基于Nios II的非一般模式類設(shè)備設(shè)計(jì)與集成

摘要：在Nios II的開發(fā)過程中，硬件抽象層提供多種一般模式類設(shè)備，使得開發(fā)者可以高效的在系統(tǒng)中添加并使用這些設(shè)備。然而對(duì)不屬于一般模式類的新設(shè)備的使用將不能按照原有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。為此，需要根據(jù)Nios II內(nèi)部總線規(guī)范提供一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并按照SOPC Builder要求集成到硬件抽象層中。通過設(shè)計(jì)并集成非字符型液晶顯示模塊得出結(jié)論：任何非一般模式類設(shè)備均可加載到Nios II系統(tǒng)中并能正常工作。
關(guān)鍵詞：    液晶顯示；Nios II；Avalon總線；設(shè)備集成

    液晶顯示器按其功能可分為筆段式和點(diǎn)矩陣式液晶顯示器，后者又可以分為字符點(diǎn)陣式和圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器。圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器不僅可顯示數(shù)字、字符等內(nèi)容，還能顯示漢字和任意圖形。但此類液晶顯示屏屬于非一般模式類設(shè)備，在Nios II中不能直接開發(fā)使用。

    對(duì)于一個(gè)全新的外部設(shè)備，Nios II有更好的解決方案快速的掌握它的控制方法。按照設(shè)備的電器要求，使用Nios II的已有的基本控制設(shè)備(例如通用輸入輸出端口PIO)掌握新設(shè)備的控制特性與方法。當(dāng)充分理解新設(shè)備的特性后就可以按照Nios II的硬件抽象層(HAL)的定義方法，編寫新設(shè)備的驅(qū)動(dòng)將其集成到Nios II中。這樣在今后的開發(fā)中在SOPC Builder中就可以像其他設(shè)備一樣增添這個(gè)新設(shè)備，Nios II軟核生成后會(huì)自動(dòng)加載此設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。這樣提高了新設(shè)備的二次使用時(shí)的開發(fā)效率。

    以下是液晶屏顯示模塊接口的設(shè)計(jì)與集成過程。

液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)

液晶顯示簡(jiǎn)介

    GM12864A 是帶顯示存儲(chǔ)器的圖形液晶顯示器。它的內(nèi)部是由兩塊KS0108B作為列顯示控制器和一片KS0107B作為行顯示控制器組成。顯示屏上各像素點(diǎn)的顯示狀態(tài)與顯示存儲(chǔ)器的各位相互對(duì)應(yīng)，顯示存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。顯示數(shù)據(jù)為“1”，相應(yīng)的像素點(diǎn)變亮。液晶屏結(jié)構(gòu)如圖1所示。

               圖1 液晶屏GM12864A的結(jié)構(gòu)圖
 
PIO類的介紹

    設(shè)計(jì)初始階段主要的目的在于充分了解新設(shè)備的特性與控制方法，為之后的設(shè)備集成打好基礎(chǔ)。因此采用通用的輸入輸出控制接口(PIO)直接對(duì)液晶屏的引腳進(jìn)行控制。

    Nios II中PIO分為三大類：輸入(I)、輸出(O)和三態(tài)(Tri)。PIO通過Avalon總線與Nios II相連接。如圖2所示。

圖2 通用輸入輸出接口與Nios II的連接 

接口的設(shè)計(jì)

    在Quartus II中新建一個(gè)工程，芯片類型選擇Cyclone 1C6Q240C8。設(shè)置畫面如圖3所示。

圖3 芯片設(shè)置界面

    工程創(chuàng)建完成后在SOPC Builder中定制Nios II處理器。液晶屏顯示器驅(qū)動(dòng)接口在設(shè)計(jì)初步作為普通的外部設(shè)備，用PIO進(jìn)行操作。所以為系統(tǒng)增添所需要的PIO接口。設(shè)計(jì)完成后如圖4所示。

圖4 定制的Nios II處理器結(jié)構(gòu)

    定制結(jié)束后生成Nios II處理器模塊。生成后回到Quartus II中進(jìn)行系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過SOPC Builder生成的Nios II模塊需要一個(gè)時(shí)鐘和一個(gè)復(fù)位輸入端，輸出與定制時(shí)所設(shè)計(jì)的一致。增添相應(yīng)的輸入輸出引腳。頂層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 液晶屏控制系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu) 

    將控制系統(tǒng)編譯，液晶屏與芯片的接口連接電路如圖6所示。

圖6 液晶屏與FPGA的接口電路

液晶屏顯示模塊的HAL集成

    為了更好的對(duì)新外設(shè)進(jìn)行高效二次開發(fā)，通過編寫外設(shè)驅(qū)動(dòng)并集成到HAL中是最好的方法。這樣可以更加方便的再次構(gòu)件系統(tǒng)，有效降低開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)難度。

    開發(fā)外設(shè)并集成的開發(fā)流程如圖7所示。

圖7  新設(shè)備集成HAL流程 

    對(duì)于新外部設(shè)備的HAL集成流程是從設(shè)備功能角度出發(fā)并劃分控制單元模塊，因此使控制程序代碼對(duì)設(shè)備無關(guān)，即外部設(shè)備細(xì)節(jié)控制對(duì)開發(fā)者是透明的，從而使代碼具有更好的規(guī)范性和可移植性。當(dāng)此設(shè)備處于不同的硬件配置的Nios II系統(tǒng)時(shí)仍能正常工作。

結(jié)語

    在Altera FPGA中使用軟核處理器Nios II可以將外部存儲(chǔ)器、液晶顯示屏、以太網(wǎng)控制器等外部設(shè)備連接在一起，進(jìn)行外設(shè)的協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)共享。從而具有較高靈活性并且能適應(yīng)變化較多的技術(shù)領(lǐng)域。

    一個(gè)新的外部設(shè)備只要根據(jù)Nios的內(nèi)部規(guī)范編寫驅(qū)動(dòng)就可以集成到HAL中，加強(qiáng)新設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和二次使用的效率。

    另外，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要添加多個(gè)Nios II處理器實(shí)現(xiàn)“多內(nèi)核”系統(tǒng)或者在Nios II核中加入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度。運(yùn)用 Altera的SOPC技術(shù)可以高效快速的開發(fā)一個(gè)用戶定制的片上系統(tǒng)。并且具有外圍電路少，控制靈活方便，研發(fā)周期短等特點(diǎn)。

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