【摘 要】采用了Cyclone II芯片為核心構(gòu)建SOPC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD12864液晶模塊的控制。該系統(tǒng)通過(guò)QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境和SOPC Builder工具創(chuàng)建了NiosII處理器，并通過(guò) Avalon 總線連接片內(nèi)、片外模塊和設(shè)備，完成對(duì)信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理。

【關(guān)鍵詞】SOPC LCD12864 NiosII

一、 引言

LCD12864液晶顯示模塊功耗低，畫(huà)面清晰穩(wěn)定，重量輕，易于攜帶調(diào)節(jié)，非常適合在便攜式儀器上使用。隨著工藝的成熟，12864液晶模塊的價(jià)格日益走低，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)顯示，以及對(duì)片上處理數(shù)據(jù)等方面提出了更高的要求，單片機(jī)系統(tǒng)受到處理速度和架構(gòu)的限制顯得力不從心?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）結(jié)合了AISC架構(gòu)和EDA技術(shù)的特點(diǎn)，是解決上述需求的有效方案。

二、SOPC技術(shù)

SOC（system on chip）即片上系統(tǒng)，將微處理器CPU、存儲(chǔ)器、各類控制器、總線、外圍設(shè)備接口等集成到一塊芯片上，把多個(gè)芯片、器件的功能集中到一塊芯片上，形成完整的電子系統(tǒng)。SOPC是基于FPGA解決方案的SOC，可擴(kuò)充、可裁減、可升級(jí)，可在特定的開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行各種配置和編程[1]。SOPC采用了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率；采用了統(tǒng)一工具和表示方法，對(duì)軟硬件進(jìn)行合理劃分，配置系統(tǒng)功能，對(duì)功耗、資源利用、性能等各個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡，得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)；采用協(xié)同仿真的方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全局的設(shè)計(jì)驗(yàn)證[2]。

本文采用了Altera公司的CycloneII EP2C35芯片來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)。該芯片內(nèi)嵌可配置的Nios II軟核處理器。NiosII處理器是32位結(jié)構(gòu)的RISC微處理器，它包含五級(jí)流水線，采用改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu)。SOPC系統(tǒng)采用Avalon總線作為系統(tǒng)總線，它是用于微處理器與模塊和外設(shè)的內(nèi)聯(lián)總線，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的主要信道，使用從屬設(shè)備仲裁技術(shù)，減少訪問(wèn)沖突實(shí)現(xiàn)，能進(jìn)行多路數(shù)據(jù)同時(shí)處理[3]。NiosII系統(tǒng)具有豐富的IP核資源，如以太網(wǎng)控制器、UART控制器、存儲(chǔ)控制器等外設(shè)都可以選擇配置；設(shè)計(jì)者也可以自己編寫(xiě)控制模塊添加到系統(tǒng)中。

三、系統(tǒng)概述

（一） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由FPGA、SRAM、FLASH、LCD12864、時(shí)鐘模塊、RS232構(gòu)成。FPGA用于構(gòu)建SOPC系統(tǒng)，作為控制核心；SRAM用于緩存圖像數(shù)據(jù)；FLASH存放編寫(xiě)的應(yīng)用程序、字庫(kù)文件；RS232用于與PC通信；時(shí)鐘模塊向FPGA提供時(shí)鐘信號(hào)。FPGA內(nèi)部包括NiosII處理器、Avalon總線、PIO模塊，SRAM、FLASH、UART和12864的控制器（如圖1所示）。NiosII處理器通過(guò)Avalon總線與各模塊進(jìn)行通信，各模塊均需要掛在Avalon總線上。PIO，SRAM、FLASH和UART的控制器通過(guò)IP核生成。12864的控制器需通過(guò)編寫(xiě)設(shè)計(jì)，作為自定義主件添加到SOPC系統(tǒng)中。

（二）SOPC系統(tǒng)創(chuàng)建

構(gòu)建SOPC系統(tǒng)需要使用QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境和SOPC Builder工具，具體流程如下：用QuartusⅡ創(chuàng)建工程、用SOPC Builder創(chuàng)建NiosII系統(tǒng)、添加NiosII軟核、添加IP核、添加自定義模塊、生成NiosII系統(tǒng)文件并加入工程。

四、液晶控制模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了專門(mén)的液晶控制模塊（LCD Controller，簡(jiǎn)稱LCDC）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD12864的控制。LCDC包含功能寄存器、控制邏輯、時(shí)序控制器三個(gè)模塊，擁有一個(gè)Avalon從控接口和Avalon主控接口（如圖2所示）。

系統(tǒng)將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)SRAM控制器送往SRAM存儲(chǔ)。LCDC面向處理器Nios II提供Avalon從控接口，此時(shí)Nios II作為主設(shè)備，LCDC作為從設(shè)備。Nios II通過(guò)從控接口對(duì)LCDC的功能寄存器模塊進(jìn)行設(shè)置配置，功能寄存器包括傳輸模式（串、并）選擇，片選、復(fù)位、使能等基本操作，集成18條用戶指令集；Nios II啟動(dòng)SRAM控制器讀取SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)，SRAM控制器通過(guò)Avalon從控接口上傳數(shù)據(jù)到總線，LCDC面向SRAM控制器提供主控接口，讀取Avalon總線數(shù)據(jù)。LCDC根據(jù)功能寄存器的內(nèi)容產(chǎn)生控制邏輯，并按12864的需求通過(guò)時(shí)序控制器提供工作時(shí)序信號(hào)，發(fā)送指令，傳輸圖像數(shù)據(jù)。

五、液晶硬件電路

LCD12864顯示內(nèi)容為128列 X 64行，支持黃綠兩種顏色顯示，支持并行（8位）和串行數(shù)據(jù)通信。LCD12864共有20個(gè)引腳，DB0～DB7為8位數(shù)據(jù)端口，在并行模式下接受指令和圖像數(shù)據(jù)；PSB為串、并選擇端，RET為復(fù)位；RS（CS） 為并行的指令或數(shù)據(jù)選擇信號(hào)（串行的片選信號(hào)）；R/W（SID）為并行的讀寫(xiě)選擇信號(hào)（串行的數(shù)據(jù)口）；E（CLK） 為并行的使能信號(hào)（串行的同步時(shí)鐘），以上端口直接連到FPGA。

六、軟件設(shè)計(jì)

NiosⅡ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）是Altera公司為 NiosⅡ系列軟核處理器提供的基本軟件開(kāi)發(fā)工具，它提供了一整套的管理工具，能完成軟件開(kāi)發(fā)，能對(duì)源代碼進(jìn)行編輯、編譯、調(diào)試、連接、下載等[4]。

由于篇幅有限，此處給出并行模式顯示程序（如圖3所示）。此模式下，LCDC向RS、RW、E發(fā)送工作時(shí)序，向DB0～DB7發(fā)送8位指令數(shù)據(jù)和位點(diǎn)數(shù)據(jù)。

七、結(jié)論

根據(jù)LCD12864的顯示要求，提出了基于SOPC利用嵌入Nios II軟核的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)顯示控制設(shè)計(jì)的方案。本方案結(jié)合了ASCI架構(gòu)和EDA設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，在液晶屏上實(shí)現(xiàn)了圖形、漢字、英文、數(shù)字的顯示，圖像穩(wěn)定，效果良好；同時(shí)以Nios II軟核處理器為核心，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘宗樹(shù). 基于Nios II的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].武漢： 武漢科技大學(xué)，2007

[2] 張丹. 基于SOPC嵌入式系統(tǒng)中軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，32（6）：39-44

[3] 路秋英. 基于Nios II軟核的LED顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2008

[4] 時(shí)建雷. 面向SOPC的圖形顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江蘇：江蘇大學(xué)，2007