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摘要: 本文介紹了一種基于片上可編程系統（SOPC）設計萬(wàn)年歷的方法。在FPGA 芯片上，通過(guò)配置NIOS 軟核處理器和相關(guān)接口模塊，實(shí)現了嵌入式系統的硬件結構。系統用液晶模塊顯示萬(wàn)年歷等漢字字符，用8 個(gè)七段數碼管顯示電子鐘的日期和時(shí)間，并可通過(guò)按鍵對其進(jìn)行調整。具有高集成度、設計靈活和可移植性較好等特點(diǎn)。 1 引言 SOPC代表了當今電子設計的發(fā)展方向，它可以將處理器、存儲器、I/O接口、硬件協(xié)處理器和普通的用戶(hù)邏輯等系統設計需要的功能模塊都集成到一個(gè)FPGA芯片里，構建一個(gè)可編程的片上系統。它具有軟硬件可重構、剪裁和編程等功能，由于同時(shí)涉及底層的硬件系統設計和相應的軟件設計，在系統優(yōu)化方面有了前所未有的自由度。 現在的電子萬(wàn)年歷多數采用基于單片機的控制技術(shù)，可移植性較差，集成度較低，本文以杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48-PK 系統的64×64 點(diǎn)陣型液晶顯示模塊LCD GDM12864A 為例，利用NIOSⅡ軟核在Altera公司的CycloneEP1C6Q240C8 芯片中，既能實(shí)現用戶(hù)定制的處理器，又能對液晶顯示模塊和數碼管顯示進(jìn)行編程控制。本文在軟、硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)利用SOPC技術(shù)，縮短設計開(kāi)發(fā)周期，節約開(kāi)發(fā)成本，優(yōu)化性能和資源。 本文以萬(wàn)年歷設計為例，使讀者初步了解SOPC的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 2 系統硬件設計 在系統的硬件設計中，FPGA 內部各模塊設計是本系統硬件設計的核心技術(shù)。FPGA 內部各模塊是利用ALTERA 公司的Quartaus Ⅱ開(kāi)發(fā)軟件中的SOPC builder 工具對CPU 進(jìn)行定制，包括CPU 的數據和指令Cache 的大小、CPU 寄存器數量（NIOS Ⅱ 最多可以有512 個(gè)寄存器）等。用戶(hù)可以增加新的外設，新的指令，分配外設的地址等進(jìn)行定義，完成SOPC 開(kāi)發(fā)的集成過(guò)程。將這些設計在Quartaus Ⅱ中編譯并生成sof 格式文件后，下載到FPGA 芯片中就形成了SOPC 的嵌入式系統硬件平臺。 對萬(wàn)年歷設計來(lái)說(shuō)，需要將本設計所需要的外設添加到NIOS 軟核中。NIOS Ⅱ自帶的各種IP Core 如按鍵、七段數碼管、LED 等可以直接添加進(jìn)來(lái)。對于LCD，由于SOPC builder 自帶的IP 庫中并不包含LCD 配置接口模塊，所以該模塊需要設計者根據要配置的芯片的寄存器特點(diǎn)和功能要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設計。本系統的LCD 液晶屏顯示器驅動(dòng)接口在設計時(shí)作為普通的外部設備PIO 進(jìn)行操作，因此液晶屏顯示器的數據以及讀、寫(xiě)和片選信號等都包括在PIO 總線(xiàn)上。液晶屏顯示器以7 個(gè)PIO 的形式添加進(jìn)來(lái)，如圖1 所示利用SOPC builder 開(kāi)發(fā)工具創(chuàng )建用戶(hù)定制的NIOSⅡ配置及其地址映射。 然后，用SOPC Builder 將定制轉化成為具體的元件，即用戶(hù)定制的NIOS Ⅱ處理器模塊，如圖2 所示。最后加入增強時(shí)鐘穩定性的鎖相環(huán)和復位輸入端最終形成頂層結構，除此之外，SOPC builder 還根據定制的結果，自動(dòng)生成針對特定硬件環(huán)境的C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的頭文件以及函數庫，這在軟件設計中會(huì )極大的減少軟件開(kāi)發(fā)人員的工作量。 3 系統軟件設計本系統的軟件是在A(yíng)LTERA 公司提供的軟件集成開(kāi)發(fā)工具NIOS Ⅱ IDE 中，以C 語(yǔ)言形式，在硬件抽象層（HAL ）函數支持下設計的。它可完成整個(gè)軟件工程的編輯、編譯、調試和下載等過(guò)程，極大地提高了軟件的開(kāi)發(fā)效率。系統的軟件設計主要包括兩個(gè)部分：液晶顯示模塊和萬(wàn)年歷模塊。 （１）液晶顯示模塊 在GDM12864A 液晶屏顯示器的應用時(shí)，顯示屏被分為左右兩個(gè)區，上下一共八頁(yè)，在進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，由于縱坐標不好控制，而橫坐標自動(dòng)加一，因此選擇由page0—page7 逐行寫(xiě)入數據。即對于32×32 的“萬(wàn)年歷”三個(gè)字將分4 次寫(xiě)入。而“作者：劉雅斌”這幾個(gè)16×16 的字符將分兩次寫(xiě)入。每個(gè)漢字在液晶屏上是以點(diǎn)陣字模形式顯示的，每個(gè)點(diǎn)用一個(gè)二進(jìn)制位表示。關(guān)鍵算法是利用NIOSⅡ函數控制液晶屏顯示器寫(xiě)命令和寫(xiě)數據。寫(xiě)命令和寫(xiě)數據程序如下所示：void LCD_Write_Command(alt_u8 m_Command) // 寫(xiě)命令{ if (!BUSY) { IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 0);// 選擇命令 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RW_BASE, 0); // 寫(xiě)信號有效 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff); 數據總線(xiàn)：輸出 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE, m_Command); 寫(xiě)命令字 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 1); // 使能信號置1 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 0); // 使能信號置0 }} void LCD_Write_Data(alt_u8 m_Data) //寫(xiě)數據{ if (!BUSY) { IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 1);// 選擇數據 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RW_BASE, 0); // 寫(xiě)信號有效 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff); // 數據總線(xiàn)：輸出 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE, m_Data);// 寫(xiě)入數據 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 1);// 使能信號置1 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 0);// 使能信號置0 }} （２）萬(wàn)年歷模塊 這一部分主要實(shí)現了萬(wàn)年歷的基本功能，即能夠顯示日期與時(shí)間，并具有調整日期和時(shí)間的功能。Nios 提供了關(guān)于LED、七段數碼管和按鍵進(jìn)行讀寫(xiě)的函數，通過(guò)這些函數可以實(shí)現日期和時(shí)間的顯示。例如： 在LED 上輸出顯示data 數據的語(yǔ)句格式為： IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE,data)； 在七段數碼管上輸出顯示data 數據的語(yǔ)句格式為： IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEVEN_SEG_PIO_BASE,data); 用變量key 讀取按鍵BUTTON 上的數據的語(yǔ)句格式為： Key=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BUTTON_PIO_BASE); 以上程序經(jīng)過(guò)在杭州康芯公司的開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行了軟、硬件調試，實(shí)現了對液晶模塊的萬(wàn)年歷和作者信息等漢字字符顯示，并在LED 上實(shí)現了萬(wàn)年歷的功能，并能夠進(jìn)行日期和時(shí)間的調整。 3 結論 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)是采用NIOS Ⅱ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的快捷開(kāi)發(fā)手段，在Cyclone 1C6Q240C8 芯片上創(chuàng )建了一個(gè)用戶(hù)定制CPU 和外設的片上系統，同時(shí)完成對液晶顯示器和LED 的編程控制。整個(gè)系統充分體現了SOPC 設計方法的靈活性，設計時(shí)只定制系統需要的外設器件接口，避免過(guò)多的外圍電路和器件造成體積、功耗的增多和可靠性的下降。由于采用軟核結構，方便系統的升級和擴展，而不必硬件改版，節約了成本，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。 綜上所述，萬(wàn)年歷的設計思想新穎獨特，有很多創(chuàng )新之處，具有良好的推廣前景和廣闊的應用領(lǐng)域.。 |
