基于NiosⅡ的的液晶顯示屏設計

0 引言

LCD液晶顯示滿(mǎn)足嵌入式系統日益提高的要求，特別在工業(yè)控制和消費電子領(lǐng)域，具有穩定可靠、成本低、功耗小、控制驅動(dòng)方便、接口簡(jiǎn)單易用、模塊化結構緊湊、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。Nios Ⅱ是一種可配置的16/32位RISC處理器，它結合豐富的外設專(zhuān)用指令和硬件加速單元可以低成本地提供極度靈活和功能強大的SOPC 系統，開(kāi)發(fā)者根據實(shí)際需要自行整合。Altera 公司所有主流FPGA 器件都支持Nios Ⅱ。將LCD驅動(dòng)與Nios Ⅱ相結合可以得到一個(gè)擴展性強、通用的IP核，從而解決不同型號液晶屏之間的驅動(dòng)差異問(wèn)題。

1 NiosⅡ軟核處理器和SOPC

設計NiosⅡ核用占用不到一半的FPGA 資源，可計算增加1 倍以上的信息。NiosⅡ嵌入式處理器性能超過(guò)200 DMIPS,32 位數據和地址、采用32 位指令、32 個(gè)外部中斷源和32位通用寄存器;Nios Ⅱ支持幾十個(gè)外設選項，開(kāi)發(fā)者能夠選擇合適的外設，獲得最合適的處理器、外設和接口組合。

現在，在一片FPGA芯片上可以實(shí)現如MCU、DSP、PCI總線(xiàn)控制和各種控制算法等復雜的功能。FPGA芯片密度已達到百萬(wàn)門(mén)級，由于FPGA芯片密度的提高和EDA開(kāi)發(fā)工具的不斷更新，利用FPGA器件實(shí)現SOC已成為可能，這項技術(shù)稱(chēng)為嵌入式SOPC技術(shù)。SOPC技術(shù)既具有基于A(yíng)SIC 的系統級芯片設計的特征，又具有基于模板級設計的特征，具有了可重構性、高效自動(dòng)化的設計方法。Altera推出的Nios Ⅱ為設計者提供了FPGA優(yōu)化的嵌入式處理器，以及為SOPC設計了一套綜合解決方案。

Nios Ⅱ處理器具有完善的軟件開(kāi)發(fā)套件，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、編譯器、MC調試器、TCP/IP協(xié)議棧和實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)。設計者能夠用Altera Quartus Ⅱ開(kāi)發(fā)軟件中的SOPC Builder系統開(kāi)發(fā)工具創(chuàng )建用戶(hù)定制的CPU 和外設電路，獲得設計需要的處理器系統。

利用SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具創(chuàng )建專(zhuān)用的處理器系統，需要進(jìn)行SOPC 的嵌入式處理器芯片內部資源的選擇和軟件設計。SOPC Builder工具通過(guò)加載Nios Ⅱ軟核和外圍接口的定義來(lái)配置一個(gè)高集成度的SOPC 系統的嵌入式處理器芯片。

圖1 是一個(gè)液晶顯示的SOPC 系統的Nios Ⅱ處理器，主要端口包括復位信號、全局輸入時(shí)鐘和一些I/O端口。因Nios Ⅱ是在FPGA芯片內實(shí)現的，那么它既可以通過(guò)FPGA的引腳連到外部設備，也可以直接連到FPGA芯片內的其他電路上。FPGA 片內未被使用的資源仍然同樣可以被配置成為其他的模塊使用，從而實(shí)現系統的SOC集成。

2 液晶屏控制器的選擇

這里使用的是一塊YM12864J的液晶顯示模塊，它已集成了SED1330作為液晶顯示屏的控制器，與同類(lèi)產(chǎn)品相比其主要特點(diǎn)有：

(1)有較強功能的I/O控制器;

(2)指令簡(jiǎn)單;

(3)8位并行I/O口;

(4)文本和圖形方式混合顯示。

YM12864J的I/O接口見(jiàn)表1.

3 FPGA 與LCD 的接口電路

本設計選擇的液晶顯示屏已經(jīng)和控制器集成在了一起，外圍電路就比較簡(jiǎn)單，只有FPGA 芯片和液晶控制模塊的連接。這里有兩種方案可以考慮，第一種是把液晶顯示模塊當作外部存儲器，利用Ext_Shared_Bus的數據和地址總線(xiàn)對其進(jìn)行控制;第二種是把LCD 接口當作普通的外部設備GPIO進(jìn)行操作，通過(guò)對I/O口的操作來(lái)控制LCD 的數據以及讀、寫(xiě)使能，片選。一般地，對于不太復雜的系統，把外部設備看作是普通PIO是比較簡(jiǎn)單的方法，所以在這里采用第二種方案，Nios 與LCD模塊的接口電路如圖2所示。

4 系統軟件設計

系統硬件上電復位后，初始化函數會(huì )對硬件層進(jìn)行初始化配置，包括I/O口的方向配置。在對系統硬件層正確的初始化以后，可以通過(guò)Nios 將數據直接送至SED1330顯示緩沖區，應用層函數會(huì )對液晶的控制器發(fā)送控制命令和顯示數據，然后液晶屏就會(huì )顯示用戶(hù)想要顯示的內容，本設計應用層設計了一些基本的顯示函數，可以顯示字符，漢字和簡(jiǎn)單的圖形，用戶(hù)只需調用一些顯示函數就可以顯示內容，系統的軟件設計流程如圖3所示。