基于Avalon總線的可配置LCD控制器IP核的設(shè)計
[導(dǎo)讀]本文討論了基于Avalon 總線流傳輸?shù)呐渲肔CD 顯示控制器IP 核的設(shè)計，根據(jù)自頂向下的設(shè)計思想，將IP 核進(jìn)行層次功能劃分設(shè)計，并對IP 核的仿真驗證，最后加入到Nios II系統(tǒng)中。
基于NiosII 軟核的SOPC（System On Programmable Chip）是Altera 公司提出的片上可編程系統(tǒng)解決方案，它將CPU、存儲器、I/O接口、DSP 模塊以及鎖相環(huán)（PLL）的系統(tǒng)設(shè)計所必須的模塊集成到一片F(xiàn)PGA 上，構(gòu)成一個可編程的片上系統(tǒng)，使所設(shè)計的電路在其規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)以及硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化。
目前在Altera SOPC Builder 下集成了包括UART、SPI、Ethernet、SDRAM、Flash、DMA等控制器的IP 核。此外，用戶也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要自己設(shè)計或者購買第三方廠商的IP 核通過Avalon 總線像搭積木一樣方便地將這些IP 捆綁的系統(tǒng)上。但是在顯示接口上，Altera公司只提供了一個16*2 的字符型LCD 控制器的IP 核，只能用來顯示數(shù)字和英文字母。如用戶需要圖形顯示（如MP4 和PDA）則需要外接專用控制芯片或自己設(shè)計IP 核，使用起來很不方便。因此我們設(shè)計一個基于Nios II 系統(tǒng)的可配置LCD 控制器的IP 核，本IP 核可以方便的通過Avalon 掛接到Nios II 的系統(tǒng)上?？紤]到目前LCD 顯示屏的實際需要，我們設(shè)計的LCD 顯示控制IP 核具有以下主要功能：
以Avalon 總線流傳輸模式提供接口；
為LCD 屏提供掃描時序信號和顯示數(shù)據(jù)；
提供可以選擇的分辨率，最大可以支持1024*768；
可以通過軟件配置顯存的基地址和大??；
1. Avalon 總線規(guī)范
1.1 總線概述
Avalon 總線是Altera 公司為SOPC 系統(tǒng)開發(fā)的一種專用的內(nèi)部連線技術(shù)，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線。它是構(gòu)建在Nios II 軟核的基礎(chǔ)上，由Altera 公司提供SOPC Builder 系統(tǒng)設(shè)計工具自動生成。
Avalon 總線支持多個主外設(shè)，任何一個主外設(shè)都可以直接進(jìn)行存儲器訪問（DMA），而無須Nios II 處理器的干預(yù)。一般的系統(tǒng)總線（如AMBA 總線）都是采用主端總裁機制，而Avalon 采用DMA 從端仲裁機制，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的多模塊DMA 并行傳輸，而不相互影響。
Avalon 總線允許多個主端口連接到總線模塊，實現(xiàn)總線的的并發(fā)多主端口傳輸?shù)墓δ?，而總線模塊不需要額外的特殊信號；當(dāng)有多個主外設(shè)試圖同時訪問同一外設(shè)時，由 Avalon總線模塊內(nèi)部的從端口仲裁邏輯來處理沖突，對于主端口來說，它并不會感到有另一個主端口也在爭用該外設(shè)，而是簡單的發(fā)現(xiàn)它的等待請求信號一直有效，直到目標(biāo)外設(shè)從端口準(zhǔn)備好來處理自己的請求。因此，多個主外設(shè)只要不是同時訪問同一個從外設(shè)，即可同時進(jìn)行總線傳輸。仲裁的詳細(xì)信息被封裝在總線內(nèi)部，主外設(shè)和從外設(shè)的接口是一致的，與外設(shè)的數(shù)量無關(guān)。
1.2 Avalon 總線流傳輸模式
Avalon 規(guī)定了各種傳輸模式，這里只介紹本IP 核所使用的流傳輸模式。關(guān)于其他的總線模式讀者可以Avalon 的總線規(guī)范。
流傳輸模式是在流模式主外設(shè)和流模式從外設(shè)之間建立一個開放的信道以供連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。該信道使得只要存在有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)便能在主從端口對之間流動，主外設(shè)不必為了確定從端口是否可用而不斷地訪問從外設(shè)的寄存器。流傳輸模式使得主從端口之間的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到最大，同時避免了從外設(shè)數(shù)據(jù)溢出。流傳輸模式最適合DMA 傳輸。一個只包含簡單的流控制信號和一個計數(shù)器的DMA 控制器就可以用來在一個從外設(shè)和一個存儲器之間連續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)。
由于數(shù)據(jù)流是從Avalon 總線流向LCD 控制器，所以是流模式的從端口寫傳輸。圖1 顯示了流模式從端口寫傳輸?shù)哪Ｐ汀?
圖1 流模式從端口寫傳輸模型
除了基本從端口傳輸中使用的信號外，流模式外設(shè)的接口中又引入了readyfordata、dataavailable 和 endofpacket 三個信號。流模式從端口就是指使用了一個或多個上述信號的從端口。readyfordata 有效表示外設(shè)準(zhǔn)備好接受 Avalon 總線模塊的寫傳輸；dataavailable 有效表示能夠為來自 Avalon 總線模塊的讀傳輸提供數(shù)據(jù)。Avalon 總線模塊只在 readyfordata或 dataavailable 有效時才會發(fā)起傳輸行為。endofpacket 信號的含義取決于用戶設(shè)計。
流模式從端口寫傳輸模型的時序如圖2 所示。
圖2 流模式從端口寫傳輸時序
2. Avalone 流模式LCD 控制器IP 核設(shè)計
LCD 控制器按功能可劃分為三個模塊：接口模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和時序產(chǎn)生模塊。接口模塊主要用來對系統(tǒng)進(jìn)行配置，獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息以及從內(nèi)存讀出將要顯示的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)系統(tǒng)的配置信息，對讀入控制器的內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以符合用戶設(shè)置的顯示要求；時序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生顯示時序信號，使得系統(tǒng)在不同的配置下都能產(chǎn)生與之相應(yīng)的精確時序，以保證圖象的正確顯示。
在具體實現(xiàn)時，這三個部分又可以劃分為不同的功能模塊來完成系統(tǒng)的總體功能。整個模塊包括配置寄存器接口模塊、DMA 接口模塊組成和異步FIFO 模塊，時序產(chǎn)生部分由時序產(chǎn)生模塊構(gòu)成。圖3 為我們所設(shè)計的LCD 控制器IP 核的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
2.1 DMA 接口模塊
一般情況下，LCD 顯示需要進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)傳送。在標(biāo)準(zhǔn) VGA（640×480 60Hz）模式下，每個像素點的掃描周期只有40ns。如此高速的數(shù)據(jù)傳輸，如果直接通過CPU 來操作，將會消耗大量的CPU 時間。為了提高CPU 的工作效率，我們在Nios II 下利用DMA（Direct Memory Access,直接存儲器訪問）來完成。利用DMA 控制器在LCD 控制器和顯示存儲器SDRAM 之間建立一條專用的DMA 傳輸通道，通過DMA 控制器自動的讀去圖象數(shù)據(jù)，不需要CPU 干預(yù)。NiosII 中DMA 控制器如圖4 所示：
在DMA 傳輸時，首先需要由CPU 對DMA 進(jìn)行初始化，設(shè)置顯示存儲器的基地址和長度以及LCD 控制器輸入寄存器的地址，然后打開DMA 傳輸通道，使DMA 在沒有CPU 干預(yù)的情況下直接從顯示存儲器讀取顯示數(shù)據(jù)傳送到LCD控制的FIFO中。Nios II 可以在DMA暫停傳輸?shù)钠陂g操作SDRAM 中的顯存，完成LCD 顯示圖像的更新。
DMA 接口采用Avalon 主設(shè)備端口來實現(xiàn)。
2.2 配置積存器接口模塊
系統(tǒng)可以通過配置寄存器接口模塊對LCD 顯示控制器進(jìn)行各種功能配置;LCD 控制器也可以通過接口模塊向系統(tǒng)反饋所需的狀態(tài)信息,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測和控制。通過針對不同種類的LCD 屏幕和不同的顯示模式提供相應(yīng)寄存器，可以保證對于各種LCD 顯示屏的兼容。
下圖5 為配置積存器接口模塊與Avalon 總線和LCD 時序發(fā)生器接口的示意圖
配置寄存器接口所采用的是Avalon 的從設(shè)備端口來實現(xiàn)。
2.3 異步FIFO 模塊
由于總線接口模塊和LCD 控制器工作在不同的時鐘域，如果直接傳送數(shù)據(jù)將會使電路進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，無法正常工作。所以使用異步FIFO 做為接口在兩個時鐘之間傳遞數(shù)據(jù)。典型的異步FIFO 由異步雙端口RAM 和控制邏輯構(gòu)成。圖6 為典型異步FIFO 的系統(tǒng)框圖
圖6 異步FIFO的系統(tǒng)框圖
2.4 LCD 時序產(chǎn)生模塊
通過讀取配置寄存器獲得像素時鐘，行周期，幀周期，同步頭寬度以及時鐘分頻系數(shù)等信息后，LCD 時序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生LCD 顯示需要的行同步信號、幀同步信號以及復(fù)合消隱信號。圖7 描述了LCD 接口時序發(fā)生模塊的接口信號
3. LCD 控制器IP 核的仿真調(diào)試與安裝
3.1 LCD 控制器IP 核的仿真調(diào)試
本IP 核使用Verilog HDL 來編寫，首先在Modelsim6.1 下先進(jìn)行RTL 級的功能仿真，當(dāng)所有功能都滿足要求時，就可以使用綜合工具綜合后加入延時信息進(jìn)行進(jìn)行時序仿真。如果時序仿真也滿足電路的設(shè)計要求，就可以當(dāng)做一個 NiosII 系統(tǒng)自定義的組件加到Nios II 系統(tǒng)中去。
3.2 LCD 控制器IP 核的安裝
Avalon 流模式的 LCD 控制器需要安裝到 SOPC Builder 中，以便將其加入到NiosII 系統(tǒng)中。
這里的LCD 控制器是一個典型的流模式自定義外設(shè)。啟動DMA 傳輸后，DMA 控制器將批量數(shù)據(jù)送往LCD 控制器，因此也可將LCD 控制器看成 FIFO 類型的存儲器外設(shè)。選擇Avalon Components->Legacy Components->Interface to User Logic，加入LCD 控制器的IP 核。
圖8 DMA、LCD 控制器模塊連接圖
3.3 實際測試效果圖
實際測試是在Altera的DE2開發(fā)板上進(jìn)行的。使用的LCD屏是夏普公司的800*600型號為LQ080V3DG01的TFT LCD屏，實際的顯示效果圖如圖9所示
4. 總結(jié)
本文討論了基于Avalon 總線流傳輸?shù)呐渲肔CD 顯示控制器IP 核的設(shè)計，根據(jù)自頂向下的設(shè)計思想，將IP 核進(jìn)行層次功能劃分設(shè)計，并對IP 核的仿真驗證，最后加入到Nios II系統(tǒng)中。該IP 核經(jīng)測試效果良好。由于本IP 核是可配置的，具有很好的移植性，可以方便的應(yīng)用以Nios II 為核心的各種需要圖形顯示的嵌入式系統(tǒng)中。
目前在Altera SOPC Builder 下集成了包括UART、SPI、Ethernet、SDRAM、Flash、DMA等控制器的IP 核。此外，用戶也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要自己設(shè)計或者購買第三方廠商的IP 核通過Avalon 總線像搭積木一樣方便地將這些IP 捆綁的系統(tǒng)上。但是在顯示接口上，Altera公司只提供了一個16*2 的字符型LCD 控制器的IP 核，只能用來顯示數(shù)字和英文字母。如用戶需要圖形顯示（如MP4 和PDA）則需要外接專用控制芯片或自己設(shè)計IP 核，使用起來很不方便。因此我們設(shè)計一個基于Nios II 系統(tǒng)的可配置LCD 控制器的IP 核，本IP 核可以方便的通過Avalon 掛接到Nios II 的系統(tǒng)上?？紤]到目前LCD 顯示屏的實際需要，我們設(shè)計的LCD 顯示控制IP 核具有以下主要功能：
以Avalon 總線流傳輸模式提供接口；
為LCD 屏提供掃描時序信號和顯示數(shù)據(jù)；
提供可以選擇的分辨率，最大可以支持1024*768；
可以通過軟件配置顯存的基地址和大??；
1. Avalon 總線規(guī)范
1.1 總線概述
Avalon 總線是Altera 公司為SOPC 系統(tǒng)開發(fā)的一種專用的內(nèi)部連線技術(shù)，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線。它是構(gòu)建在Nios II 軟核的基礎(chǔ)上，由Altera 公司提供SOPC Builder 系統(tǒng)設(shè)計工具自動生成。
Avalon 總線支持多個主外設(shè)，任何一個主外設(shè)都可以直接進(jìn)行存儲器訪問（DMA），而無須Nios II 處理器的干預(yù)。一般的系統(tǒng)總線（如AMBA 總線）都是采用主端總裁機制，而Avalon 采用DMA 從端仲裁機制，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的多模塊DMA 并行傳輸，而不相互影響。
Avalon 總線允許多個主端口連接到總線模塊，實現(xiàn)總線的的并發(fā)多主端口傳輸?shù)墓δ?，而總線模塊不需要額外的特殊信號；當(dāng)有多個主外設(shè)試圖同時訪問同一外設(shè)時，由 Avalon總線模塊內(nèi)部的從端口仲裁邏輯來處理沖突，對于主端口來說，它并不會感到有另一個主端口也在爭用該外設(shè)，而是簡單的發(fā)現(xiàn)它的等待請求信號一直有效，直到目標(biāo)外設(shè)從端口準(zhǔn)備好來處理自己的請求。因此，多個主外設(shè)只要不是同時訪問同一個從外設(shè)，即可同時進(jìn)行總線傳輸。仲裁的詳細(xì)信息被封裝在總線內(nèi)部，主外設(shè)和從外設(shè)的接口是一致的，與外設(shè)的數(shù)量無關(guān)。
1.2 Avalon 總線流傳輸模式
Avalon 規(guī)定了各種傳輸模式，這里只介紹本IP 核所使用的流傳輸模式。關(guān)于其他的總線模式讀者可以Avalon 的總線規(guī)范。
流傳輸模式是在流模式主外設(shè)和流模式從外設(shè)之間建立一個開放的信道以供連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。該信道使得只要存在有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)便能在主從端口對之間流動，主外設(shè)不必為了確定從端口是否可用而不斷地訪問從外設(shè)的寄存器。流傳輸模式使得主從端口之間的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到最大，同時避免了從外設(shè)數(shù)據(jù)溢出。流傳輸模式最適合DMA 傳輸。一個只包含簡單的流控制信號和一個計數(shù)器的DMA 控制器就可以用來在一個從外設(shè)和一個存儲器之間連續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)。
由于數(shù)據(jù)流是從Avalon 總線流向LCD 控制器，所以是流模式的從端口寫傳輸。圖1 顯示了流模式從端口寫傳輸?shù)哪Ｐ汀?
圖1 流模式從端口寫傳輸模型
除了基本從端口傳輸中使用的信號外，流模式外設(shè)的接口中又引入了readyfordata、dataavailable 和 endofpacket 三個信號。流模式從端口就是指使用了一個或多個上述信號的從端口。readyfordata 有效表示外設(shè)準(zhǔn)備好接受 Avalon 總線模塊的寫傳輸；dataavailable 有效表示能夠為來自 Avalon 總線模塊的讀傳輸提供數(shù)據(jù)。Avalon 總線模塊只在 readyfordata或 dataavailable 有效時才會發(fā)起傳輸行為。endofpacket 信號的含義取決于用戶設(shè)計。
流模式從端口寫傳輸模型的時序如圖2 所示。
圖2 流模式從端口寫傳輸時序
2. Avalone 流模式LCD 控制器IP 核設(shè)計
LCD 控制器按功能可劃分為三個模塊：接口模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和時序產(chǎn)生模塊。接口模塊主要用來對系統(tǒng)進(jìn)行配置，獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息以及從內(nèi)存讀出將要顯示的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)系統(tǒng)的配置信息，對讀入控制器的內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以符合用戶設(shè)置的顯示要求；時序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生顯示時序信號，使得系統(tǒng)在不同的配置下都能產(chǎn)生與之相應(yīng)的精確時序，以保證圖象的正確顯示。
在具體實現(xiàn)時，這三個部分又可以劃分為不同的功能模塊來完成系統(tǒng)的總體功能。整個模塊包括配置寄存器接口模塊、DMA 接口模塊組成和異步FIFO 模塊，時序產(chǎn)生部分由時序產(chǎn)生模塊構(gòu)成。圖3 為我們所設(shè)計的LCD 控制器IP 核的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
2.1 DMA 接口模塊
一般情況下，LCD 顯示需要進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)傳送。在標(biāo)準(zhǔn) VGA（640×480 60Hz）模式下，每個像素點的掃描周期只有40ns。如此高速的數(shù)據(jù)傳輸，如果直接通過CPU 來操作，將會消耗大量的CPU 時間。為了提高CPU 的工作效率，我們在Nios II 下利用DMA（Direct Memory Access,直接存儲器訪問）來完成。利用DMA 控制器在LCD 控制器和顯示存儲器SDRAM 之間建立一條專用的DMA 傳輸通道，通過DMA 控制器自動的讀去圖象數(shù)據(jù)，不需要CPU 干預(yù)。NiosII 中DMA 控制器如圖4 所示：
在DMA 傳輸時，首先需要由CPU 對DMA 進(jìn)行初始化，設(shè)置顯示存儲器的基地址和長度以及LCD 控制器輸入寄存器的地址，然后打開DMA 傳輸通道，使DMA 在沒有CPU 干預(yù)的情況下直接從顯示存儲器讀取顯示數(shù)據(jù)傳送到LCD控制的FIFO中。Nios II 可以在DMA暫停傳輸?shù)钠陂g操作SDRAM 中的顯存，完成LCD 顯示圖像的更新。
DMA 接口采用Avalon 主設(shè)備端口來實現(xiàn)。
2.2 配置積存器接口模塊
系統(tǒng)可以通過配置寄存器接口模塊對LCD 顯示控制器進(jìn)行各種功能配置;LCD 控制器也可以通過接口模塊向系統(tǒng)反饋所需的狀態(tài)信息,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測和控制。通過針對不同種類的LCD 屏幕和不同的顯示模式提供相應(yīng)寄存器，可以保證對于各種LCD 顯示屏的兼容。
下圖5 為配置積存器接口模塊與Avalon 總線和LCD 時序發(fā)生器接口的示意圖
配置寄存器接口所采用的是Avalon 的從設(shè)備端口來實現(xiàn)。
2.3 異步FIFO 模塊
由于總線接口模塊和LCD 控制器工作在不同的時鐘域，如果直接傳送數(shù)據(jù)將會使電路進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，無法正常工作。所以使用異步FIFO 做為接口在兩個時鐘之間傳遞數(shù)據(jù)。典型的異步FIFO 由異步雙端口RAM 和控制邏輯構(gòu)成。圖6 為典型異步FIFO 的系統(tǒng)框圖
圖6 異步FIFO的系統(tǒng)框圖
2.4 LCD 時序產(chǎn)生模塊
通過讀取配置寄存器獲得像素時鐘，行周期，幀周期，同步頭寬度以及時鐘分頻系數(shù)等信息后，LCD 時序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生LCD 顯示需要的行同步信號、幀同步信號以及復(fù)合消隱信號。圖7 描述了LCD 接口時序發(fā)生模塊的接口信號
3. LCD 控制器IP 核的仿真調(diào)試與安裝
3.1 LCD 控制器IP 核的仿真調(diào)試
本IP 核使用Verilog HDL 來編寫，首先在Modelsim6.1 下先進(jìn)行RTL 級的功能仿真，當(dāng)所有功能都滿足要求時，就可以使用綜合工具綜合后加入延時信息進(jìn)行進(jìn)行時序仿真。如果時序仿真也滿足電路的設(shè)計要求，就可以當(dāng)做一個 NiosII 系統(tǒng)自定義的組件加到Nios II 系統(tǒng)中去。
3.2 LCD 控制器IP 核的安裝
Avalon 流模式的 LCD 控制器需要安裝到 SOPC Builder 中，以便將其加入到NiosII 系統(tǒng)中。
這里的LCD 控制器是一個典型的流模式自定義外設(shè)。啟動DMA 傳輸后，DMA 控制器將批量數(shù)據(jù)送往LCD 控制器，因此也可將LCD 控制器看成 FIFO 類型的存儲器外設(shè)。選擇Avalon Components->Legacy Components->Interface to User Logic，加入LCD 控制器的IP 核。
圖8 DMA、LCD 控制器模塊連接圖
3.3 實際測試效果圖
實際測試是在Altera的DE2開發(fā)板上進(jìn)行的。使用的LCD屏是夏普公司的800*600型號為LQ080V3DG01的TFT LCD屏，實際的顯示效果圖如圖9所示
4. 總結(jié)
本文討論了基于Avalon 總線流傳輸?shù)呐渲肔CD 顯示控制器IP 核的設(shè)計，根據(jù)自頂向下的設(shè)計思想，將IP 核進(jìn)行層次功能劃分設(shè)計，并對IP 核的仿真驗證，最后加入到Nios II系統(tǒng)中。該IP 核經(jīng)測試效果良好。由于本IP 核是可配置的，具有很好的移植性，可以方便的應(yīng)用以Nios II 為核心的各種需要圖形顯示的嵌入式系統(tǒng)中。
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