Altera公司的Nios嵌入式軟核處理器以其成本低廉，設(shè)計靈活等特點，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時LCD也越來越多地在各種儀器儀表和測控系統(tǒng)中作為人機界面和顯示模塊。本文利用SOPC技術(shù)實現(xiàn)了一種基于Nios嵌入式軟核處理器的液晶顯示屏的設(shè)計方案，并給出了對該液晶屏進(jìn)行控制的硬件接口電路、軟件編寫流程以及相應(yīng)程序。

0引言

LCD液晶顯示滿足嵌入式系統(tǒng)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(wěn)定可靠、成本低、功耗小、控制驅(qū)動方便、接口簡單易用、模塊化結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和重量輕等優(yōu)點。NiosⅡ是一種可配置的16/32位RISC處理器，它結(jié)合豐富的外設(shè)專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(tǒng)，開發(fā)者根據(jù)實際需要自行整合。Altera公司所有主流FPGA器件都支持NiosⅡ。將LCD驅(qū)動與NiosⅡ相結(jié)合可以得到一個擴展性強、通用的IP核，從而解決不同型號液晶屏之間的驅(qū)動差異問題。

1 NiosⅡ軟核處理器和SOPC

設(shè)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200 DMIPS，32位數(shù)據(jù)和地址、采用32位指令、32個外部中斷源和32位通用寄存器；NiosⅡ支持幾十個外設(shè)選項，開發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè)，獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合。

現(xiàn)在，在一片F(xiàn)PGA芯片上可以實現(xiàn)如MCU、DSP、PCI總線控制和各種控制算法等復(fù)雜的功能。FPGA芯片密度已達(dá)到百萬門級，由于FPGA芯片密度的提高和EDA開發(fā)工具的不斷更新，利用FPGA器件實現(xiàn)SOC已成為可能，這項技術(shù)稱為嵌入式SOPC技術(shù)。SOPC技術(shù)既具有基于ASIC的系統(tǒng)級芯片設(shè)計的特征，又具有基于模板級設(shè)計的特征，具有了可重構(gòu)性、高效自動化的設(shè)計方法。Altera推出的NiosⅡ為設(shè)計者提供了FPGA優(yōu)化的嵌入式處理器，以及為SOPC設(shè)計了一套綜合解決方案。

NiosⅡ處理器具有完善的軟件開發(fā)套件，包括集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、編譯器、MC調(diào)試器、TCP/IP協(xié)議棧和實時操作系統(tǒng)（RTOS）。設(shè)計者能夠用Altera QuartusⅡ開發(fā)軟件中的SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具創(chuàng)建用戶定制的CPU和外設(shè)電路，獲得設(shè)計需要的處理器系統(tǒng)。

利用SOPC Builder開發(fā)工具創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，需要進(jìn)行SOPC的嵌入式處理器芯片內(nèi)部資源的選擇和軟件設(shè)計。SOPC Builder工具通過加載NiosⅡ軟核和外圍接口的定義來配置一個高集成度的SOPC系統(tǒng)的嵌入式處理器芯片。

圖1是一個液晶顯示的SOPC系統(tǒng)的NiosⅡ處理器，主要端口包括復(fù)位信號、全局輸入時鐘和一些I/O端口。因NiosⅡ是在FPGA芯片內(nèi)實現(xiàn)的，那么它既可以通過FPGA的引腳連到外部設(shè)備，也可以直接連到FPGA芯片內(nèi)的其他電路上。FPGA片內(nèi)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，從而實現(xiàn)系統(tǒng)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，與同類產(chǎn)品相比其主要特點有：

（1）有較強功能的I/O控制器；

（2）指令簡單；

（3）8位并行I/O口；

（4）文本和圖形方式混合顯示。

YM12864J的I/O接口見表1.

3 FPGA與LCD的接口電路

本設(shè)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(dāng)作外部存儲器，利用Ext_Shared_Bus的數(shù)據(jù)和地址總線對其進(jìn)行控制；第二種是把LCD接口當(dāng)作普通的外部設(shè)備GPIO進(jìn)行操作，通過對I/O口的操作來控制LCD的數(shù)據(jù)以及讀、寫使能，片選。一般地，對于不太復(fù)雜的系統(tǒng)，把外部設(shè)備看作是普通PIO是比較簡單的方法，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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)硬件上電復(fù)位后，初始化函數(shù)會對硬件層進(jìn)行初始化配置，包括I/O口的方向配置。在對系統(tǒng)硬件層正確的初始化以后，可以通過Nios將數(shù)據(jù)直接送至SED1330顯示緩沖區(qū)，應(yīng)用層函數(shù)會對液晶的控制器發(fā)送控制命令和顯示數(shù)據(jù)，然后液晶屏就會顯示用戶想要顯示的內(nèi)容，本設(shè)計應(yīng)用層設(shè)計了一些基本的顯示函數(shù)，可以顯示字符，漢字和簡單的圖形，用戶只需調(diào)用一些顯示函數(shù)就可以顯示內(nèi)容，系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖3所示。

初始化函數(shù)的作用對液晶顯示器的控制器發(fā)送初始化命令。發(fā)送指令的方法如下：根據(jù)I/O的配置，先將命令數(shù)據(jù)送到與SED1330控制器的命令口相連的I/O口，然后把該命令的參數(shù)依次送到數(shù)據(jù)口地址。初始化代碼如下：

該程序主要包括頭文件lcd.h及主程序hello_world.c.

頭文件lcd.h的主要程序如下：