基于Avalon總線的LCD組件設計

鄭恭明，沈媛媛，陳永軍 （長江大學電子信息學院，湖北 荊州434023）

12864液晶模塊的顯示分辨率為128×64，其接口靈活、指令簡單、操作方便，既可顯示8×4行16×16點陣漢字又可完成圖形顯示，構成全中文的人機交互圖形界面，因而被廣泛應用。可編程片上系統SOPC （System on a Programmable Chip）［1］是以Altera推出的第二代軟核 NiosⅡ處理器為核心的嵌入式系統，包括硬件的配置、設計、仿真與軟件的設計、調試等。其開發流程包括2個方面，即基于QuartusⅡ、SOPC Builder的硬件設計與基于NiosⅡIDE的軟件設計。在NiosⅡ系統的構建過程中，SOPC Builder開發環境集成了常用類型的設備模型，供開發者調用。下面，筆者基于Avalon總線進行LCD組件設計。

1 LCD IP核設計

片上可編程 （SOPC）技術可以根據具體的點陣LCD顯示模塊設計對應的驅動程序，對不同類型的點陣LCD顯示模塊完成對應的算法，提供相應的時序信號和數據信號。此外，可以根據不同的微處理器設計出對應的接口，適用于不同的操作，通過相關電路設計在一定程度上減輕微處理器的負擔。

SOPC Builder開發工具允許用戶依據相應規則擴展其所需設備組件IP（Intellectual Property）核，完成系統的設計和開發，開發者按照Avalon總線規范將設備驅動程序集成到SOPC Builder的硬件抽象層 （HAL）中，在SOPC Builder環境下加載使用，從而方便用戶開發一個自定制的片上系統［2－3］。

1.1 硬件設計

設計時采用自頂向下的設計和自底向上的實現思想，將其分為3個功能模塊：接口模塊 （avalon interface）作為頂層模塊，定義總線接口信號；寄存器文件模塊 （register file）完成IP核與外部模塊進行通信，提供訪問與控制元件的邏輯界面；任務邏輯模塊 （task logic）實現元件的硬件功能［4］。從最底層的模塊開始編程實現，只要保證下層模塊的正確性，上層模塊的正確性也就容易得到保證。

1）接口模塊 接口模塊作為頂層模塊，為寄存器文件模塊提供了一個標準的Avalon前端。它遵循Avalon總線的規范，實現對LCD IP核寄存器的訪問，并支持任務邏輯的傳輸類型［3］。總線接口主要完成從NiosⅡ處理器接收指令和數據，實現對IP核的復位、片選、尋址及內部寄存器進行讀寫等操作。LCD接口信號如表1所示。

2）寄存器文件模塊 寄存器文件模塊提供了IP核與外界交換信息的途徑，依據寄存器文件，可以通過Avalon接口采用“基地址＋地址偏移量”的方式來訪問IP核內部的各個寄存器。LCD IP核內部寄存器如表2所示。

表1 LCD接口信號

表2 LCD IP核內部寄存器

在HDL文件中，如果reset＿n、chipselect、write均等于 ‘1’，且address信號為‘0’時，將write＿data的數據寫入Lcd＿e控制寄存器；address信號為 ‘1’時，將write＿data的數據寫入Lcd＿rw控制寄存器；address信號為 ‘2’時，將write＿data的數據寫入Lcd＿rs控制寄存器；address信號為 ‘3’時，將write＿data的數據寫入Lcd＿data數據寄存器。從而實現對LCD的顯示控制。

3）VerilogHDL實現 利用Altera公司提供的Component Editor工具可以設計符合時序要求的外設接口，并且可以將用戶開發驅動程序與NiosⅡHAL（硬件抽象層）系統庫集成在一起，形成NiosⅡ 的接口組件，在系統生成的時候，對外設進行初始化設置。在建立新工程時，只需將接口組件添加到系統即可，這樣對組件的訪問變得輕松，并使得代碼可重復利用。LCD組件的代碼如下：

1.2 軟件設計

NiosⅡHAL系統庫是一個輕量級實時環境，提供一個組件驅動接口，使得程序與底層硬件通信。HAL API（應用程序接口）與ANSI C標準庫集成在一起，允許用戶通過庫函數訪問設備和文件，例如printf（）、fopen（）和fwrite（）等，這樣其他開發者無需知道底層硬件結構就可以對組件進行操作［4］。以下是對LCD寄存器的讀寫操作函數和功能函數的接口程序設計。

2 系統測試

構建SOPC系統是硬件開發的重點部分，需要添加7個模塊，分別是NiosⅡ中央處理器、JTAG UART串行通信接口、SDRAM存儲器、PIO口按鍵、設計的LCD2864組件、RAM片上存儲器和PIO數據交換模塊 （見 圖1（a））。建好SOPC系統后再通過添加輸入、輸出管腳，選擇對應的鎖相環PLL模塊并與SOPC系統連接，分配管腳等步驟 （見圖1（b））。

軟件設計是在硬件系統搭建完畢的基礎上在NiosⅡIDE軟件中完成的，主要采用C語言進行編程設計，并在工程中加入驅動函數進行驗證。在系統的硬件開發和軟件開發完成后，將配置文件和編譯好的程序下載到以EP3C16Q240FPGA芯片為核心的開發板進行測試，圖片、字符和圖形的顯示效果圖如圖2所示。

3 結 語

在QuartusⅡ和NiosⅡ開發環境下，完成了基于SOPC技術的液晶顯示屏的圖形與字符顯示的軟硬件協同設計。該設計組件可移植性好，可以根據需要改變點陣LCD顯示模塊的顯示內容。SOPC技術的靈活性使設計修改和產品升級變得簡單，同時也提高了電子系統的靈活性和通用性。

圖1 SOPC測試系統設計

圖2 測試效果圖

［1］楊軍 .基于FPGA的SOPC實踐教程 ［M］.北京：科學出版社，2011.

［2］劉敏，戴曙光，穆平安 .采用SOPC IP核技術實現液晶屏顯示 ［J］.液晶與顯示，2011，26（5）：665－672.

［3］高楓，玉松 .基于Nios自定制Avalon設備的設計與實現 ［J］.中國測試技術，2007（7）：105－108.

［4］蔡偉綱 .NiosⅡ軟件架構解析 ［M］.西安：電子科技大學出版社，2007.