基于SOPC的通用字符VGA顯示電路設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了基于Nios II的SOPC的通用字符顯示電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取點(diǎn)陣字庫(kù)信息并輸出到VGA端口的方法實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)方法相比，具有簡(jiǎn)單易行、便于二次開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。以本方法進(jìn)行了電子萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)，并在基于EP2C35F672C6的DE2開(kāi)發(fā)板上下載驗(yàn)證，結(jié)果表明本方法切實(shí)可行，適合于實(shí)時(shí)信息顯示。
關(guān)鍵詞：SOPC；視頻圖形陣列字符顯示；Nios II

0 引言
    VGA(視頻圖形陣列)是IBM于1987年提出的圖形顯示標(biāo)準(zhǔn)，雖然早己不是先進(jìn)的顯示標(biāo)準(zhǔn)，但由于其技術(shù)和工藝成熟、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，目前仍有著廣泛的應(yīng)用。
    現(xiàn)有基于FPGA的VGA顯示系統(tǒng)需要顯示字符，尤其是漢字時(shí)，通常方法是首先獲取所用字符的字模，加入到HDL或C代碼中調(diào)用。這種方法過(guò)程繁瑣，且系統(tǒng)通用性不強(qiáng)。本設(shè)計(jì)以任意字符顯示為特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取點(diǎn)陣字庫(kù)實(shí)現(xiàn)字符顯示，對(duì)存儲(chǔ)空間利用率高，且靈活性好，便于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)使用的是基于EP2C35F672C6的DE2開(kāi)發(fā)板。在SOPC Builder中，將系統(tǒng)命名為system_0，目標(biāo)板設(shè)定為預(yù)定義過(guò)的“DE2 Board”，加入NIOSII／s軟核處理器，在時(shí)鐘列表中添加50MHz的外部時(shí)鐘，在組件列表中添加所需組件，如圖1所示。

    由于本設(shè)計(jì)的Nios II程序及所使用的字庫(kù)需要存儲(chǔ)在Flash中，因此添加了CFI Flash控制器以及三態(tài)Avalon總線，EPCS控制器用于存放FPGA配置信息。LED及JTAG UART組件用于調(diào)試中狀態(tài)反饋，按鈕和開(kāi)關(guān)組件用于人機(jī)交互，SDRAM組件是本系統(tǒng)的運(yùn)行內(nèi)存，最后是VGA顯示IP核。
    本設(shè)計(jì)中所用VGA顯示IP核符合Avalon總線規(guī)范，實(shí)現(xiàn)的功能為單色顯示，即前景色和背景色各為預(yù)先指定的一種顏色，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)核內(nèi)顯存讀入一幅單色圖像作為初始顯示畫(huà)面。編程時(shí)分別以VGA_Set_Pixel或VGA_Clr_Pixel指令將某一像素置為前景色或背景色。此IP核的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

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    在整個(gè)工程的頂層文件中例化生成的system_0模塊，用鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生VGA所需的25MHz時(shí)鐘信號(hào)并作為VGA模塊iCLK 25信號(hào)輸入。由于SOPC的CPU RESET信號(hào)只能鎖定在實(shí)際器件中的按鈕上作為輸入，而DE2開(kāi)發(fā)上的4個(gè)按鈕在后面的實(shí)例都需要用到，因此在頂層文件中將CPU RESET信號(hào)直接置1。system_0的其他的輸入輸出信號(hào)根據(jù)開(kāi)發(fā)板的相應(yīng)資源進(jìn)行定義和管腳鎖定。
    本設(shè)計(jì)的FPGA配置信息(sof文件)寫(xiě)入EPCS器件中，Nios II程序(elf文件)寫(xiě)入CFI Flash模塊中，所用到的兩個(gè)字庫(kù)也寫(xiě)入CFI Flash中，字庫(kù)起始偏移地址分別為0x80000和0x1000000。

2 字符顯示原理
    調(diào)用點(diǎn)陣字庫(kù)實(shí)現(xiàn)任意數(shù)字和漢字的實(shí)時(shí)顯示是本設(shè)計(jì)的基本方法。本設(shè)計(jì)中分別采用ASC16和HZK16字庫(kù)作為ASCII碼和漢字的點(diǎn)陣字庫(kù)，這兩個(gè)字庫(kù)最早在UCDOS系統(tǒng)中被使用。
    ASC16字庫(kù)含有256個(gè)ASCII碼字符，每個(gè)ASCII碼字符均以16×8的點(diǎn)陣表示，點(diǎn)陣信息以行優(yōu)先的方式存儲(chǔ)，每個(gè)字符占用128個(gè)存儲(chǔ)位(16字節(jié))，按照ASCII碼的編碼順序存儲(chǔ)，故一個(gè)字符的ASCII碼值乘16就是它在ASC16字庫(kù)中的偏移地址。
HZK16是依據(jù)GB2312編碼存儲(chǔ)的點(diǎn)陣字庫(kù)，每個(gè)漢字用16×16的點(diǎn)陣表示，每個(gè)字符占用256個(gè)存儲(chǔ)位(32字節(jié))，點(diǎn)陣信息同樣以行優(yōu)先方式存儲(chǔ)。
    HZK16字庫(kù)內(nèi)漢字按照內(nèi)碼順序存儲(chǔ)，每個(gè)漢字的內(nèi)碼由兩個(gè)字節(jié)組成，高位字節(jié)為區(qū)號(hào)，低字節(jié)為位號(hào)，兩字節(jié)的范圍均為0xA1～0xFE共94個(gè)取值。將漢字的兩個(gè)字節(jié)分別減去0xA1，即可得到該漢字的區(qū)號(hào)和位號(hào)。設(shè)某個(gè)漢字編碼的兩個(gè)字節(jié)分別為0xMM和0xNN，則該漢字在HZK16字庫(kù)中對(duì)應(yīng)的偏移地址為：
    OFFEST=[94×(0xMM-0xA1)+(0xNN-0xA1)]×32
    定位了ASCII碼字符或漢字在點(diǎn)陣字庫(kù)中的位置后，讀出其所對(duì)應(yīng)的16字節(jié)或32字節(jié)數(shù)據(jù)，用按位與運(yùn)算和左移運(yùn)算對(duì)每個(gè)字節(jié)的8個(gè)位逐一測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果為1的位的對(duì)應(yīng)像素填充為前景色，否則將像素填充為背景色，實(shí)現(xiàn)設(shè)定字符的顯示。

3 SOPC中相關(guān)函數(shù)的定義
    根據(jù)上述原理，以C語(yǔ)言編寫(xiě)適用于上述SOPC的字符顯示函數(shù)，并以Nios II HAL系統(tǒng)庫(kù)為基礎(chǔ)。
3．1 ASCII碼字符顯示函數(shù)show_asc
    此函數(shù)用于在VGA輸出畫(huà)面的(x，y)坐標(biāo)處顯示單個(gè)ASCII碼字符asc，主要代碼如下：
   
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3．2 漢字字符顯示函數(shù)show_hz
    此函數(shù)用于在VGA輸出畫(huà)面的(x，y)坐標(biāo)處顯示單個(gè)漢字字符hz，主要代碼如下：
   
3．3 字符串顯示函數(shù)show_str
    此函數(shù)用于在VGA輸出畫(huà)面的(x，y)坐標(biāo)處顯示長(zhǎng)度為len的字符串str，內(nèi)容可以由ASCII碼及漢字混合組成，其主要代碼如下：
   

4 實(shí)例應(yīng)用
    基于以上的軟硬件設(shè)計(jì)，這里以萬(wàn)年歷作為其應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。以往基于FPGA的萬(wàn)年歷設(shè)計(jì)多使用LCD或七段數(shù)碼管作為輸出，顯示基本的數(shù)字和符號(hào)尚可，但若要加入問(wèn)候語(yǔ)、紀(jì)念日等中文信息則難于實(shí)現(xiàn)，基于本電路設(shè)計(jì)的萬(wàn)年歷則可以解決這一問(wèn)題。
    從功能上劃分，此萬(wàn)年歷設(shè)計(jì)可分為3個(gè)模塊：
    (1)時(shí)間日期生成模塊。此模塊包含年、月、日、星期、時(shí)、分、秒共7個(gè)變量的輸出，每個(gè)變量都有各自的子模塊，每個(gè)子模塊都包含預(yù)置、計(jì)數(shù)、進(jìn)位和顯示的功能。其中星期的確定方法是計(jì)算當(dāng)前日期與1990年1月1日(星期一)之間間隔的天數(shù)，將此天數(shù)對(duì)7取模并加1，即得到當(dāng)前星期的數(shù)字。
    系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先將預(yù)置的初始時(shí)間日期傳遞給顯示函數(shù)，由顯示函數(shù)在預(yù)定位置分別顯示7個(gè)數(shù)據(jù)，將數(shù)字加上0x30便得到其對(duì)應(yīng)的ASCII碼值，其中星期是將1～7的數(shù)字按星期一～星期日的漢字顯示。
    隨后進(jìn)入系統(tǒng)的主循環(huán)，以1秒鐘為循環(huán)間隔，當(dāng)前級(jí)數(shù)字到達(dá)最大值時(shí)向下一級(jí)數(shù)字進(jìn)位。其中日進(jìn)位時(shí)需判斷月份類(lèi)型(大月、小月或2月)，當(dāng)前月為2月時(shí)還需判斷年份類(lèi)型(是否閏年)，以確定日的進(jìn)位數(shù)值。其他數(shù)字的進(jìn)位值是固定的，其中年的范圍設(shè)定為1990～2099。[!--empirenews.page--]
    (2)時(shí)間日期調(diào)整模塊。除星期外，其他6個(gè)數(shù)字均可被調(diào)整。時(shí)間和日期的調(diào)整需要用到開(kāi)發(fā)板上的4個(gè)按鈕，對(duì)應(yīng)功能分別為切換日期／時(shí)間(KEY0)、在年月日和時(shí)分秒間切換(KEY3)、數(shù)字減(KEY1)和數(shù)字加(KEY2)。用兩個(gè)變量pos與dot表示當(dāng)前的活動(dòng)數(shù)字，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

    在程序上，此模塊由按下按鈕所觸發(fā)的中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。按鈕按下時(shí)產(chǎn)生下降沿，讀取邊沿捕獲寄存器的值即可判斷哪一按鈕被按下。按下KEY0或KEY3時(shí)，當(dāng)前活動(dòng)數(shù)字發(fā)生改變；按下KEY1或KEY2時(shí)，根據(jù)當(dāng)前活動(dòng)數(shù)字的不同進(jìn)入6個(gè)分支，以各自數(shù)字的進(jìn)位規(guī)則得到調(diào)整后的數(shù)字。
    為了顯示直觀，在當(dāng)前被調(diào)整的數(shù)字下方有實(shí)心原點(diǎn)作為指示標(biāo)志，此圓點(diǎn)以ASCII碼字符0x07表示。
    (3)其他信息顯示模塊。此模塊的作用是在未被時(shí)間日期信息占用的區(qū)域顯示自定義的信息，如不同時(shí)刻的問(wèn)候語(yǔ)、紀(jì)念日信息等。除了使用字符顯示的方法外，還可對(duì)VGA輸出的初始畫(huà)面進(jìn)行定制，如加入自定義的圖案標(biāo)志等。此外，由于所用到兩個(gè)字庫(kù)均為單一字體，其他特殊字體的文字也可以加入到此初始圖像中進(jìn)行顯示。

5 測(cè)試與評(píng)價(jià)
    將以上萬(wàn)年歷實(shí)例設(shè)計(jì)下載到DE2開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，經(jīng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了所有預(yù)定功能，ASCII碼字符及漢字字符顯示正確，計(jì)時(shí)穩(wěn)定、準(zhǔn)確。運(yùn)行時(shí)的一個(gè)畫(huà)面如圖3所示。

    本電路采用基于Altera Nios II的SOPC平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了通用字符VGA顯示的功能，設(shè)計(jì)上靈活高效，系統(tǒng)資源利用度高。以本設(shè)計(jì)的通用平臺(tái)為基礎(chǔ)加以開(kāi)發(fā)，可應(yīng)用于諸多需要實(shí)時(shí)信息顯示的場(chǎng)合。