(tǒng)模塊，并在Avalon總線模塊和所有系統(tǒng)組件上的從屬設(shè)備端口之間自動(dòng)生成互連邏輯。由于利用總線方式來訪問已經(jīng)帶有控制器(TCB8000A)的TFT LCD，因此需要在Nios Ⅱ系統(tǒng)模塊中手動(dòng)添加一個(gè)三態(tài)接口gx_tft_lcd。因?yàn)槭侵粍?chuàng)建一個(gè)接口，因此不需要HDL文件和HAL文件,但是在信號(hào)設(shè)置時(shí),應(yīng)根據(jù)Avalon總線三態(tài)從端口寫時(shí)序圖和TCB8000A的控制接口來添加需要的信號(hào)。
    設(shè)置生成新元件后就可以將新定制的gx_tft_lcd添加到Nios系統(tǒng)中，產(chǎn)生Nios II 系統(tǒng)模塊，并添加到工程中。保存編譯，通過之后可將編譯生成的sof文件下載到FPGA芯片，至此硬件方面的工作基本完成。
   圖2所示為搭建本設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)中使用SoPC Builder工具來添加生成的系統(tǒng)模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)
　Nios II處理器的軟件程序設(shè)計(jì)使用HAL (Hardware Abstraction Layer)系統(tǒng)庫(kù)。HAI系統(tǒng)庫(kù)[4]為程序員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開發(fā)，同時(shí)還為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動(dòng)劃分了一條很清晰的分界線，從而大大提高了應(yīng)用程序的可復(fù)用性，使得應(yīng)用程序不受底層硬件變化的影響實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件和應(yīng)用程序之間的通信。HAI API[5](Application Program Interface)集成了ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，使上層程序像訪問C函數(shù)庫(kù)一樣訪問系統(tǒng)硬件和軟件。軟件設(shè)計(jì)不用考慮底層硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)而直接編寫應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　軟件系統(tǒng)主要分為兩部分：系統(tǒng)的初始化對(duì)LCD控制器的控制以及顯示數(shù)據(jù)的處理。
　系統(tǒng)初始化，調(diào)用HAL的各模塊初始化程序，并定義在后面程序當(dāng)中要用到的各個(gè)對(duì)LCD顯示屏背景顏色、字體顏色設(shè)置的函數(shù)。
　本設(shè)計(jì)采用總線方式[6]對(duì)LCD控制器（TCB8000A）的時(shí)序進(jìn)行控制，利用SoPC Builder添加完一個(gè)掛接在三態(tài)橋上的接口，將TCB8000A的控制引腳與Avalon總線相關(guān)聯(lián)。由于TCB8000A的控制時(shí)序與Avalon總線三態(tài)接口的時(shí)序吻合,因此只需在定制接口時(shí)調(diào)整等待、建立時(shí)間便可以達(dá)到控制目的。在Nios程序內(nèi)用簡(jiǎn)單的寫操作產(chǎn)生Avalon總線時(shí)序,需要注意的是TCB8000A只需一個(gè)地址控制線A1,且與總線的A1相連，因此寫操作應(yīng)使總線上的地址線A1符合TCB8000A對(duì)A1管腳的時(shí)序要求。即在并行模式下，MPU首先把完整的命令包送入地址為F004H的只寫寄存器(A1=0)，然后將“1”送到地址為F006H的寄存器(A1=1)，結(jié)束一個(gè)命令包，并打開顯示。對(duì)于地址線A0，A2～A17使用的控制板已經(jīng)設(shè)定好了,所以只需要控制A1便可完成命令的送入。流程圖如圖4所示。

    代碼如下：
void SdCmd(alt_u8 Command)   //send command
{   
       IOWR(GX_TFT_LCD_BASE, 0, Command);          //A1=0
}
void CmdEnd()                                 //send command
{   
       IOWR(GX_TFT_LCD_BASE, 2, 1);                     //A1=1
}
    在控制時(shí)序的基礎(chǔ)上，程序中的顯示圖片部分[7]首先把要顯示的圖片用Bmp2HexPro.exe軟件工具轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息， 把圖片的數(shù)據(jù)信息以頭文件的形式（picture.h）添加在工程中。
    對(duì)儲(chǔ)存的多張圖片進(jìn)行分類標(biāo)號(hào)(例如picx1、picx2、picx3等),然后在C主程序中用switch語(yǔ)句[8]來分別調(diào)用表示該圖片信息的索引號(hào)碼，示例程序如下：
void ShowBMP160(alt_u32 X,alt_u32 Y, alt_u8 picIndex)
{
      alt_u8 i,j,k,Buffer[5],*pic;
      alt_u16  p;
      alt_u32 addr;
            switch(picIndex){
            case 1: pic=picx1;break;
            case 2: pic=picx2; break;
            case 3: pic=picx3; break;
            default: break;
　　    }
    接下來就是給LCD的RAM分配地址，把要顯示的圖片的數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)指針的方式從左到右依次寫入目的地址。而SdCmd()函數(shù)為自己編寫的發(fā)送數(shù)據(jù)命令的子函數(shù)。
    addr=Y*5;      
　    addr=addr<<7;     
      addr=addr+X*2;               //same as addr=X*2+Y*320*2
      p=0;                                            //Data ROM pointer
　    for(j=0;j<10;j++)         //sprit one line data to 8 packet
           {
              SdCmd(0x84);     
                     //send data packet，送一個(gè)像素的數(shù)據(jù)到內(nèi)存
              SdCmd(40);
                       //no of byte in one packet，結(jié)束一個(gè)命令包
              for(k=0;k<20;k++)       //no of pixels in one packet
              {
                  SdCmd(pic[p+1]);                          //low byte
                SdCmd(pic[p]);                             //high byte
                p+=2;
              }
              CmdEnd();
        }
    addr+=640;                                      //next line
}   
　　    }
　 對(duì)于漢字以及字符的顯示也是通過定義PrintGB（）函數(shù)，類似上述程序以命令包的形式把要顯示的信息送入目的地址,在后面的程序中直接調(diào)用該子函數(shù)來進(jìn)行顯示。
    隨著LCD顯示越來越多地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，各種各樣的處理器控制LCD顯示的方案也相繼出現(xiàn)，本文通過整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和在硬件平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)提出了一種基于FPGA的SoPC方案,并最終在平臺(tái)上面驗(yàn)證了其可行性。該方案的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)功能改進(jìn)的靈活性， 在不改變硬件平臺(tái)的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行增刪和優(yōu)化，降低了系統(tǒng)成本，這是傳統(tǒng)ARM方案無法達(dá)到的。由于微處理器和用戶邏輯接口都集成在一塊Cyclone芯片上, 編程人員可以靈活地定義I/O接口, 基于FPGA有更好的靈活性和可靠性[9]。對(duì)基于NiosⅡ的微處理器, 用戶能根據(jù)顯示屏的大小靈活調(diào)整硬件邏輯設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏的控制,而不需要改變其原有硬件構(gòu)成。但是16位微控制器卻只能對(duì)固定大小的顯示屏進(jìn)行控制。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,基于NiosⅡ的微處理器, 可以通過更改其硬件邏輯配置方便地進(jìn)行版本升級(jí),節(jié)省了成本。開發(fā)人員通過處理器[10]指令集中增加定制指令, 可以加速軟件算法, 定制指令可以在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的處理任務(wù),為系統(tǒng)優(yōu)化提供了一種高性價(jià)比的解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1]  潘松，黃繼業(yè)，曾毓.SoPC技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.
[2]  王剛，張瀲.基于FPGA的SoPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與典型實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.
[3]  王曉迪，張景秀.SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.
[4]  蔡偉剛.NiosⅡ軟件架構(gòu)解析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.
[5]  田秀偉，鄭喜鳳，丁鐵夫.基于SoPC的LED顯示屏控制器設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,2007,22(6):737-741.
[6]  孫愷，程世恒.NiosⅡ系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.
[7]  郭強(qiáng).液晶顯示應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2003.
[8]  郭書軍，王玉龍，葛紉秋.嵌入式處理器原理及應(yīng)用— Nios系統(tǒng)設(shè)計(jì)和C語(yǔ)言編程[M].北京：清華大學(xué)出版
社,2004.
[9]  孫偉，龔兆崗，楊忠根.基于NiosⅡ的LED顯示屏控制系統(tǒng)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2005,26(2).
[10] 高兵，陳莉平．液晶和矩陣鍵盤SoPC外設(shè)組件設(shè)計(jì)開發(fā)[J]．微計(jì)算機(jī)信息,2008，3(2):152-154.