基于PicoBlaze軟核的TFT液晶顯示控制

摘要：介紹基于8位嵌入式軟核PicoBlaze的SOPC的設(shè)計(jì)方法，提出一種基于PicoBlaze軟核的TFT液晶顯示控制方案，并給出了軟硬件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案占用資源少，運(yùn)行速度快，可以為FPGA驅(qū)動(dòng)TFT液晶提供設(shè)計(jì)參考。
關(guān)鍵詞：PicoBlaze；軟核；SOPC；FPGA；TFT液晶

引言
    TFT液晶顯示器(LCD)具有功耗低、體積小、工作電壓低、使用壽命長(zhǎng)、可以顯示復(fù)雜的文字及彩色圖像等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，成為人機(jī)交互的重要方式。但是TFT液晶顯示器驅(qū)動(dòng)具有數(shù)據(jù)量大、占用引腳多等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不僅會(huì)耗費(fèi)大量的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，降低系統(tǒng)效率，而且也會(huì)占用大量的I／O引腳。針對(duì)這種情況，本文提出了一種基于PicoBlaze軟核的TFT液晶顯示控制方案，能夠方便地實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)TFT液晶的顯示控制，具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。

1 PicoBlaze的體系結(jié)構(gòu)
    8位嵌入式處理器PicoBlaze是Xilinx公司為Virtex系列FPGA、Spartan系列FPGA和CoolRunnerII系列CPLD設(shè)計(jì)的嵌入式處理器軟核，具有效率高、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地嵌入到硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)與其他功能模塊的無(wú)縫連接。PicoBlage僅占用Spartan系列FPGA的96個(gè)Slice，占用XC3S50器件12．5％的資源，占用XC3S5000器件不到0．3％的資源；具有高達(dá)44～100 MIPS的指令執(zhí)行速度，具體速度取決于所選用的FPGA系列和器件速度等級(jí)。
    PicoBlaze 8位嵌入式處理器提供了豐富、靈活的I／O口，它的外設(shè)也可以通過(guò)用戶自己配置，以滿足不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。由于PicoB-laze提供了可綜合的HDL代碼，可以方便地移植到將來(lái)的FPGA架構(gòu)上，因此完全不用擔(dān)心當(dāng)前使用的器件淘汰后難以尋求替代產(chǎn)品。另外，PicoBlaze完全集成在FPGA中，減少了電路板空間和設(shè)計(jì)花費(fèi)。
    如圖1所示，PicoBlaze微處理器主要由以下幾個(gè)單元組成：16個(gè)8位通用寄存器；1 KB程序存儲(chǔ)單元；8位算術(shù)邏輯單元，帶有CARRY和ZERO標(biāo)志位；64字節(jié)內(nèi)部暫存RAM；256個(gè)輸入和256個(gè)輸出端口，方便擴(kuò)展應(yīng)用；中斷控制單元。

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2 TFT液晶顯示模塊
    TFT液晶模塊為320×240像素26萬(wàn)色彩色圖形點(diǎn)陣式液晶，不僅可以顯示數(shù)字、字符等內(nèi)容，還可以顯示漢字和任意圖形。該模塊的控制芯片為SSD1289，與外部的連接只有16位數(shù)據(jù)線、5根控制線及電源。液晶模塊引腳功能如表1所列。TFT液晶模塊的讀寫(xiě)時(shí)序滿足標(biāo)準(zhǔn)的8080并行時(shí)序，F(xiàn)PGA只要通過(guò)這些數(shù)據(jù)線和控制線按照相應(yīng)的時(shí)序進(jìn)行讀寫(xiě)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的顯示控制。

3 軟硬件設(shè)計(jì)
3．1 PicoBlaze匯編程序設(shè)計(jì)
    由于TFT液晶模塊內(nèi)置了SSD1289控制芯片，并且其讀寫(xiě)時(shí)序滿足標(biāo)準(zhǔn)的8080并行時(shí)序，因此，在PicoBlaze程序設(shè)計(jì)中模擬其讀寫(xiě)時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT液晶模塊的控制。要通過(guò)軟件模擬8080并行讀寫(xiě)時(shí)序，主要有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一項(xiàng)是對(duì)端口的高低電平進(jìn)行控制；另一項(xiàng)是
編寫(xiě)軟件延時(shí)子程序。
    對(duì)端口的電平控制，可以通過(guò)OUTPUT命令方便地實(shí)現(xiàn)。比如：
   
    可以向LCD_DATA_H端口輸出數(shù)據(jù)0xFF。
    PieoBlaze沒(méi)有提供相應(yīng)的位操作指令，因此，對(duì)PieoBlaze端口的位操作可以通過(guò)下列程序?qū)崿F(xiàn)：
   
    上述程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)LCD_CTRL_PORT的bit0進(jìn)行置“1”和清“0”操作，且不影響其他位。每次進(jìn)行端口輸出前，將端口狀態(tài)從寄存器sF中讀出；而每次端口輸出完成后，將當(dāng)前端口狀態(tài)保存到寄存器sF中。
    軟件延時(shí)子程序可以通過(guò)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。PicoBlaze的所有指令均為雙周期指令，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為50 MHz時(shí)，每條指令的執(zhí)行時(shí)間為40 ns。因此，通過(guò)調(diào)用下面的子程序即可實(shí)現(xiàn)1μs延時(shí)：

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    其中，delay_lus_constant=(clock_rate-6)／4，這里clock_rate為50。實(shí)現(xiàn)了端口位操作和軟件延時(shí)功能，即可按照8080并行讀寫(xiě)時(shí)序編寫(xiě)發(fā)送命令子程序。其程序代碼如下：

3．2 PicoBlaze與FPGA的邏輯接口
    PicoBlaze與FPGA的邏輯接口主要在FPGA邏輯設(shè)計(jì)中例化PicoBlaze單元，將其與程序ROM相連，并完成輸入、輸出端口的鎖存譯碼。其接口示意圖如圖2所示。

    PicoBlaze的匯編程序經(jīng)匯編工具KCPSM3．exe編譯后，將其程序代碼填充到由BLOCK RAM組成的程序ROM中，在FPGA邏輯設(shè)計(jì)中，將程序ROM和PicoBlaze模塊KCPSM3的對(duì)應(yīng)引腳相連即可。鎖存譯碼單元在每個(gè)有效時(shí)鐘沿，在WRITE_STROBE的使能控制下對(duì)PORT_ID進(jìn)行譯碼，并將OUT_PORT上的數(shù)據(jù)鎖存到相應(yīng)的寄存器中。本設(shè)計(jì)包含3個(gè)端口，分別是數(shù)據(jù)線高8位DATA_H、數(shù)據(jù)線低8位DATA_L和控制線CTRL，其中CTRL的bit0～bit4分別表示RS、RD、RESET、WR和CS。
    在FPGA邏輯中完成PieoBlaze的例化和相關(guān)邏輯設(shè)計(jì)后，即可用Xilinx的集成開(kāi)發(fā)工具ISE進(jìn)行綜合、實(shí)現(xiàn)和下載驗(yàn)證。綜合結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)共占用了102個(gè)Slice和1個(gè)RAMBl6S單元，僅占XC2VP30-7FF896總Slice數(shù)和BRAM單元的1％。最后，將生成的比特流下載到Xilinx XUP Virtex-II PRO開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，能夠正確驅(qū)動(dòng)TFT液晶顯示單種或多種顏色，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)測(cè)算，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz時(shí)，全屏刷新一次約需55．4 ms，具有較高的實(shí)時(shí)性。如果將系統(tǒng)時(shí)鐘提高到100 MHz，還可以進(jìn)一步加快刷新速度。

結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的基于PicoBlaze軟核的TFT液晶顯示控制方案，已在XilinxXUP Virtex-II PRO開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了良好的效果。通過(guò)本設(shè)計(jì)方案可以看出，PicoBlaze是一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活的8位嵌入式軟核處理器，可用于實(shí)現(xiàn)非關(guān)鍵時(shí)序的復(fù)雜控制功能，而其他關(guān)鍵時(shí)序和數(shù)據(jù)通道功能則需FPGA邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，二者有機(jī)結(jié)合將使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加方便、靈活。