基于SOPC的通用字符VGA顯示電路設計

摘要：文章介紹了基于Nios II的SOPC的通用字符顯示電路的設計，通過實時讀取點陣字庫信息并輸出到VGA端口的方法實現(xiàn)。與傳統(tǒng)方法相比，具有簡單易行、便于二次開發(fā)的特點。以本方法進行了電子萬年歷的設計，并在基于EP2C35F672C6的DE2開發(fā)板上下載驗證，結果表明本方法切實可行，適合于實時信息顯示。
關鍵詞：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準，雖然早己不是先進的顯示標準，但由于其技術和工藝成熟、成本低廉等優(yōu)勢，目前仍有著廣泛的應用。
    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，通常方法是首先獲取所用字符的字模，加入到HDL或C代碼中調用。這種方法過程繁瑣，且系統(tǒng)通用性不強。本設計以任意字符顯示為特點，通過實時讀取點陣字庫實現(xiàn)字符顯示，對存儲空間利用率高，且靈活性好，便于進行二次開發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件設計
    本設計使用的是基于EP2C35F672C6的DE2開發(fā)板。在SOPC Builder中，將系統(tǒng)命名為system_0，目標板設定為預定義過的“DE2 Board”，加入NIOSII／s軟核處理器，在時鐘列表中添加50MHz的外部時鐘，在組件列表中添加所需組件，如圖1所示。

    由于本設計的Nios II程序及所使用的字庫需要存儲在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組件用于調試中狀態(tài)反饋，按鈕和開關組件用于人機交互，SDRAM組件是本系統(tǒng)的運行內存，最后是VGA顯示IP核。
    本設計中所用VGA顯示IP核符合Avalon總線規(guī)范，實現(xiàn)的功能為單色顯示，即前景色和背景色各為預先指定的一種顏色，系統(tǒng)啟動時核內顯存讀入一幅單色圖像作為初始顯示畫面。編程時分別以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核的結構原理如圖2所示。

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    在整個工程的頂層文件中例化生成的system_0模塊，用鎖相環(huán)模塊產生VGA所需的25MHz時鐘信號并作為VGA模塊iCLK 25信號輸入。由于SOPC的CPU RESET信號只能鎖定在實際器件中的按鈕上作為輸入，而DE2開發(fā)上的4個按鈕在后面的實例都需要用到，因此在頂層文件中將CPU RESET信號直接置1。system_0的其他的輸入輸出信號根據開發(fā)板的相應資源進行定義和管腳鎖定。
    本設計的FPGA配置信息(sof文件)寫入EPCS器件中，Nios II程序(elf文件)寫入CFI Flash模塊中，所用到的兩個字庫也寫入CFI Flash中，字庫起始偏移地址分別為0x80000和0x1000000。

2 字符顯示原理
    調用點陣字庫實現(xiàn)任意數(shù)字和漢字的實時顯示是本設計的基本方法。本設計中分別采用ASC16和HZK16字庫作為ASCII碼和漢字的點陣字庫，這兩個字庫最早在UCDOS系統(tǒng)中被使用。
    ASC16字庫含有256個ASCII碼字符，每個ASCII碼字符均以16×8的點陣表示，點陣信息以行優(yōu)先的方式存儲，每個字符占用128個存儲位(16字節(jié))，按照ASCII碼的編碼順序存儲，故一個字符的ASCII碼值乘16就是它在ASC16字庫中的偏移地址。
HZK16是依據GB2312編碼存儲的點陣字庫，每個漢字用16×16的點陣表示，每個字符占用256個存儲位(32字節(jié))，點陣信息同樣以行優(yōu)先方式存儲。
    HZK16字庫內漢字按照內碼順序存儲，每個漢字的內碼由兩個字節(jié)組成，高位字節(jié)為區(qū)號，低字節(jié)為位號，兩字節(jié)的范圍均為0xA1～0xFE共94個取值。將漢字的兩個字節(jié)分別減去0xA1，即可得到該漢字的區(qū)號和位號。設某個漢字編碼的兩個字節(jié)分別為0xMM和0xNN，則該漢字在HZK16字庫中對應的偏移地址為：
    OFFEST=[94×(0xMM-0xA1)+(0xNN-0xA1)]×32
    定位了ASCII碼字符或漢字在點陣字庫中的位置后，讀出其所對應的16字節(jié)或32字節(jié)數(shù)據，用按位與運算和左移運算對每個字節(jié)的8個位逐一測試，將測試結果為1的位的對應像素填充為前景色，否則將像素填充為背景色，實現(xiàn)設定字符的顯示。

3 SOPC中相關函數(shù)的定義
    根據上述原理，以C語言編寫適用于上述SOPC的字符顯示函數(shù)，并以Nios II HAL系統(tǒng)庫為基礎。
3．1 ASCII碼字符顯示函數(shù)show_asc
    此函數(shù)用于在VGA輸出畫面的(x，y)坐標處顯示單個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輸出畫面的(x，y)坐標處顯示單個漢字字符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輸出畫面的(x，y)坐標處顯示長度為len的字符串str，內容可以由ASCII碼及漢字混合組成，其主要代碼如下：
   

4 實例應用
    基于以上的軟硬件設計，這里以萬年歷作為其應用的一個實例。以往基于FPGA的萬年歷設計多使用LCD或七段數(shù)碼管作為輸出，顯示基本的數(shù)字和符號尚可，但若要加入問候語、紀念日等中文信息則難于實現(xiàn)，基于本電路設計的萬年歷則可以解決這一問題。
    從功能上劃分，此萬年歷設計可分為3個模塊：
    (1)時間日期生成模塊。此模塊包含年、月、日、星期、時、分、秒共7個變量的輸出，每個變量都有各自的子模塊，每個子模塊都包含預置、計數(shù)、進位和顯示的功能。其中星期的確定方法是計算當前日期與1990年1月1日(星期一)之間間隔的天數(shù)，將此天數(shù)對7取模并加1，即得到當前星期的數(shù)字。
    系統(tǒng)啟動時，首先將預置的初始時間日期傳遞給顯示函數(shù)，由顯示函數(shù)在預定位置分別顯示7個數(shù)據，將數(shù)字加上0x30便得到其對應的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。
    隨后進入系統(tǒng)的主循環(huán)，以1秒鐘為循環(huán)間隔，當前級數(shù)字到達最大值時向下一級數(shù)字進位。其中日進位時需判斷月份類型(大月、小月或2月)，當前月為2月時還需判斷年份類型(是否閏年)，以確定日的進位數(shù)值。其他數(shù)字的進位值是固定的，其中年的范圍設定為1990～2099。[!--empirenews.page--]
    (2)時間日期調整模塊。除星期外，其他6個數(shù)字均可被調整。時間和日期的調整需要用到開發(fā)板上的4個按鈕，對應功能分別為切換日期／時間(KEY0)、在年月日和時分秒間切換(KEY3)、數(shù)字減(KEY1)和數(shù)字加(KEY2)。用兩個變量pos與dot表示當前的活動數(shù)字，其對應關系如表1所示。

    在程序上，此模塊由按下按鈕所觸發(fā)的中斷服務函數(shù)實現(xiàn)。按鈕按下時產生下降沿，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，當前活動數(shù)字發(fā)生改變；按下KEY1或KEY2時，根據當前活動數(shù)字的不同進入6個分支，以各自數(shù)字的進位規(guī)則得到調整后的數(shù)字。
    為了顯示直觀，在當前被調整的數(shù)字下方有實心原點作為指示標志，此圓點以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間日期信息占用的區(qū)域顯示自定義的信息，如不同時刻的問候語、紀念日信息等。除了使用字符顯示的方法外，還可對VGA輸出的初始畫面進行定制，如加入自定義的圖案標志等。此外，由于所用到兩個字庫均為單一字體，其他特殊字體的文字也可以加入到此初始圖像中進行顯示。

5 測試與評價
    將以上萬年歷實例設計下載到DE2開發(fā)板上運行，經測試，實現(xiàn)了所有預定功能，ASCII碼字符及漢字字符顯示正確，計時穩(wěn)定、準確。運行時的一個畫面如圖3所示。

    本電路采用基于Altera Nios II的SOPC平臺，實現(xiàn)了通用字符VGA顯示的功能，設計上靈活高效，系統(tǒng)資源利用度高。以本設計的通用平臺為基礎加以開發(fā)，可應用于諸多需要實時信息顯示的場合。