基于NiosII軟核的圖形用戶(hù)接口設計

摘要 采用SOPC可編程片上系統技術(shù)，將NiosII32位處理器軟核嵌入到FPGA現場(chǎng)可編程門(mén)陣列中。通過(guò)VGA顯示控制模塊，構建VGA顯示系統，該系統具有體積小、功耗低、可靠性強等特點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)軟硬件結合設計，使得系統更有利于修改和重復使用。

關(guān)鍵詞 SOPC;VGA控制;NiosII;FPGA

隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式計算機系統開(kāi)始從MCU逐步過(guò)渡到SOC的新階段。SOPC是一種靈活、高效的SOC解決方案。其集成了處理器、存儲器、各種外圍設備等系統設計需要的部件，構建成一個(gè)可編程的片上系統，設計方式靈活，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

1 系統總體結構設計

系統主要由以下4部分組成：(1)VGA控制器、SDRAM控制器、SRAM控制器等外設接口的設計。(2)Nios II軟核SOPC系統的配置。(3)Nios II處理器與外設模塊的融合。(4)GUI函數庫的建立。系統主要分為硬件和軟件兩部分，部分硬件采用DE2上的硬件電路，其中有些電路的控制器采用硬件描述語(yǔ)言生成;軟件則采用Nios II編譯器書(shū)寫(xiě)。

2 VGA時(shí)序控制模塊設計

由于要實(shí)現VGA的實(shí)時(shí)顯示，便需要給VGA一個(gè)顯存，使得VGA顯示的信息能夠緩存和切換。出于速度的考慮，顯存模塊的讀寫(xiě)速度要求較高，否則會(huì )出現卡殼現象?？刹捎玫拇鎯ζ鞣謩e有Flash，SRAM，SDRAM，其中SRAM的速度較快，可以選用。是一種具有靜止存取功能的內存，無(wú)需刷新電路即能保存其內部存儲的數據，具有較好的存儲性能。

常見(jiàn)的VGA彩色顯示器，通常由CRT(陰極射線(xiàn)管)構成。彩色由紅、綠、藍三基色構組成。顯示是用逐行掃描的方式解決，一般把要顯示的數據存放于存儲器單，如果要把存儲器里的圖像顯示在VGA顯示器上，以640×480，59.94 Hz(60 Hz)為例。具體行場(chǎng)同步時(shí)序要求如圖1所示。

?

?

根據上述的時(shí)序參數以及目標板上的時(shí)鐘頻率，對其行頻和場(chǎng)頻的時(shí)序控制采用點(diǎn)和行計數的方法，場(chǎng)信號和行信號按照時(shí)序圖設計，當像素或行數達到相應的狀態(tài)后即改變場(chǎng)信號和行信號的值。系統所需的像素時(shí)鐘可以用鎖相環(huán)實(shí)現。

3 VGA數據緩存模塊設計

數據緩存模塊式通過(guò)Altera提供的SOPC工具中，Avalon總線(xiàn)上掛的一個(gè)SRAM控制器來(lái)實(shí)現數據的讀寫(xiě)功能，Avalon總線(xiàn)與SRAM的接口對用戶(hù)是透明的。只需編寫(xiě)Avalon主端口模塊，用于控制Avalon總線(xiàn)的主端口信號，從而實(shí)現數據的讀寫(xiě)。Avalon總線(xiàn)同時(shí)被2個(gè)主外設共同使用，Nios II處理器將需要顯示的數據通過(guò)主端口寫(xiě)入到SRAM，VGA顯示模塊通過(guò)主端口將數據從SRAM中讀出到VGA接口顯示器上顯示。當系統中存在多個(gè)主外設時(shí)，SOPC系統會(huì )自動(dòng)進(jìn)行總線(xiàn)仲裁，產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)先級，控制對Avalon總線(xiàn)的使用情況。

當某主外設要發(fā)起總線(xiàn)請求時(shí)，可能Avalon總線(xiàn)不能馬上作出響應而處于等待狀態(tài)。Nios II處理器將準備顯示的數據發(fā)送后要求立即存入到存儲器中，否則到下一個(gè)周期數據將會(huì )更新，從而導致數據丟失，此時(shí)Avalon總線(xiàn)需將信號設置為等待狀態(tài)。因此必須將數據暫時(shí)存儲在緩沖區中，待Avalon總線(xiàn)響應寫(xiě)傳輸時(shí)再將其從緩沖區中讀出寫(xiě)入到存儲器中。用一個(gè)先進(jìn)先出的FIFO作為緩沖器能夠滿(mǎn)足以上條件，通過(guò)時(shí)鐘來(lái)控制FIFO的寫(xiě)入和讀出。

4 結束語(yǔ)

試驗結果證明，運行在FPGA中的SOPC系統可以控制VGA顯示器，并將VGA成功驅動(dòng)，而且能夠進(jìn)行畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線(xiàn)、畫(huà)矩形、畫(huà)圓以及16×16漢字和8×16 ASCII字符混排的顯示，同時(shí)達到了圖像的彩色顯示要求。