采用Nios II的多媒體廣告系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

引言
    多媒體廣告是當(dāng)今企業(yè)與消費(fèi)者交流、展示自我形象的一個(gè)平臺(tái)，傳統(tǒng)形式的廣告業(yè)務(wù)制作成本高，周期長(zhǎng)，內(nèi)容模式固化僵硬，相對(duì)于市場(chǎng)變化有很大滯后性。電子屏的出現(xiàn)，不僅可以使企業(yè)更全面的展示產(chǎn)品，推廣企業(yè)文化，而且可以滿(mǎn)足不同讀者的需求，改善城市環(huán)境，提升人民生活質(zhì)量，更重要的是廣告能夠更及時(shí)、更準(zhǔn)確、更全面的展示自己的新產(chǎn)品，第一時(shí)間與消費(fèi)者進(jìn)行溝通，贏得市場(chǎng)，獲取利潤(rùn)，以及根據(jù)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)更及時(shí)更全面的做出市場(chǎng)決策。基于以上原因，我們采用Nios II軟核設(shè)計(jì)了能及時(shí)發(fā)布戶(hù)外廣告、電子公告的多媒體廣告系統(tǒng)。

1 多媒體廣告系統(tǒng)所用技術(shù)簡(jiǎn)介
1．1 SOPC技術(shù)
    SOPC是可編程片上系統(tǒng)(System On Programmablechip)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是Altera公司提出的一種在可編程邏輯器件上靈活、高效實(shí)現(xiàn)SOC的解決方案。將處理器、存儲(chǔ)器、I/O、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊集成到一枚FPGA或者CPLD上，構(gòu)成一種可編程的片上系統(tǒng)。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)SOC；其次它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、擴(kuò)充、升級(jí)，并且具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。FPGA則是SOPC的高效設(shè)計(jì)平臺(tái)。本系統(tǒng)是在Altera公司的DE1上實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA采用的是Cyclone II EP2C20F484C7。伴隨著Nios的發(fā)展，Altera的SOPC概念逐漸為人們所接受，進(jìn)而又推出了第二代處理器軟核Nios II，提高了處理能力、減少了資源占用，并在價(jià)格上擁有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步推動(dòng)了SOPC的發(fā)展。系統(tǒng)模塊在SOPC中可方便集成為一個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)如圖1所示：

    在Quartus II下搭建的系統(tǒng)如圖2所示：

    設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)步驟：
    整個(gè)設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)之初我們先描繪出整個(gè)設(shè)計(jì)所涉及的各個(gè)部件和功能模塊，然后在SOPC Builder中搭建各硬件模塊，各模塊通過(guò)Avalon總線(xiàn)有序的連接在一起。SOPC Builder的圖形可視化設(shè)計(jì)，大大的方便了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，尤其是Avalon總線(xiàn)的引入可以讓設(shè)計(jì)人員從繁瑣的細(xì)節(jié)問(wèn)題和代碼編寫(xiě)上解放出來(lái)，將精力集中與系統(tǒng)框架的整體設(shè)計(jì)和用戶(hù)程序的編寫(xiě)之上。
1．2 Nios II軟核處理器
    Nios II是一種擁有超過(guò)200DMIPS性能的32位RISC處理器IP核，其外設(shè)與處理器本身都是使用HDL編寫(xiě)的，可以在Altera幾乎所有的FPGA中實(shí)現(xiàn)。由于處理器是軟核形式，可以根據(jù)應(yīng)用的需要自由定制，滿(mǎn)足成本和功能的要求，因此具有很大的靈活性。Nios II系列嵌入式處理器建立在第一代16位Nios處理器的基礎(chǔ)上，使用32位的指令集結(jié)構(gòu)(ISA)，定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。Nios II處理器系列包含3種內(nèi)核：快速型(Nios II／f)、經(jīng)濟(jì)型(NiosII／e)和標(biāo)準(zhǔn)型(Nios II／s)內(nèi)核。每一種內(nèi)核都針對(duì)資源和性能作了特定的優(yōu)化。由于多媒體信息的操作對(duì)系統(tǒng)處理器運(yùn)算速度有著較高的要求，所以采用了快速型的內(nèi)核?？焖傩蛢?nèi)核的處理速度最快可達(dá)到200DMIPS，工作頻率是135MHz，支持6級(jí)流水線(xiàn)，外部尋址空間為2GB。保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。使用Altera的Quartus II軟件、SOPC Bulilder工具以及Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)完成了基于Nios II的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成
    多媒體廣告系統(tǒng)主要由上下位機(jī)通信模塊、嵌入FPGA的Nios II處理器、視頻音頻輸出模塊、下位機(jī)存儲(chǔ)模塊等組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[!--empirenews.page--]
 

    由于多媒體廣告的投放發(fā)布有實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)之分，所以系統(tǒng)的工作模式也分為同步與異步兩種。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。
2．1 通信模塊
    模塊集成了LAN91C111 Ethernet MAC，同時(shí)使用Nios II IDE建立了基于uC／OS II操作系統(tǒng)的TCP／IPSocket server工程，該應(yīng)用工程能夠初始化IwIP(Lightweigh IP)stack，運(yùn)行簡(jiǎn)單的TCP Server。PC機(jī)通過(guò)Ethernet與下位機(jī)通信。另外在上位機(jī)上編寫(xiě)了一個(gè)與下位機(jī)通信的軟件，該軟件主要是用于多媒體廣告的同步投放，以及將要用于異步投放的多媒體廣告信息下載到下位機(jī)的存儲(chǔ)器中。
2．2 IP核
    IP核是知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(Intellectual Propety Kernel)的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要將一些在數(shù)字電路中常用的但比較復(fù)雜的功能塊設(shè)計(jì)成參數(shù)可修改的模塊，讓其他用戶(hù)可以直接調(diào)用這些模塊。本設(shè)計(jì)中主要用到了存儲(chǔ)控制器IP CORE和多媒體信息輸出控制器IP CORE。
2．3 SD卡的讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)模塊
    多媒體廣告文件的數(shù)據(jù)量較大，因此采用SD卡作為多媒體文件的存儲(chǔ)器。通過(guò)Nios II的I／O口與SD卡相連，采用SD模式對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的4線(xiàn)高速傳輸。如圖5所示。

2．4 異步模式下顯示方式控制模塊
    為了滿(mǎn)足不同風(fēng)格多媒體廣告的在異步模式下投放需要，將DE1平臺(tái)上的10個(gè)開(kāi)關(guān)通過(guò)I／O口與Nios II連接，撥動(dòng)不同的開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定廣告的顯示方式，從而達(dá)到更好的顯示效果，目前已實(shí)現(xiàn)的顯示方式有：組合分屏顯示、多幅圖像分屏顯示、單幅圖像循環(huán)顯示、單幅分屏顯示、單幅分屏顯示加旋轉(zhuǎn)、單幅重復(fù)顯示等。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的多媒體廣告系統(tǒng)基于Nios II處理器，易于升級(jí)、運(yùn)行速度快、穩(wěn)定、功耗低，能很好的滿(mǎn)足戶(hù)外多媒體廣告的投放需要。