趙慶平，李素文，趙 鑫

(淮北師范大學(xué)物電學(xué)院，安徽淮北235000)

SOPC(System on Programmable Chip)是將處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、自定義外設(shè)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一塊FPGA芯片上［1-2］，SOPC根據(jù)外圍器件的需求可以快速搭建硬件平臺(tái)。FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，數(shù)據(jù)容量大，結(jié)構(gòu)靈活，可編程性強(qiáng)，具有強(qiáng)大的并行數(shù)據(jù)處理能力［3］。在FPGA內(nèi)構(gòu)建片上系統(tǒng)，減小電路板面積和功耗，提高系統(tǒng)可靠性，根據(jù)需求可裁剪，可升級(jí)，增強(qiáng)FPGA的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)功能。NiosⅡ系列軟核處理器是Altera的第二代FPGA嵌入式處理器，用戶可以方便地在系統(tǒng)中加入IP核，且將應(yīng)用程序固化到芯片中［1，4］。

液晶顯示器LCD(Liquid Crys tal Display，)以其機(jī)身薄、低輻射、低功耗和接口數(shù)字化等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品中。目前生產(chǎn)LCD屏的廠商很多，液晶顯示器的數(shù)字接口尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，帶有數(shù)字輸出的顯示卡在市面上并不多見(jiàn)，不同廠家的LCD屏常常不能與一般的LCD控制器無(wú)縫連接，外部接口邏輯需要重新設(shè)計(jì)?；诖耍疚奶岢隽嘶赟OPC技術(shù)，采用嵌入式NiosⅡ軟核處理器、LCD控制器IP核，在FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片上完成了高性能TFT-LCD控制器的設(shè)計(jì)。很好地解決了不同型號(hào)液晶屏之間的驅(qū)動(dòng)差異問(wèn)題［5］。

1 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的FPGA芯片是ALTERA公司的cycloneⅡ系列芯片 EP2C35F484C8N。該芯片有3 326個(gè)可配置邏輯單元和475個(gè)用戶引腳，不僅滿足本設(shè)計(jì)的要求，而且有較大的升級(jí)空間。采用臺(tái)灣奇美電子公司生產(chǎn)的AT070TN83型TFT LCD，分辨率為800×480，18 bit色度信號(hào)(R、G、B 各6 bit)。它有4個(gè)控制信號(hào):行信號(hào)、場(chǎng)信號(hào)、使能信號(hào)和掃描時(shí)鐘信號(hào)。

本設(shè)計(jì)的目的是將圖片顯示在TFT-LCD。根據(jù)FPGA外圍器件和內(nèi)部功能的要求，在FPGA芯片上構(gòu)建 SOPC硬件系統(tǒng)，包括 FLASH控制器、SDRAM控制器、TFT-LCD控制器、SG-DMA模塊和FIFO模塊。NiosⅡ是作為主控制核心，F(xiàn)LASH用于存儲(chǔ)硬件配置、執(zhí)行程序和圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)在SDRAM中開(kāi)辟圖像幀緩沖區(qū)，再將一幀圖像數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，利用Scatter-Gather DMA將SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到TFT-LCD控制器并顯示。通過(guò)SOPC自動(dòng)生成的AVALON總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。方案設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。

圖1 TFT-LCD設(shè)計(jì)方案

2 硬件設(shè)計(jì)

微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得集成電路設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)水平得到很大的提高，片上系統(tǒng)SOPC技術(shù)把系統(tǒng)的處理機(jī)制、模型算法和電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，在單片芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的全部功能［6］。

2.1 TFT-LCD控制器工作原理

Altera在SOPC Builder中提供視頻同步發(fā)生器核(Video Sync Generator Core)和像素轉(zhuǎn)換器核(Pixel Converter Core)。TFT-LCD控制器由像素轉(zhuǎn)換器核、數(shù)據(jù)格式適配器(Data Format Adapter)、視頻同步發(fā)生器核組成，如圖2所示。視頻同步發(fā)生器接收RGB格式的像素?cái)?shù)據(jù)流，以合適的時(shí)序輸出到片外顯示器?？梢耘渲迷摵艘灾С植煌娘@示器分辨率和同步時(shí)序。像素轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)視頻同步發(fā)生器要求的格式傳輸像素?cái)?shù)據(jù)。

圖2 TFT-LCD控制器

圖片每個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)以32 bit二進(jìn)制數(shù)格式保存在SDRAM中，其中紅綠藍(lán)各8 bit，還有8 bit為0，是為滿足32 bit系統(tǒng)而增加的無(wú)用數(shù)據(jù)。開(kāi)啟DMA，將圖片像素?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到FIFO中。經(jīng)由像素轉(zhuǎn)換器讀取FIFO中的像素?cái)?shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為只有有效像素?cái)?shù)據(jù)的24 bit二進(jìn)制數(shù)。此24 bit二進(jìn)制數(shù)是按照藍(lán)、綠、紅各8 bit的格式存在的。通過(guò)視頻同步發(fā)生器，將像素?cái)?shù)據(jù)和同步控制信號(hào)同步，從而將像素?cái)?shù)據(jù)顯示在TFT-LCD上。

Video Sync Generator核參數(shù)可配置，支持多種像素格式和自定義顏色深度模式，支持不同分辨率顯示器，像素?cái)?shù)據(jù)可以按8 bit分3次輸出，也可以一次輸出24 bit。所選用的TFT-LCD是并行數(shù)據(jù)接口。每一次有效時(shí)鐘周期內(nèi)，24 bit像素?cái)?shù)據(jù)是同時(shí)輸出的。為適應(yīng)本設(shè)計(jì)使用的TFT-LCD的要求，時(shí)序圖采用如圖3所示的格式輸出。

圖3 TFT-LCD時(shí)序圖

2.2 TFT-LCD控制器的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)用SOPC中的IP核構(gòu)建TFT-LCD控制器，如圖4所示。該SOPC系統(tǒng)主要包括Scatter-GatherDMA Controller、FIFO、Avalon-ST Timing Adapter、Pixel Converter和 Video Sync Generator。

SG-DMA(Scatter-Gather Direct Memory Access)Core可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)SOPC組件之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。與DMA不同的是，SG-DMA可以將非連續(xù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)搬移到連續(xù)地址空間，反之也行。

圖4 TFT-LCD系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

異步FIFO用作像素?cái)?shù)據(jù)的緩沖。數(shù)據(jù)寬度為32 bit，深度為 1 024。

時(shí)序適配器(Avalon-ST Timing Adapter)用于匹配連接在AVALON上的源和目的地時(shí)序，使數(shù)據(jù)無(wú)損傳輸。

圖片緩存區(qū)的像素?cái)?shù)據(jù)有4 byte，分別是0，R，G，B，而視頻同步發(fā)生器接收的像素?cái)?shù)據(jù)是3 byte RGB，所以需要像素轉(zhuǎn)換器(lcd_pixel_converter)去掉每點(diǎn)像素?cái)?shù)據(jù)中不需要的字節(jié)。

硬件系統(tǒng)模塊如圖5所示。構(gòu)建好SOPC后，在QuartusⅡ中添加倍頻模塊PLL鎖相環(huán)，將FPGA輸入的20 MHz倍頻到100 MHz，作為NiosⅡ的工作頻率，在 SOPC中分頻得到 50 MHz，作為 SGDMA、時(shí)序適配器和FIFO的工作頻率，得到25MHz作為DMA、TFT-LCD控制器的工作頻率。經(jīng)過(guò)編譯，在QuartusⅡ中生成SOPC硬件系統(tǒng)模塊。

圖5 硬件系統(tǒng)模塊

其中，可以看到的有TFT-LCD數(shù)據(jù)信號(hào)端和控制信號(hào)端以及外設(shè)存儲(chǔ)器SDRAM和CFI Flash的端口。Reset_n用于NiosⅡ軟核的復(fù)位。

3 軟件設(shè)計(jì)

NiosⅡ軟核嵌入式處理器是Altera公司提供的SOPC解決方案。NiosⅡ是采用流水線技術(shù)和哈佛結(jié)構(gòu)的通用RISC(Refined Instruct ion Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))處理器，而且可配置，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(qiáng)大的SOPC系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者根據(jù)實(shí)際需要自行整合。將LCD驅(qū)動(dòng)與NiosⅡ相結(jié)合，可以得到一個(gè)擴(kuò)展性強(qiáng)、通用的IP核，從而能夠適應(yīng)不同LCD的驅(qū)動(dòng)要求［7］。

本設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后，將24 bit的像素格式轉(zhuǎn)換為16 bit，因?yàn)門FT-LCD是16 bit數(shù)據(jù)輸入口，而提取的圖像數(shù)據(jù)是24 bit的。在SDRAM中開(kāi)辟圖片像素緩存區(qū)，打開(kāi)DMA，DMA將像素?cái)?shù)據(jù)輸出到TFTLCD進(jìn)行顯示。DMA傳輸數(shù)據(jù)不占用CPU，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3.1 像素格式轉(zhuǎn)換

由取模軟件提取的圖片像素?cái)?shù)據(jù)是3 byte RGB格式，而SG-DMA每次讀取32 bit數(shù)據(jù)，首先要將圖片原始像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為32 bit的0，R，G，B格式，以防止讀取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生錯(cuò)位的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)換程序如下:

3.2 像素?cái)?shù)據(jù)緩存及傳輸

在SDRAM中開(kāi)辟圖片像素?cái)?shù)據(jù)緩存區(qū)，將轉(zhuǎn)換好的32 bit像素?cái)?shù)據(jù)拷貝到SDRAM中的顯示緩存區(qū)，程序如下:

在圖片所有的像素?cái)?shù)據(jù)保存到SDRAM圖片緩存區(qū)后，打開(kāi)SG-DMA，對(duì)SG-DMA進(jìn)行設(shè)置，指定源地址和目的地址，SG-DMA自動(dòng)將像素?cái)?shù)據(jù)從SDRAM圖片存儲(chǔ)區(qū)傳輸?shù)絋FT-LCD控制器。

TFT-LCD控制器將接收到的像素?cái)?shù)據(jù)按照設(shè)定好的控制時(shí)序輸出給TFT-LCD，即可實(shí)現(xiàn)圖片的顯示。

4 仿真和顯示

本設(shè)計(jì)采用QuartusⅡ內(nèi)嵌的邏輯分析儀SignalTapⅡ?qū)FT-LCD控制器進(jìn)行仿真測(cè)試。SignalTapⅡ是第二代系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具，可以捕獲和顯示實(shí)時(shí)信號(hào)，觀察在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的硬件和軟件之間的互相作用［8］。SignalTapⅡ的仿真測(cè)試反應(yīng)了FPGA內(nèi)部以及IO口的邏輯時(shí)序的真實(shí)情況。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 TFT-LCD控制器仿真

仿真結(jié)果顯示TFT-CLD控制器滿足TFT-LCD邏輯功能，工作時(shí)序正確、穩(wěn)定，控制端和數(shù)據(jù)端沒(méi)有存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象。仿真通過(guò)后，將片上系統(tǒng)連接TFT-LCD，運(yùn)行系統(tǒng)，可以在TFT-LCD上看到所要顯示的圖片，如圖8所示。

圖8 TFT-LCD顯示

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于FPGA的SOPC Builder和NiosⅡ軟硬件結(jié)合的方案設(shè)計(jì)TFT-LCD控制器。SOPC硬件設(shè)計(jì)的靈活性，通過(guò)配置IP核的參數(shù)，可滿足不同分辨率和時(shí)序的顯示器，可以解決不同型號(hào)液晶屏之間的驅(qū)動(dòng)差異問(wèn)題。在FPGA內(nèi)構(gòu)建片上系統(tǒng)，利用C/C++軟件編程，實(shí)現(xiàn)在FPGA上用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有很好的可移植性。實(shí)驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)便快捷，設(shè)計(jì)的TFT-LCD控制器功能正常，性能穩(wěn)定，可用于多種液晶屏顯示。

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