基于NIOSⅡ的萬年歷設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于NIOSⅡ的萬年歷設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用摘要:本文介紹了一種基于片上可編程系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計萬年歷的方法。在FPGA芯片上，通過配置NIOS軟核處理器和相關(guān)接口模塊，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)用液晶模塊顯示萬年歷等漢字字符，用8個七段數(shù)碼管顯示電子鐘的日期和時間，并可通過按鍵對其進行調(diào)整。具有高集成度、設(shè)計靈活和可移植性較好等特點。

1引言

SOPC代表了當今電子設(shè)計的發(fā)展方向，它可以將處理器、存儲器、I/O接口、硬件協(xié)處理器和普通的用戶邏輯等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊都集成到一個FPGA芯片里，構(gòu)建一個可編程的片上系統(tǒng)。它具有軟硬件可重構(gòu)、剪裁和編程等功能，由于同時涉及底層的硬件系統(tǒng)設(shè)計和相應(yīng)的軟件設(shè)計，在系統(tǒng)優(yōu)化方面有了前所未有的自由度。

現(xiàn)在的電子萬年歷多數(shù)采用基于單片機的控制技術(shù)，可移植性較差，集成度較低，本文以杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48-PK系統(tǒng)的64×64點陣型液晶顯示模塊LCDGDM12864A為例，利用NIOSⅡ軟核在Altera公司的CycloneEP1C6Q240C8芯片中，既能實現(xiàn)用戶定制的處理器，又能對液晶顯示模塊和數(shù)碼管顯示進行編程控制。本文在軟、硬件開發(fā)過程中，通過利用SOPC技術(shù)，縮短設(shè)計開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，優(yōu)化性能和資源。

本文以萬年歷設(shè)計為例，使讀者初步了解SOPC的開發(fā)過程。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，F(xiàn)PGA內(nèi)部各模塊設(shè)計是本系統(tǒng)硬件設(shè)計的技術(shù)。FPGA內(nèi)部各模塊是利用ALTERA公司的QuartausⅡ開發(fā)軟件中的SOPCbuilder工具對CPU進行定制，包括CPU的數(shù)據(jù)和指令Cache的大小、CPU寄存器數(shù)量（NIOSⅡ多可以有512個寄存器）等。用戶可以增加新的外設(shè)，新的指令，分配外設(shè)的地址等進行定義，完成SOPC開發(fā)的集成過程。將這些設(shè)計在QuartausⅡ中編譯并生成sof格式文件后，到FPGA芯片中就形成了SOPC的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺。

對萬年歷設(shè)計來說，需要將本設(shè)計所需要的外設(shè)添加到NIOS軟核中。NIOSⅡ自帶的各種IPCore如按鍵、七段數(shù)碼管、LED等可以直接添加進來。對于LCD，由于SOPCbuilder自帶的IP庫中并不包含LCD配置接口模塊，所以該模塊需要設(shè)計者根據(jù)要配置的芯片的寄存器特點和功能要求進行專門的設(shè)計。本系統(tǒng)的LCD液晶屏顯示器驅(qū)動接口在設(shè)計時作為普通的外部設(shè)備PIO進行操作，因此液晶屏顯示器的數(shù)據(jù)以及讀、寫和片選信號等都包括在PIO總線上。液晶屏顯示器以7個PIO的形式添加進來，如圖1所示利用SOPCbuilder開發(fā)工具創(chuàng)建用戶定制的NIOSⅡ配置及其地址映射。

然后，用SOPCBuilder將定制轉(zhuǎn)化成為具體的元件，即用戶定制的NIOSⅡ處理器模塊，如圖2所示。加入增強時鐘穩(wěn)定性的鎖相環(huán)和復位輸入端終形成頂層結(jié)構(gòu)，除此之外，SOPCbuilder還根據(jù)定制的結(jié)果，自動生成針對特定硬件環(huán)境的C語言和匯編語言的頭文件以及函數(shù)庫，這在軟件設(shè)計中會極大的減少軟件開發(fā)人員的工作量。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件是在ALTERA公司提供的軟件集成開發(fā)工具NIOSⅡIDE中，以C語言形式，在硬件抽象層（HAL）函數(shù)支持下設(shè)計的。它可完成整個軟件工程的編輯、編譯、調(diào)試和等過程，極大地提高了軟件的開發(fā)效率。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩個部分：液晶顯示模塊和萬年歷模塊。

（１）液晶顯示模塊

在GDM12864A液晶屏顯示器的應(yīng)用時，顯示屏被分為左右兩個區(qū)，上下一共八頁，在進行訪問時，由于縱坐標不好控制，而橫坐標自動加一，因此選擇由page0—page7逐行寫入數(shù)據(jù)。即對于32×32的“萬年歷”三個字將分4次寫入。而“作者：劉雅斌”這幾個16×16的字符將分兩次寫入。每個漢字在液晶屏上是以點陣字模形式顯示的，每個點用一個二進制位表示。關(guān)鍵算法是利用NIOSⅡ函數(shù)控制液晶屏顯示器寫命令和寫數(shù)據(jù)。寫命令和寫數(shù)據(jù)程序如下所示：voidLCD_Write_Command(alt_u8m_Command)//寫命令{if(!BUSY)

{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE,0);//選擇命令I(lǐng)OWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RW_BASE,0);//寫信號有效IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff);數(shù)據(jù)總線：輸出IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Command);寫命令字IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE,1);//使能信號置1IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE,0);//使能信號置0

}}voidLCD_Write_Data(alt_u8m_Data)//寫數(shù)據(jù){if(!BUSY)

{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE,1);//選擇數(shù)據(jù)IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RW_BASE,0);//寫信號有效IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff);//數(shù)據(jù)總線：輸出IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Data);//寫入數(shù)據(jù)IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE,1);//使能信號置1IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE,0);//使能信號置0

}}

（２）萬年歷模塊

這一部分主要實現(xiàn)了萬年歷的基本功能，即能夠顯示日期與時間，并具有調(diào)整日期和時間的功能。Nios提供了關(guān)于LED、七段數(shù)碼管和按鍵進行讀寫的函數(shù)，通過這些函數(shù)可以實現(xiàn)日期和時間的顯示。例如：

在LED上輸出顯示data數(shù)據(jù)的語句格式為：

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE,data)；

在七段數(shù)碼管上輸出顯示data數(shù)據(jù)的語句格式為：

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEVEN_SEG_PIO_BASE,data);

用變量key讀取按鍵BUTTON上的數(shù)據(jù)的語句格式為：

Key=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BUTTON_PIO_BASE);

以上程序經(jīng)過在杭州康芯公司的開發(fā)板上進行了軟、硬件調(diào)試，實現(xiàn)了對液晶模塊的萬年歷和作者信息等漢字字符顯示，并在LED上實現(xiàn)了萬年歷的功能，并能夠進行日期和時間的調(diào)整。

3結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點是采用NIOSⅡ集成開發(fā)環(huán)境提供的快捷開發(fā)手段，在Cyclone1C6Q240C8芯片上創(chuàng)建了一個用戶定制CPU和外設(shè)的片上系統(tǒng)，同時完成對液晶顯示器和LED的編程控制。整個系統(tǒng)充分體現(xiàn)了