馬 成，胡海波，賀 綱

（黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱150050）

目前，常用的液晶顯示控制器主要有兩種：一種是將LCD液晶顯示模塊的控制信號、驅動信號和動態(tài)顯示存儲器集成到單片IC中，做成專用的液晶控制芯片。例如SSD1289、SED1335等，這種專用集成控制芯片經(jīng)常與相對應的液晶屏做到一塊電路板中，或者將這些液晶驅動芯片以特殊的封裝形式直接集成到液晶屏中，形成液晶屏模塊，直接購買這些模塊進行實驗或產(chǎn)品開發(fā)。一種是以FPGA為核心，配合一些模擬驅動芯片和作為顯存的RAM芯片構成LCD液晶屏的控制系統(tǒng)。這兩種控制方法各有利弊，第一種利用專用芯片的控制方法，使用方便，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，但是成本高，靈活性差。第二種利用分立元件的LCD控制系統(tǒng)，利用系統(tǒng)現(xiàn)有的FPGA資源，增加液晶控制的靈活性，由于此時要加外部顯存，成本降低有限。

本文提出了第三種控制LCD顯示器的方法，本方法基于ATERA公司提供的FPGA內嵌Niosii內核構成的嵌入式系統(tǒng)平臺，再利用Niosii內核中SG－DMA和同步視頻信號發(fā)生器兩個組件相結合來控制LCD液晶顯示器，這種方法不用外擴RAM單獨作為顯存，而是利用Niosii系統(tǒng)RAM的部分單元作為顯存，進而降低了產(chǎn)品成本和體積，提高了LCD液晶顯示器的控制速度。

1 基于FPGA芯片Niosii軟核的構建

在ALTERA的開發(fā)環(huán)境quartus II中，直接利用Tools下面的SOPC Builder工具定制所需要的Niosii軟核[3]。這里必須選擇的組件有處理器Niosii Processor，分為經(jīng)濟型、快速型和標準型3種；橋接適配器Bridges and Adapters，內存和內存控制器Memories and Memory Controllers，還有用于調試的JTAG to Avalon Master Bridge。其余的組件，比如標準輸入輸出管腳IO、串行口、SPI、USB等外圍設備可以根據(jù)自己的需要定制，定制界面如圖1所示。

圖1 Niosii軟核及外圍組件的定制

2 SG－DMA組件的工作模式及配置方法

ALTERA公司的開發(fā)工具Quartus ii的最新版本，除了原有的基于avalon－mm總線的DMA之外[8]，增加了 SG－DMA（Scatter－Gather DMA Controller）這種基于avalon－ST流總線的DMA IP核，更適合于大量數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膱龊?，使用起來比較靈活，增加了與外設流器件配合的能力。將CPU的數(shù)據(jù)存儲器SDRAM分割出一部分用作顯存是本文的核心思想。要想實現(xiàn)SDRAM共享，還不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，就需要定制Nios ii內核中的一個重要組件，就是Memories and Memory Controllers下面的 SG－DMA （Scatter－Gather DMA Controller）組件。根據(jù)所需顯存位寬、顯存大小等要求對SGDMA組件進行設置。

SG－DMA控制器內核與外設存儲器的數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。SG－DMA數(shù)據(jù)傳輸模式一共有3種：1）存儲器到存儲器（Memory to memory），2）數(shù)據(jù)流到存儲器（Data stream to memory），3）存儲器到數(shù)據(jù)流（Memory to data stream）。SGDMA組件將非連續(xù)內存數(shù)據(jù)傳送到另一個連續(xù)的地址空間，反之亦可。在實際的應用中可以有不止一個DMA通道，每個通道具有單獨的描述符來定義數(shù)據(jù)傳輸模式。Nios ii用一個獨立的軟件模塊控制所有的DMA通道。

圖2 SG－DMA控制器內核與外設存儲器的數(shù)據(jù)傳輸

本文選擇的是存儲器到數(shù)據(jù)流傳輸模式，SGDMA組件之間將Nios ii CPU寫入SDRAM中的顯示數(shù)據(jù)傳到內部數(shù)據(jù)流部件FIFO中，F(xiàn)IFO再通過數(shù)據(jù)格式轉換組件把顯存數(shù)據(jù)送到同步視頻信號發(fā)生器，最后利用同步視頻信號發(fā)生器產(chǎn)生出合適的信號去控制液晶，直接顯示文字或圖形。由于SG－DMA增加了Descriptor Processor，可以實現(xiàn)批量工作，從而進一步減輕Nios ii主處理器的工作負擔，只需要將Descriptor命令字寫入到相應的Descriptor memory中即可。descriptor memory的設置，原則上只要帶有avalon－mm接口的存儲器都可以用來做descriptor memroy，因此，將decriptor memory與主存分離，由于要把主存的一部分作為顯存來用，本文直接使用主存的一部分作為descriptor memroy。另外，SG－DMA的有關設置，例如channel和error的位數(shù)控制可以參考avalon－st流接口數(shù)據(jù)手冊，依照需要設置接口。

3 同步視頻信號發(fā)生器模塊的驅動

ALTERA公司為了方便用戶對液晶屏幕的驅動，利用SOPC Builter為Nios ii處理器定制適應各種液晶屏幕的視頻信號發(fā)生器（video sync generator）。同步視頻信號發(fā)生器接收RGB格式的連續(xù)顯示數(shù)據(jù)流，按照合適的時序輸出到片外的液晶顯示控制器中。按照不同顯示分辨率和同步時序對視頻信號發(fā)生器進行配置。

為了使同步視頻信號發(fā)生器能夠得到合適的輸入信號，還需要在SG－DMA之后加入FIFO、Pixel Converter和Data Format Adapter 3個組件，連接方式如圖3所示。其中FIFO組件負責數(shù)據(jù)緩存，Pixel Converter組件負責把像素顯示數(shù)據(jù)轉換成適合同步視頻信號發(fā)生器接收格式的數(shù)據(jù)，Data Format Adapter組件負責把1組24位的數(shù)據(jù)流轉換成3組不同顏色的8位數(shù)據(jù)流，最后輸送到視頻信號發(fā)生器組件的輸入端。這4個Nios ii軟核的組件詳細設置可查閱ALTERA的相關文檔。

圖3 顯示同步視頻信號發(fā)生器驅動流程

4 SG－DMA組件的軟件控制

為了方便用戶控制SG－DMA組件，ALTERA公司將Nios ii底層驅動程序集成到一個稱作HAL的系統(tǒng)庫。直接調用HAL庫中的代碼控制SGDMA工作。應用時必須將altera＿avalon＿sgdma＿descriptor.h、altera＿avalon＿sgdma＿regs.h和altera＿avalon＿sgdma.h 3個文件包含到頭文件中?；舅悸肥牵合仍O置好SG－DMA的基本配置，然后設置好SG－DMA的回調函數(shù)，最后啟動SG－DMA完成DMA發(fā)送。由于本文是利用SG－DMA來控制外圍設備液晶屏幕，因此，這里只涵蓋了SG－DMA從內存讀取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)流的過程，具體程序流程如圖4所示。

4 SG－DMA軟件程序流程

5 應用DE0開發(fā)板實現(xiàn)液晶顯示

按照上文的方案，構建出驅動LCD液晶顯示的整體系統(tǒng)如圖5所示。這里的FPGA控制板采用ALTERA公司官方發(fā)布的一款FPGA開發(fā)板（型號DE0），核心FPGA芯片是EP3C16F484C6。液晶屏采用夏普5.7寸LQ057Q3DG02，分辨率為320×240，信號接口是并行RGB信號。經(jīng)過實際驗證，本文提出的控制液晶屏顯示方案確實可行，可以方便地控制各種帶有標準RGB信號接口的液晶顯示器，應用到實際項目中。

圖5 開發(fā)板和液晶屏連接

6 結束語

實驗證明，利用本文Nios ii內核組件控制LCD液晶屏幕的方法是可行的。顯示文字和圖形的效果非常好，屏幕更新速度快，可以流暢地顯示動態(tài)圖像。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點是巧妙地利用Nios ii內核SGDMA等組件，將Nios ii CPU本身使用的SDRAM部分空間作為顯存，即節(jié)省了硬件成本，又簡化了電路板布線的復雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)可以靈活定制顯存的大小，根據(jù)不同型號液晶屏來設置視頻信號發(fā)生器的數(shù)據(jù)輸出格式。本方案接口電路靈活，穩(wěn)定可靠，廣泛應用到各種工業(yè)顯示系統(tǒng)中。

[1]陳卓，楊愛良，王驥.基于PLB總線的多通道SGDMA設計[J].航空電子技術，2009（1）：12－15.

[2]王慧，郭攀鋒.液晶顯示控制器ST7565R的研究與編程[J].電子技術應用，2009（12）：53－56.

[3]李蘭英.Nios II嵌入式軟核SOPC設計原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：25－40.

[4]彭宏，曾江波.基于SOPC的GPONONU硬件平臺設計與實現(xiàn)[J].光通信技術，2009（7）：38－41.

[5]秦進平，劉海成，周正林.數(shù)字電子與EDA技術[M].北京：科學出版社，2011：108－135.

[6]劉建平，曾文海.采用FPGA的LCD轉VGA控制器的設計[J].計算機系統(tǒng)應用，2011（10）：71－73.

[7]陳重，李浩，陳曦.新型高分辨率LCD控制器的設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2011（6）：123－126.

[8]鮑凱凱，彭華，鄭彪.MSP430采樣數(shù)據(jù)與外設間的DMA傳輸[J].信息技術，2011（10）：139－141.

[9]李鋼.STM32直接驅動RGB接口的TFT數(shù)字彩屏設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（8）：28－30.

[10]彭晴晴，孟令軍.基于NiosⅡ的LVDS圖像數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)的設計[J].電視技術，2011（13）：28－30.