嵌入式處理器Nios II與液晶顯示模塊的接口及應(yīng)用

液晶顯示器(LCD)由于具有工作電壓低、功耗低、體積小、顯示信息量大、壽命長(zhǎng)、不產(chǎn)生電磁輻射污染、可以顯示復(fù)雜的文字及圖形等優(yōu)點(diǎn)，液晶顯示器已被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、電子設(shè)備及控制領(lǐng)域中，成為測(cè)量結(jié)果顯示和人機(jī)對(duì)話的重要工具。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。

本文是以240*128點(diǎn)陣型液晶顯示模塊MGL240128T為例。研究嵌入式Nios II軟核處理器與液晶顯示模塊的接口和圖形顯示的編程技術(shù)。

1 Nios II軟核處理器和SOPC設(shè)計(jì)

在2004年，Alter推出了Nios II系列32位RSIC嵌入式處理器。Nios II軟核處理器是Alter的第二代FPGA嵌入式處理器，比第一代Nios具有更高水平的效率和性能。Nios II核平均占甩不到50%的FPGA資源，而計(jì)算性能增長(zhǎng)了1倍。Nios II嵌入式處理器性能超過(guò)200 DMIPS，采用32位指令、32位數(shù)據(jù)和地址、32位通用寄存器和32個(gè)外部中斷源;支持用戶的專用指令多達(dá)256個(gè)，這使得設(shè)計(jì)者能夠細(xì)致地調(diào)整系統(tǒng)硬件以滿足性能目標(biāo)。Nios II支持60多個(gè)外設(shè)選項(xiàng)，開(kāi)發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè)，獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能。

目前。FPGA(現(xiàn)場(chǎng)編程邏輯門陣列)芯片密度已達(dá)到百萬(wàn)門級(jí)，在一片F(xiàn)PGA芯片上可以實(shí)現(xiàn)如DSP、MCU、PCI總線控制和各種控制算法等復(fù)雜的功能。由于FPGA芯片密度的不斷提高和新的EDA開(kāi)發(fā)工具的使用，利用FPGA器件實(shí)現(xiàn)SOC已成為可能，這項(xiàng)技術(shù)稱為嵌入式SOPC(可編程單芯片系統(tǒng))。SOPC技術(shù)既具有基于模板級(jí)設(shè)計(jì)的特征，又具有基于ASIC的系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)的特征，具有了可重構(gòu)性、高效自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法。Alter推出的Nios II正是為設(shè)計(jì)者提供了FPGA優(yōu)化的靈活的嵌入式處理器，以及為SOPC設(shè)計(jì)了一套綜合解決方案。

Nios II處理器具有完善的軟件開(kāi)發(fā)套件．包括編譯器、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、m C調(diào)試器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)和TCP/IP協(xié)議棧。設(shè)計(jì)者能夠用Altera Quartus II開(kāi)發(fā)軟件中的SOPC Builder系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具很容易地創(chuàng)建用戶定制的CPU和外設(shè)，獲得恰好滿足需求的處理器系統(tǒng)。利用SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，需要進(jìn)行SOPC的嵌入式處理器芯片和軟件設(shè)計(jì)。SOPC Builder工具通過(guò)加載NioslI核和外圍接口的定義配置一個(gè)高集成度的SOPC系統(tǒng)的嵌入式處理器芯片。

圖1所示是一個(gè)實(shí)現(xiàn)液晶顯示的SOPC系統(tǒng)的NioslI處理器，主要端口包括全局輸入時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)、外部設(shè)備片選信號(hào)、讀使能、寫使能、數(shù)據(jù)地址總線以及和計(jì)算機(jī)通信的UART端口。由于NioslI是在FPGA片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，因此它既可以通過(guò)FPGA的引腳連到外部和其它的設(shè)備相連接，也可以直接連到FPGA片內(nèi)的其他模塊上。同樣，F(xiàn)PGA片內(nèi)未被使用的資源仍然可以被配置成為其它的模塊使用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，使SOC成為可能。

2 Nios II與液晶顯示模塊的接口

MGLS240128T液晶顯示模塊的引腳說(shuō)明如表1所示，可顯示各種字符及圖形，該模塊對(duì)液晶顯示的控制和驅(qū)動(dòng)都由模塊內(nèi)部的控制器T6963C芯片及電路來(lái)完成，因此它與外部的連接只有8位數(shù)據(jù)線和6條控制線及電源。外部CPU通過(guò)這些數(shù)據(jù)線和控制線來(lái)設(shè)置所需要的顯示方式，其它功能均由模塊自動(dòng)完成?？刂破鱐6963C最大的特點(diǎn)是具有獨(dú)特的硬件初始設(shè)置功能，初始化在上電時(shí)就已基本設(shè)置完成。它還具有很強(qiáng)的軟件控制能力，外部的處理器通過(guò)接口寫入液晶模塊的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊控制。軟件控制主要集中于顯示功能的設(shè)置上。T6963C的控制指令如表2所示。T6963C的指令可帶一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，每條指令的執(zhí)行都是先送入?yún)?shù)(如有參數(shù))，再送入指令。
 

嵌入式處理器NioslI把液晶顯示模塊接口看著普通的外部設(shè)備PIO進(jìn)行操作，因此液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)以及讀寫片選信號(hào)都包括在Nios II上的PIO總線中。其接口電路如圖2所示。其中LCD_DB[7..0]為8位數(shù)據(jù)線，負(fù)責(zé)將控制指令和顯示數(shù)據(jù)輸入到液晶顯示模塊中;LCD_CD為指令，數(shù)據(jù)切換;LCD_CS為為片選信號(hào);LCD_RD為讀使能;LCD_WR為寫使能。

3 Nios II處理器的軟件開(kāi)發(fā)

利用SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)的硬件后，SOPC Builder還為編寫操作這些片上硬件的軟件代碼提供了一個(gè)Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，這個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境包括語(yǔ)言的頭文件、外圍接口的驅(qū)動(dòng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，可完成整個(gè)軟件工程的編緝、編譯、調(diào)試和下載等過(guò)程，極大地提高了軟件的開(kāi)發(fā)效率。

由于該液晶顯示模塊的控制和驅(qū)動(dòng)都是由模塊內(nèi)部的控制器T6963C芯片及電路來(lái)完成的，因此通過(guò)Nios II處理器將數(shù)據(jù)直接送入T6963C顯示緩沖區(qū)RAM的指定地址，控制器T6963C就可以控制液晶屏上相應(yīng)位置顯示出所需要的數(shù)據(jù)。Nios II處理器的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括顯示初始化、圖形顯示、清屏等模塊。

在進(jìn)行顯示之前。先調(diào)用顯示初始化模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕的初始化，即設(shè)置文本和圖形緩沖區(qū)的起始地址以及顯示方式。在顯示一屏新的圖形時(shí)，需要對(duì)屏幕清屏。清屏是將顯示RAM區(qū)域中的所有單元清零。它需要用T6963C連續(xù)寫的功能，并要先設(shè)定RAM區(qū)域的首地址。由于RAM 區(qū)共有240/8*128=3840個(gè)字節(jié)，所以循環(huán)清零需執(zhí)行3840次。在介紹圖形顯示程序之前先給出三函數(shù)：寫命令、寫數(shù)據(jù)和畫點(diǎn)函數(shù)。

　　void LCD_Write_Command(UCHAR m_Command) //寫命令

　　{ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff); //數(shù)據(jù)總線：輸出

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CD_BASE,1);//選擇命令

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,0);//片選拉低

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,0);//寫信號(hào)有效

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Command);

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,1);//寫信號(hào)無(wú)效

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,1);//片選無(wú)效 1

　　void LCD_Write_Data(UCHAR m_Data) 寫數(shù)據(jù)

　　{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff);//數(shù)據(jù)總線：輸出

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CD_BASE,0);//選擇數(shù)據(jù)

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,0);//片選拉低

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,0);//寫信號(hào)有效

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Data);

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,1);//寫信號(hào)無(wú)效

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,1);//片選無(wú)效

　　}

　　void Draw_Point(UCHAR x,UCHAR y) //畫點(diǎn)

　　{ unsigned int m_Addr;

　　unsigned char n,t1,t2,t;

　　n=x/8 ;m_Addr=GASAH*256+GASAL+y*ZIFU_NUM+n;

　　t1= m_Addr&0xff;t2=m_Addr/256;

　　LCD_Write_Data(UCHAR t1);

　　LCD_Write_Data(UCHAR t2);

　　LCD_Write_Command(0x24);

　　If(y>=0x80) n=0xf0;else n=0xf8;

　　t=x%8;t=(~t)&0x07;t=n|t;

　　LED_Write_Command(t);

　　}

在液晶顯示屏上顯示的各種曲線實(shí)際上是由若干段直線組成。所以直線的繪制就是曲線繪制的子程序。直線繪制的算法有多種多樣，為了避免復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，這里采用了Bresenham畫線算法的整數(shù)數(shù)字增量分析法。該算法的基本思路是回避計(jì)算斜率k=(y1-y2)/(x2-x1)過(guò)程中的除法運(yùn)算，應(yīng)用dy=y1-y2 和dx=x2-x1之間的關(guān)系，根據(jù)直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)不同，直線的走向和斜率將不同，即k的大小和正負(fù)將不同，因此繪制直線時(shí)將斜率 的取值分為四種情況進(jìn)行繪圖。下面給出從點(diǎn)(x1,y1)到點(diǎn)(x2,y2)畫線的Nios II應(yīng)用程序。

　　void Draw_Line(UCHAR x1,UCHAR y1,UCHAR x2,UCHAR y2)

　　{ UCHAR u1,v1,u2,v2;

　　signed int dx=x2-x1;

　　signed int dy=y2-y1;

　　UCHAR k;

　　If(dx*dy>=0)

　　{ if (abs(x1-x2)>= abs(y1-y2))

　　//斜率在[0，1]范圍內(nèi)

　　{ k=1; u1=x1;v1=y1;u2=x2;v2=y2;}

　　else { k=2;u1=y1;v1=x1;u2=y2;v2=x2;}

　　//斜率在(1，∞)范圍內(nèi) }

　　else { if(abs(x1-x2)>=abs(y1-y2))

　　//斜率在[-1，0]范圍內(nèi)

　　{ k=3;u1=x1;v1=y1;u2=x2;v2=2*y1-y2;}

　　else {k=4;u1=y1;v1=x1;u2=2*y1-y2;v2=x2;}

　　//斜率在(-∞,-1)范圍內(nèi) }

　　int u,v,uEnd,p=2*abs(v1-v2)-abs(u1-u2);

　　int twoDv=2*abs(v1-v2,twoDvDu=2*(abs(v1-v2)-abs(u1-u2));

　　if(u1>u2) {u=u2;v=v2;uEnd=u1;}

　　else {u=u1;v=v1;uEnd=u2;}

　　switch(k)

　　{

　　case 1: Draw_Point(u,v);break;

　　case 2: Draw_Point(v,u);break;

　　case 3: Draw_Point(u,2*y1-v);break;

　　case 4: Draw_Point(v,2*y1-u);break;

　　default :break;}

　　while(u { u++;

　　if(p<0) {p+=twoDv;}

　　else {v++;p+=twoDvDu;}

　　switch(k)

　　{case 1: Draw_Point(u,v);break;

　　case 2: Draw_Point(v,u);break;

　　case 3: Draw_Point(u,2*y1-v);break;

　　case 4: Draw_Point(v,2(y1-u);break;

　　default:break;}

　　}

　　}

4 結(jié)束語(yǔ)

在FPGA中使用軟核處理器Nios II比硬核的優(yōu)勢(shì)在于：硬核實(shí)現(xiàn)沒(méi)有靈活性，通常無(wú)法適應(yīng)最新技術(shù)的發(fā)展;而基于Nios II處理器的方案是基于HDL源碼構(gòu)建的，可配置的程度很高。Nios II處理器可以將外部存儲(chǔ)器、液晶顯示屏、以太網(wǎng)控制器、RS-232通信和USB接口等外部設(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，并能夠根據(jù)系統(tǒng)的性能要求添加多個(gè)Nios II處理器，實(shí)現(xiàn)多CPU內(nèi)核;還可以在Nios II核中加入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度。