SoPC在參數(shù)化TFT-LCD控制器IP核設(shè)計(jì)的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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System-on-a-Programmable-Chip,即可編程片上系統(tǒng)。用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱(chēng)作SOPC.可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而B(niǎo)GA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來(lái)，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀ChipScopeILA就是一種價(jià)廉物美的片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具。

本文中提出一種基于SoPC的參數(shù)化TFT-LCD控制器IP核設(shè)計(jì)，用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)控制器的邏輯功能，這種參數(shù)化的組件設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的通用性和兼容性。

1通用冊(cè)LCD控制器總體設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中，LCD控制器是非常重要的片上外圍設(shè)備，處理器通過(guò)LCD控制器來(lái)完成對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)器的控制，終實(shí)現(xiàn)LCD屏的點(diǎn)亮操作。由于LCD顯示驅(qū)動(dòng)器只是一個(gè)被動(dòng)系統(tǒng)，還需要有控制電路提供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所必須的掃描時(shí)序信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)。處理器通過(guò)對(duì)LCD控制器的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD顯示掃描時(shí)序的設(shè)置和顯示數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，從而完成對(duì)LCD的顯示操作，其原理圖如圖1所示。

在SoPCBuilder中以自定義組件的形式對(duì)LCD控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，該控制器組件具有Avalon總線接口，可以很容易地將其與其他標(biāo)準(zhǔn)IP核一起構(gòu)建以。NiosⅡCPU為的片上系統(tǒng)。NiosⅡ處理器通過(guò)Avalon從端口對(duì)LCD控制器的寄存器組進(jìn)行配置，針對(duì)設(shè)計(jì)中幀緩存讀操作的特點(diǎn)，選擇以Avalon主端口接口的形式對(duì)幀緩存中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)讀取，并實(shí)現(xiàn)IP核參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高控制器對(duì)于其他不同規(guī)格TFT液晶屏的復(fù)用性。該控制器還包含硬件光標(biāo)功能，為添加外部鼠標(biāo)設(shè)備接口提供了方便。LCD控制器的具體設(shè)計(jì)思路是在SDRAM中開(kāi)辟一段存儲(chǔ)空間，用來(lái)存放屏幕圖像數(shù)據(jù)，稱(chēng)之為幀緩存。通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)挠布壿媮?lái)建立幀緩存與屏幕圖像像素之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并配合LCD顯示所需的行、場(chǎng)時(shí)序信號(hào)，將幀緩存中的數(shù)據(jù)不斷地輸給LCD,用以完成終的顯示刷新。LCD控制器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

LCD控制器的具體工作流程為刷新周期開(kāi)始時(shí)，主端口模塊根據(jù)幀緩存地址生成邏輯所產(chǎn)生的地址完成主端口的讀操作，實(shí)現(xiàn)幀緩存中數(shù)據(jù)的讀取，并將該數(shù)據(jù)輸送給輸出緩沖模塊。同時(shí)，時(shí)序信號(hào)生成模塊依據(jù)LCD屏的時(shí)序規(guī)范生成行、場(chǎng)同步信號(hào)，以及與像素?cái)?shù)據(jù)同步的相關(guān)顯示點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。

設(shè)計(jì)的LCD控制器包含硬件光標(biāo)顯示模塊，所以在進(jìn)行屏幕顯示時(shí)，像素輸出控制邏輯有兩部分的數(shù)據(jù)，一部分為從幀緩存中讀取的屏幕數(shù)據(jù)；另一部分為硬件光標(biāo)的顯示數(shù)據(jù)。，像素輸出控制邏輯根據(jù)從端口模塊中各個(gè)系統(tǒng)寄存器內(nèi)的信息向LCD屏幕發(fā)送將要顯示的圖像數(shù)據(jù)。

2硬件光標(biāo)模塊設(shè)計(jì)

硬件光標(biāo)模塊為L(zhǎng)CD控制器設(shè)計(jì)帶鼠標(biāo)光標(biāo)的顯示功能，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中添加鼠標(biāo)接口提供了方便。光標(biāo)顯示的實(shí)現(xiàn)方式有硬件方式和軟件方式，軟件方式比較復(fù)雜，且占用大量的CPU處理時(shí)間；硬件方式用硬件邏輯資源來(lái)實(shí)現(xiàn)，處理速度快，不占用CPU時(shí)間。硬件方式的設(shè)計(jì)思路是為光標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)設(shè)置單獨(dú)的存儲(chǔ)空間（RAM）用以保存，當(dāng)LCD屏幕需要對(duì)光標(biāo)進(jìn)行顯示時(shí)，由硬件邏輯負(fù)責(zé)在輸出光標(biāo)和背景圖像之間做出選擇。而軟件部分只需簡(jiǎn)單地修改光標(biāo)坐標(biāo)寄存器的值，就可以完成光標(biāo)在屏幕上的顯示操作。采用這種方法，大大提高了系統(tǒng)性能。硬件光標(biāo)RAM模塊是通過(guò)MegWizardPlug-InManager編輯器生成的，終生成的存儲(chǔ)光標(biāo)圖像數(shù)據(jù)的雙口RAM如圖3所示。

3LCD控制器組件設(shè)計(jì)

LCD液晶顯示器是LiquidCrystalDisplay的簡(jiǎn)稱(chēng)，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面。比CRT要好的多，但是價(jià)錢(qián)較其貴。生命周期設(shè)計(jì)（LifeCycleDesign）又稱(chēng)生態(tài)設(shè)計(jì)（Eco-Design）。它是從產(chǎn)品性能、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)可行性的角度，考慮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全生命周期（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原材料的提取、產(chǎn)品的制造、包裝、銷(xiāo)售和使用、用后的回收與處置全過(guò)程）的污染預(yù)防要求，多級(jí)使用資源與能源，以降低產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，使其與地球的承載能力相一致。

將LCD控制器按總體設(shè)計(jì)要求編寫(xiě)相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言代碼，其端口定義的程序主要有系統(tǒng)時(shí)鐘、LCD時(shí)鐘、Avalon從端口、Avalon主端口和LCD輸出的定義。程序的主要內(nèi)容有各種寄存器和連線的定義，行場(chǎng)參數(shù)的設(shè)定，行掃描狀態(tài)機(jī)、場(chǎng)掃描狀態(tài)機(jī)、Avalon主端口讀控制邏輯狀態(tài)機(jī)、幀緩存地址生成邏輯、LCD有效顯示數(shù)據(jù)信號(hào)生成邏輯、硬件光標(biāo)模塊和兩個(gè)例化模塊的調(diào)用等。終生成的元件符號(hào)如圖4所示。

組件編輯器是SoPCBuilder的一個(gè)重要組成部分，可以使用該工具將用戶(hù)定制邏輯封裝成組件，并在SoPCBuilder環(huán)境中像其他標(biāo)準(zhǔn)組件一樣使用。在SoPCBuilder環(huán)境下，啟動(dòng)組件編輯器，按照組件編輯圖形用戶(hù)界面的提示，做相應(yīng)的操作。主要有導(dǎo)入硬件HDL代碼LCD-INTERFACE,為硬件邏輯代碼中的信號(hào)指定Avalon信號(hào)類(lèi)型、Avalon接口設(shè)計(jì)和設(shè)置添加組件的界面向?qū)У?，就生成了用?hù)自定義的組件

LCD_INTERFACE.它以IP核的形式存放在SoPCBuilder的組件庫(kù)中供設(shè)計(jì)使用，把液晶顯示控制器設(shè)計(jì)成Avalon總線的slave設(shè)備。由于該控制器是參數(shù)化的，可以很容易地修改TFT_LCD液晶的時(shí)序參數(shù)，具有很強(qiáng)的通用性。通過(guò)Terasic公司的TRDB_LTM彩色液晶顯示開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。TRDB_LTM采用Toppoly公司的TFT_LCD模塊TD043MTEAl,4.3英寸屏。時(shí)序參數(shù)中，橫向時(shí)序參數(shù)為：時(shí)鐘頻率（NCLK）33.2MHz;橫向有效數(shù)據(jù)為800點(diǎn)；H_LINE=1056;Hsync_Blank=216;Hsync_Front_Porch=40.縱向時(shí)序參數(shù)為：縱向有效數(shù)據(jù)為480點(diǎn)；V_LINE=525;Vsync_Blank=35;Vsync_Front_Porch=10.

按上面的時(shí)序參數(shù)在SoPC系統(tǒng)中配置TFT_LCD液晶IP核后，設(shè)置屏幕背景為白屏，并在上面用黑線畫(huà)一個(gè)矩形，顯示結(jié)果如圖5所示。如果將時(shí)序參數(shù)中的數(shù)據(jù)做如下調(diào)整，將橫向有效顯示數(shù)據(jù)設(shè)置為480點(diǎn)，縱向有效顯示數(shù)據(jù)設(shè)置為360點(diǎn)，做同上的驗(yàn)證，顯示結(jié)果如圖6所示。由這兩個(gè)圖可見(jiàn)，該控制器具有很好的通用性。

4結(jié)語(yǔ)

介紹一種通用TFT-LCD控制器的設(shè)計(jì)，用HDL語(yǔ)言對(duì)各模塊進(jìn)行描述，包括內(nèi)部控制器、Avalon總線主從接口、液晶時(shí)序數(shù)據(jù)輸出接口等的邏輯描述。在SoPCBuilder工具里以自