嵌入式處理器Nios II與液晶顯示模塊的接口及應用

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、不產生電磁輻射污染、可以顯示復雜的文字及圖形等優(yōu)點，液晶顯示器已被廣泛應用于各種儀器儀表、電子設備及控制領域中，成為測量結果顯示和人機對話的重要工具。液晶顯示器按其功能可分為筆段式和點矩陣式液晶顯示器，后者又可以分為字符點陣式和圖形點陣式液晶顯示器。圖形點陣式液晶顯示器不僅可顯示數字、字符等內容，還能顯示漢字和任意圖形。

本文是以240*128點陣型液晶顯示模塊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。

1 Nios II軟核處理器和SOPC設計

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，而計算性能增長了1倍。Nios II嵌入式處理器性能超過200 DMIPS，采用32位指令、32位數據和地址、32位通用寄存器和32個外部中斷源;支持用戶的專用指令多達256個，這使得設計者能夠細致地調整系統硬件以滿足性能目標。Nios II支持60多個外設選項，開發(fā)者能夠選擇合適的外設，獲得最合適的處理器、外設和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能。

目前。FPGA(現場編程邏輯門陣列)芯片密度已達到百萬門級，在一片FPGA芯片上可以實現如DSP、MCU、PCI總線控制和各種控制算法等復雜的功能。由于FPGA芯片密度的不斷提高和新的EDA開發(fā)工具的使用，利用FPGA器件實現SOC已成為可能，這項技術稱為嵌入式SOPC(可編程單芯片系統)。SOPC技術既具有基于模板級設計的特征，又具有基于ASIC的系統級芯片設計的特征，具有了可重構性、高效自動化的設計方法。Alter推出的Nios II正是為設計者提供了FPGA優(yōu)化的靈活的嵌入式處理器，以及為SOPC設計了一套綜合解決方案。

Nios II處理器具有完善的軟件開發(fā)套件．包括編譯器、集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、m C調試器、實時操作系統(RTOS)和TCP/IP協議棧。設計者能夠用Altera Quartus II開發(fā)軟件中的SOPC Builder系統開發(fā)工具很容易地創(chuàng)建用戶定制的CPU和外設，獲得恰好滿足需求的處理器系統。利用SOPC Builder開發(fā)工具創(chuàng)建專用的處理器系統，需要進行SOPC的嵌入式處理器芯片和軟件設計。SOPC Builder工具通過加載NioslI核和外圍接口的定義配置一個高集成度的SOPC系統的嵌入式處理器芯片。

圖1所示是一個實現液晶顯示的SOPC系統的NioslI處理器，主要端口包括全局輸入時鐘、復位信號、外部設備片選信號、讀使能、寫使能、數據地址總線以及和計算機通信的UART端口。由于NioslI是在FPGA片內實現的，因此它既可以通過FPGA的引腳連到外部和其它的設備相連接，也可以直接連到FPGA片內的其他模塊上。同樣，FPGA片內未被使用的資源仍然可以被配置成為其它的模塊使用，從而實現系統的集成，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明如表1所示，可顯示各種字符及圖形，該模塊對液晶顯示的控制和驅動都由模塊內部的控制器T6963C芯片及電路來完成，因此它與外部的連接只有8位數據線和6條控制線及電源。外部CPU通過這些數據線和控制線來設置所需要的顯示方式，其它功能均由模塊自動完成?？刂破鱐6963C最大的特點是具有獨特的硬件初始設置功能，初始化在上電時就已基本設置完成。它還具有很強的軟件控制能力，外部的處理器通過接口寫入液晶模塊的指令來實現模塊控制。軟件控制主要集中于顯示功能的設置上。T6963C的控制指令如表2所示。T6963C的指令可帶一個或多個參數，每條指令的執(zhí)行都是先送入參數(如有參數)，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備PIO進行操作，因此液晶顯示模塊的數據以及讀寫片選信號都包括在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位數據線，負責將控制指令和顯示數據輸入到液晶顯示模塊中;LCD_CD為指令，數據切換;LCD_CS為為片選信號;LCD_RD為讀使能;LCD_WR為寫使能。

3 Nios II處理器的軟件開發(fā)

利用SOPC Builder開發(fā)工具創(chuàng)建專用的處理器系統的硬件后，SOPC Builder還為編寫操作這些片上硬件的軟件代碼提供了一個Nios II集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，這個軟件開發(fā)環(huán)境包括語言的頭文件、外圍接口的驅動以及實時操作系統的內核，可完成整個軟件工程的編緝、編譯、調試和下載等過程，極大地提高了軟件的開發(fā)效率。

由于該液晶顯示模塊的控制和驅動都是由模塊內部的控制器T6963C芯片及電路來完成的，因此通過Nios II處理器將數據直接送入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位置顯示出所需要的數據。Nios II處理器的軟件采用模塊化結構，主要包括顯示初始化、圖形顯示、清屏等模塊。

在進行顯示之前。先調用顯示初始化模塊，實現對屏幕的初始化，即設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，需要對屏幕清屏。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，并要先設定RAM區(qū)域的首地址。由于RAM 區(qū)共有240/8*128=3840個字節(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：寫命令、寫數據和畫點函數。

　　void LCD_Write_Command(UCHAR m_Command) //寫命令

　　{ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff); //數據總線：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);//寫信號有效

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Command);

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,1);//寫信號無效

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,1);//片選無效 1

　　void LCD_Write_Data(UCHAR m_Data) 寫數據

　　{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff);//數據總線：輸出

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CD_BASE,0);//選擇數據

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

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

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Data);

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,1);//寫信號無效

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,1);//片選無效

　　}

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

　　{ unsigned int m_Addr;

　　unsigned char n,t1,t2,t;

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

　　t1= m_Addr0xff;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，為了避免復雜的浮點運算，這里采用了Bresenham畫線算法的整數數字增量分析法。該算法的基本思路是回避計算斜率k=(y1-y2)/(x2-x1)過程中的除法運算，應用dy=y1-y2 和dx=x2-x1之間的關系，根據直線的起點和終點的坐標不同，直線的走向和斜率將不同，即k的大小和正負將不同，因此繪制直線時將斜率 的取值分為四種情況進行繪圖。下面給出從點(x1,y1)到點(x2,y2)畫線的Nios II應用程序。

　　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

　　{ 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 }

　　else { if(abs(x1-x2)>=abs(y1-y2))

　　//斜率在[-1，0]范圍內

　　{ 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 }

　　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(p0) {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 結束語

在FPGA中使用軟核處理器Nios II比硬核的優(yōu)勢在于：硬核實現沒有靈活性，通常無法適應最新技術的發(fā)展;而基于Nios II處理器的方案是基于HDL源碼構建的，可配置的程度很高。Nios II處理器可以將外部存儲器、液晶顯示屏、以太網控制器、RS-232通信和USB接口等外部設備連接在一起，進行外設的協調工作和數據共享，并能夠根據系統的性能要求添加多個Nios II處理器，實現多CPU內核;還可以在Nios II核中加入實時操作系統，實現多任務的調度。