基于SOPC技術(shù)的內(nèi)存映射型LCD控制器設(shè)計(jì)研究

0 引 言
    LCD以其低工作電壓、低功耗、顯示效果好、易集成和輕巧便攜等特點(diǎn)率先進(jìn)入平板顯示市場并不斷拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。隨著數(shù)字化作戰(zhàn)模式的發(fā)展，LCD必將越來越多地被應(yīng)用于各種機(jī)載、艦載、裝甲車輛等軍用裝備。而常用的雙口RAM、乒乓操作等類型顯示控制器在成本、速度或靈活性方面存在一些不足。本文提出并沒計(jì)了一種基于SOPC技術(shù)的內(nèi)存映射型LCD控制器，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，最后對該控制器的穩(wěn)定性、實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并可推廣到LED、CRT等類型屏幕的驅(qū)動控制。

1 內(nèi)存映射型LCD控制器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)
    傳統(tǒng)的LCD控制器可分為雙口RAM型、“乒乓”切換控制型、消隱寫操作型等類型，這些控制器雖思路、設(shè)計(jì)簡單，能較好地解決讀寫沖突，但都只能應(yīng)用于某些特定環(huán)境下的設(shè)計(jì)開發(fā)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性較差。而內(nèi)存映射型控制器系統(tǒng)性能穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低、讀寫速度快，是目前控制器設(shè)計(jì)的較好解決方案。
1．1 內(nèi)存映射型LCD控制器的結(jié)構(gòu)
    內(nèi)存映射型控制器不用獨(dú)立的存儲器做顯存，而是在內(nèi)存中動態(tài)地開辟一塊空間作為顯存，故稱之為內(nèi)存映射型控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    內(nèi)存映射型控制器工作時(shí)，顯存里的數(shù)據(jù)不是通過簡單接口，而是通過總線傳到時(shí)序發(fā)生器。由于對顯存的讀寫通過總線進(jìn)行自動協(xié)調(diào)，從而有效地避免了讀寫沖突的發(fā)生。通常，總線通過一個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)與時(shí)序發(fā)生器連接。
1．2 內(nèi)存映射型LCD控制器的優(yōu)點(diǎn)
    內(nèi)存映射型控制器用一小塊雙口存儲器做緩存，保證了顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承?；顯存定義在SDRAM／SRAM內(nèi)存中，取代了獨(dú)立顯存從而降低了系統(tǒng)成本；使用中只需修改時(shí)序發(fā)生器，就可以驅(qū)動各種參數(shù)的顯示器；同時(shí)，通過總線協(xié)調(diào)顯存的讀寫操作，有效的避免了顯存讀寫沖突問題。表1從4個(gè)方面對內(nèi)存映射型控制器與其他3種常見控制器類型進(jìn)行了比較。

2 基于SOPC技術(shù)的內(nèi)存映射型LCD控制器設(shè)計(jì)
2．1 內(nèi)存映射型LCD控制器的總體結(jié)構(gòu)
    該控制器由寄存器模塊、DMA模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、時(shí)序發(fā)生器4部分組成，采用VHDL語言編寫。如圖2所示?？刂破鲀?nèi)部定義了2個(gè)總線外設(shè)，其中，寄存器模塊為總線從端口設(shè)備，DMA模塊為總線主端口設(shè)備。

2．2 寄存器模塊(register_bank)
    該模塊為Avalon總線從端口設(shè)備，可以通過NiosⅡ Processor設(shè)置和讀取顯存起始地址、顯示大小、顯示顏色位數(shù)及相關(guān)控制參數(shù)。

   寄存器模塊中共定義了4個(gè)寄存器；顯存起始地址寄存器、顯示參數(shù)寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器。各寄存器的讀寫控制、定義及功能描述如表2所示。

    其中，顯示參數(shù)寄存器(size)中“色數(shù)”標(biāo)志位，值為1表示8位顏色顯示，值為0表示16位顏色顯示。狀態(tài)寄存器(status)大小為兩位，可與控制寄存器中的中斷位(Interrupt)配合使用，為保留位?？刂破骷拇嫫鞯亩x如表3所示。

2．3 數(shù)據(jù)緩存模塊(line＿buffer)
    該模塊設(shè)計(jì)采用了雙口RAM，由MegaWizard Plug-In Manager生成，其存儲空間約為一行數(shù)據(jù)所占的空間，用于暫存顯示數(shù)據(jù)。由于DMA不是直接將顯存中的數(shù)據(jù)傳給時(shí)序發(fā)生器，而在中間使用了雙口RAM做數(shù)據(jù)緩存，這樣DMA和時(shí)序發(fā)生器的讀、寫時(shí)序不必嚴(yán)格對應(yīng)，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，用于16位彩色顯示時(shí)，可通過數(shù)據(jù)緩存模塊將總線32位的數(shù)據(jù)輸入變?yōu)?6位的數(shù)據(jù)輸出給時(shí)序發(fā)生器；而在8位彩色顯示時(shí)，可通過數(shù)據(jù)緩存模塊將32位輸入變?yōu)?位輸出，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)位數(shù)的轉(zhuǎn)化，方便的時(shí)序發(fā)生器內(nèi)部的數(shù)據(jù)操作。
2．4 DMA模塊(image_dma)
    該模塊為Avalon總線主端口設(shè)備，它負(fù)責(zé)向Avalon總線提供有效的地址、數(shù)據(jù)和寫請求信號，并在時(shí)鐘上升沿發(fā)起總線傳輸，讀取顯存中的數(shù)據(jù)；同時(shí)，DMA模塊產(chǎn)生寫數(shù)據(jù)緩存的地址和數(shù)據(jù)，將顯示數(shù)據(jù)正確地從顯存?zhèn)魉偷綌?shù)據(jù)緩存。DMA模塊為三狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，包括空閑狀態(tài)、傳輸狀態(tài)、等待狀態(tài)，各狀態(tài)機(jī)邏輯關(guān)系如圖3所示。

2．5 時(shí)序發(fā)生器(LCD_driver)
    時(shí)序發(fā)生器模塊主要有4個(gè)主要功能：
    (1)產(chǎn)生驅(qū)動LCD的行掃描信號(hsync)、列掃描信號(vsync)、數(shù)據(jù)使能信號(blank_n)；
    (2)產(chǎn)生讀雙口R_AM緩存的地址信號；
    (3)產(chǎn)生行、場消隱信號，控制DMA模塊啟動、停止數(shù)據(jù)傳輸；
    (4)將顯示數(shù)據(jù)RGB按正確的時(shí)序、指定模式輸出。
    常用的16位彩色顯示可分為555、565(即RGB信號分量所占位數(shù))兩種顯示模式，控制器通過判斷控制寄存器中的模式設(shè)置位將RGB信號以不同的格式輸出。
2．6 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)及內(nèi)存映射型LCD控制器的驗(yàn)證
    為驗(yàn)證該控制器，本文設(shè)計(jì)了以CycloneⅡ系列EP2C8Q208C8為主芯片的SOPC評估電路板。實(shí)驗(yàn)平臺的TFT-LCD選用SAMSUNG公司的LTA104S1-L01，該LCD大小為10．4英寸、分辨率為800×600，可實(shí)現(xiàn)16位真彩色顯示。由于LTA104S1-L01接口為LVDS，本文設(shè)計(jì)了以DS90CF363為主芯片外接的接口板，以實(shí)現(xiàn)RGB到LVDS信號的轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本控制器能有效地解決顯存讀寫問題，設(shè)計(jì)完全符合預(yù)期要求。實(shí)驗(yàn)平臺及顯示效果如圖4所示。

3 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的內(nèi)存映射型LCD控制器，能有效地解決顯存讀寫沖突。同時(shí)與文獻(xiàn)[8]中的控制器相比，由于使用自定義的DMA代替了原有的DMA IP Core，數(shù)據(jù)的傳輸不必由CPU產(chǎn)生中斷發(fā)起，而完全由控制器發(fā)起，從而減輕CPU的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還具有占用邏輯單元少、適用范圍廣、靈活性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于多種分辨率LCD的顯示控制，具有一定的實(shí)用價(jià)值。