（电力电子与电力传动专业论文）基于sopc的lcd控制器ip核的设计.pdf

上海火学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h em a r k e to fm o b i l ea n dc o m m u n i c a t i o ni se n l a r g i n g ，l c dd i s p l a y e q u i p m e n ta sh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ep r o m i s e sf a v o u r a b l ep e r s p e c t i v e f o r i tc o n t a i n st h ev i r t u eo ft h el o w e rp o w e rs u p p l yc o n s u m p t i o n ，t h el o w e r v o l t a g ea n dg o o dd i s p l a y ，l c di sm a k i n gt h ea p p l i c a t i o nd o m a i nw i d e ra n d w i d e r t h i sa r t i c l ei sr e s e a r c h e do nt h ed e v e l o p m e n to fl c dc o n t r o l l e ri p c o r eb a s e do nf p g a t h ed i v i s i o no ft h el c dc o n t r o l l e ri pc o r ei sa n a l y z e d ， a n dt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ei sd i s c u s s e di nd e t a 订t h el c dc o n t r o l l e r i pc o r ei sm o d e l e di no u a r t u s i ia n do t h e r se d as o f t w a r e l c di pc o r e c o n t a i n st i m i n gp r o d u c em o d u l e ，a d d r e s sp r o d u c em o d u l e ，f o r m e r c h a n g e m o d u l e ，c h a r a c t e rp r o d u c em o d u l e ，f i f om o d u l ea n ds oo n a 11m o d u l e f u n c t i o na n di n t e r f a c ed e s c r i p t i o ni s a n a l y z e da sw e l la sc o d e s 1 h ed e s i g no fl c dc o n t r o l l e ri pc o r ei sv e r i f i e da n dp r o v et h ed e s i g n i sc o r r e c t f i n a l l y ，t h ea u t h o r g i v es o m et h ed e s i g ne x p e r i e n c es u m m a r i z e a n d d e s c r i p t i o n k e yw o r d s ：s o c ，s o p c ，f p g a ，i pc o r e ，l c dc o n t r o l l e r ，q u a r t u s i i ，s o p c b u i l d e r 1 1 上海大学 v 4 6 7 7 2 9 9 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合上海大学 硕士学位论文质量要求。 主任： 錾丝丝 委员：亟避 一壤娅 辩 导厩要饰屯 答辩日期：妇d 平；j 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：至k 日期：导师签名：誓丝终。 日期： 上海大学硕士学位论文 第一章：绪论 1 1s o c 、s o p c 、及i p 核 1 1 1s o c 概况 随着集成电路技术的飞速发展，电路的集成度越来越高，从最初的小规模集 成电路( s s i ) ，到中规模( m s i ) ，大规模( l s i ) 再到超大规模( v l s i ) 阶段， 目前已进入了特大规模( u l s i ) 阶段。同时设计工作也变得越来越复杂，传统 的芯片设计方法有了很大的变化，同时对芯片的设计要求也越来越高。今天单一 硅片上集成的晶体管数量已经足以满足一个庞大的系统设计要求。因此，人们希 望在同一硅片上实现更多的功能，正是在这种情况下，出现了片上系统( s y s t e m o n a c h i p 简称s o c ) 技术【闭。s o c 技术是指以嵌入式操作系统为核t l , ， 在单一芯片上集成了数字、模拟混合电路、信号采集和处理、i o 接口、存储器、 c p u 等功能电路，将系统所需的软硬件资源尽可能的集成在单芯片内的一种集 成技术。以前的电子系统需要多块单一的i c 组成，而s o c 是从整个电子系统功 能出发把各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单片芯片上完成整个系统 的功能。 s o c 具有功能强大、节约开发成本、设计效率高等优点。它可以将软件和硬 件紧密的结合在一起，可直接在处理器内嵌入操作系统代码模块，而且s o c 具 有极高的综合性，在一块硅片内可以运用v h d l l 3 4j “1 1 4 5 1 等描述语言实现一个复 杂的系统。用户不再需要像传统的系统设计那样绘制和安装庞大复杂的电路板， 只需要使用精确的描述语言，直接在单元库或i p f l 9 心i ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核库 中调用各种标准的功能模块来构建整个系统。通过仿真之后就可以交付芯片厂商 进行生产。出于采用s o c 技术进行嵌入式系统产品设计，其绝大部分系统构建 都在系统内部，因此整个系统特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提 高了系统的可靠性和设计效率。 1 1 2s o p c 的出现 s o c 的出现使得微电子设计方法发生了根本性的转变，然而随着产品对于即 时上市( t i m e t o m a r k e t ) 的要求越来越高，人们希望进一步缩短s o c 的设计周 1 占整盔堂堡堂焦鲨塞 期。刚开始a s i c 设计采用的是掩膜技术，但是这种设计方法设计费用高，周期 长，且一旦设计完成不易修改。故而人们希望有一种更为灵活的设计方法出现， 以便在设计完成后依然可以对设计进行修改。随着超深亚微米技术的发展，逻辑 可编程芯片的密度已达到百万门级，上述问题得到了很好的解决。它不仅可以采 用软件编程的方法实现硬件的功能，而且可以对设计进行修改，体现了很高的灵 活性。目前，d s p 、m c u 、p c i 总线控制等复杂的功能可由一片可编程逻辑芯片 实现。由于可编程逻辑芯片密度的不断增加和第四代e d a 开发工具的使用，利 用可编程逻辑芯片实现s o c 已成为可能，人们将这项技术称为s o p c i 3 【3 3 i d 5 【3 6 】 ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ，可编程单芯片系统) 。 与a s i c 比较起来，可编程逻辑器件( p l d ) 设计起来十分灵活、便捷，不仅 性能、速度、连接具有优势，而且可以缩短上市时间，再加上p l d 是按标准器 件生产出来的，规模效应使得p l d 的成本相对十分低廉，故而在半导体领域中 p l d 越来越多地成为系统级芯片设计的首选。近年来p l d 器件密度的提高，芯 片规模的扩大和性能的提升也为s o p c 提供了物质基础。 综上所述，s o p c 将成为s o c 设计主流的原因主要包括：1 ) 从软件上来说， 先进的e d a 开发工具，如a l t e r a 公司的q u a r t u s l i ，以及s o p cb u i l d e r 的出现， 极大的提高了开发人员的工作效率。2 ) 从硬件上来蜕，p l d 器件性能的提高， 为s o p c 提供了坚实的物质基础3 ) 知识产权得到重视，越来越多的设计人员以 “设计重用”的方式对现有的i p 核加以充分利用，从而提高他们的设计效率并 缩短了上市时间。 要使s o p c 设计取得成功，就要更多的采用i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , 女i 识产 权) 模块，因为只有这样才能快速的完成复杂设计，从而达到即时面市的要求。 1 1 3 以i p 核为支撑的s o p c 设计 s o c 技术是以i p 核技术和超深亚微米技术为支撑的。其中，i p 核是s o c 设 计的核心。 i p 核是一种具有自主知识产权的特定功能电路模块，其有三种不同的表现形 式：软核、固核和硬核。 软核是用h d l ( 硬件描述语言) 方式提交，其性能己通过功能和时序验证。 2 上海大学硕士学位论文 由于软核不依赖于任何实现工艺和实现技术，具有很大的灵活性。使用者可以方 便地将其映射到自己所使用的工艺上，可复用性很高。软核的弱点在于，要求系 统设计人员为系统描述、i p 核嵌入以及版图转化全过程负责，这就要求设计者 必须具备风险意识，因为不加任何修改而将一个软核映射到一个工艺上具有很大 的风险。 硬核以i c 版图的形式提交，并经过实际工艺流片验证。硬核强烈地依赖于 某一个特定的实现工艺，而且在具体的物理尺寸，物理形态及性能上具有不可更 改性。其优点在于已经过i c 版图验证，因此拿来就使用。 固核是由软核发展而来的，以电路网表的形式提交，通常还经过硬件验证或 硬件仿真器验证。由于固核的时序特性是经过严格验证的，设计者只要保证在布 局布线过程中电路关键路径的分布参数不会引起时序混乱就可以保证芯片设计 成功。 对系统级芯片而言，系统规模都是在百万门、千万门甚至上亿门的规模。对 百万门、千万门规模的芯片设计不能一切从头开始。需要更多地采用己经有的成 熟设计。只有这样才能较快地完成设计，保证设计成功并得到低价的系统级芯片。 由此可见，i p 核技术是s o p c 设计的关键。在s o p c 的设计中，人们着重的 不再是某个新功能的实现，而是如何去评估、验证和集成多个已经存在的软硬件 模块，也就是从以功能设计为基础的传统设计流程转变为以功能组装为基础的全 新流程。 1 1 4 l c d 控制器i p 核设计意义和目的 随着笔记本电脑、便携式信息终端( 手机、b p 机等) 、投影设备、p d a 以及 壁挂电视的发展，l c d 作为重要的人机交互界瑟已经越来越显示出它的优越性。 其次，它的低功耗、低工作电压、体积小、重量轻以及显示对比度高等优点也成 为了设计开发人员的首选显示设备。另外，在设计上可以根据产品的需要，设计 出各种多样化的具有产品特色的字符图形，从而使得产品更具有吸引力。 一个完整的s o c 系统，包含了不同种类的i p 核。对于需要人机交互的s o c 系统来讲，显示控制器的i p 核是不可缺少的。l c d 显示作为目前一种主流的显 示方式获得广泛应用。因此，l c d 控制器的i p 核设计对于s o c 应用系统设计具 有非常重要的意义。i p 核设计的主要工具是硬件描述语言( h d l ) ，其中v h d l 3 是一种较为成熟的硬件描述语言。 1 2v h d l 硬件描述语言 1 2 1v h d l 语言介绍 硬件描述语言主要有两种：v h d l 和v e r i l o gh d l 。v h d l 是超高速集成电 路硬件描述语言的英文字母缩写。它的全英文是v e r y - - h i g h - - s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a i l g u a g e 。v h d l 和v e r i l o gh d l 语言都支持行为和 结构的硬件描述，并且可以从系统级一直到逻辑级。在描述数字系统时，可以使 用前后一致的语义和语法跨越多个层次进行混合描述，使得系统的原始描述可以 很方便地反映设计者的意图。两者主要区别在于：v h d l 语言是基于a d a 语言， 其提供了一系列顺序语句和并行语句，v h d l 模型的最基本的表示方法是进程并 行执行，在进程之间通过信号和共享变量进行通信。而v e r i l o gh d l 语言是基于 c 的语言，v e r i l o g 的并行语句通过事件来驱动，事件既可以是线性变量值的变化， 也可以是寄存器变量值的变化，它们之间的通行是通过网络来进行的。可见两种 语言各有特色，但只有v h d l 语言是唯一被美国国防部认可的硬件描述语言， 可见它的可靠性更高。与其他的h d l 相比，v h d l 具有更强的行为描述能力， 从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。 1 2 2v h d l 语言设计方法 在利用v h d l 语言进行硬件设计时，将对系统分三个层次进行设计。 第一层次是行为描述。行为描述实际上就是对整个系统数学模型的描述。其 目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存 在的问题。在行为描述阶段并不真正考虑实际的算法和操作用什么方法来实现， 主要考虑在系统的结构和工作过程是否能达到设计要求方面。 第二层次是r t l 方式描述。使用行为描述的系统结构程序，比较抽象，很难 直接映射到具体逻辑元件结构。所以要将程序改写成r t l 描述方式，只有这样才 能进行逻辑综合。 第三层次是逻辑综合。在这一阶段，采用逻辑综合工具将r t l 方式描述的程 4 上海大学硕士学位论文 序转换成基本逻辑元件表示的文件。此时，如果需要可以将逻辑综合结果以原理 图的方式输出。也就是说，逻辑综合的结果相当于画出了系统硬件的逻辑原理图。 但是，v h d l 语言也有其缺点。在使用v h d l 进行行为描述的过程中，由于 不针对任何硬件，通常一些v h d l 语句是不可综合的，因此这类语句无法在硬 件系统中实现，从而会影响到设计的效果。不过，如果语句所要描述的硬件模型 正好是元件库里有的功能模块，那么可以利用原理图输入的方法直接调用。这样 一来不仅实现了设计目的，也大大提高了综合的质量，弥补了v h d l 语言设计 的不足。由于在设计中可以调用现有的模块，因此在本课题的设计中，作者采用 了v h d l 语言与原理图输入相结合的方法，充分体现了两者的优越性。 1 3l c d 控制器i p 软核设计概述 1 3 1 l g d 控制器i p 软核的设计方法 以前对于电子产品的设计主要是采用“自下而上”( b o t t o m u p ) 的设计方法， 但是随着所设计系统规模和复杂性的提高，这种设计方法已经不能满足设计要 求。逐渐被“自上而下”的设计方法所取代。 在自上而下设计方法中，首先，需要进行行为设计，以便确定该系统的功能。 其次，进行结构设计，以便根据系统的特点，将系统分解为接口清晰、相互关系 明确、尽可能简单的子系统。每个系统结构通常是由算术运算单元、控制单元、 数据通道、各种算法状态机等组成的。第三，进行逻辑设计，以便把结构转化为 逻辑图，而逻辑图最终转化为电路图。为了确定逻辑设计的正确性，通常还需要 进行硬件仿真。在这一步中，希望尽可能采用规则的逻辑结构或采用自己经过验 证的逻辑单元或模块。 1 3 2 l g d 控制器i p 软核的设计内容 一、课题的主要任务 使用硬件描述语言v h d l 和原理图相结合的设计方法设计基于s o p c 的 l c d 控制器i p 软核。 5 上海大学硕+ 学位论文 二、课题内容 1 对l c d 控制器i p 软核功能进行总体描述。 2 使用硬件描述语言v h d l 和原理图相结合方法完成各模块电路的 设计。 3 对所设计的电路进行： 一行为级仿真验证 一延时仿真( 后仿真) 验证 二_ 物理验证 三、课题目的 s o c 技术是目前国内外一项较为领先的技术，对国家在微电子、信息技术 领域的发展有着重大意义。而s o c 的核心技术是拥有自主知识产权的i p 核的开 发。本课题正是在这种背景下，对目前使用较为普遍的l c d 控制器进行i p 软 核的开发，为本实验室最终开发出s o c 嵌入式系统基础平台提供有力保证。 6 上海大学硕士学位论文 第二章l o di p 软核开发工具一一 a l t e r ae x c a lib u r 套件简介 2 1s o p c 开发套件发展概况 嵌入式系统设计已步入s o c 时代，超大规模可编程逻辑器件及i p 核的应用 曰趋普遍和流行，对于学习和使用s o p c ，拥有一套功能全面的s o p c 评估和开 发工具是必不可少的。基于这种需求，a l t e r a 公司和x i l i n x 公司分别推出了自己 的s o p c 的开发平台。例如，d i g i t a ls w o r d h l s p i l 3 0 0 e 就是一种以x i l i n xs p a r t a n i i e 系列的3 0 万门s o p c 为核心的评估工具。其板上具有超大容量存储器，非 常适合s o p c 开发和i p 核的设计验证，尤其适合于在校研究生、s o p c 中高级 使用者和研究开发人员使用。a l t e r a 公司也推出了基于a r m 的e x c a l i b u r 系列 s o p c 开发平台，并带有相应的开发软件s o p cb u i l d e r 。e x c a l i b u r 装置最大的创 新是处理器具有在线重构f p g a 部分的能力。例如在外部闪存中存储有不同外设 的f p g a 的影象，它可以在运行时有选择的载入。运用可重构处理器装载当前需 要的外设，可以节省花费和功耗。它可以满足绝大多数组合逻辑电路、时序逻辑 电路以及可编程片上系统应用设计需求。开发工程师可利用v h d l 语言、v e r i l o g 语言、原理图或方程式，结合a l t e r a 集成开发环境s o p cb u i l d e r 和嵌入式处理 器开发环境g n u ，进行编辑、综合、仿真和布局布线和实时软件设计。下面对本 课题中使用的a l t e r a 公司的e x c a l i b u r 开发套件从硬件组成和软件使用两方面做 一个简要的介绍。 2 2a l t e r ae x c a lib u r 套件简介 2 21 e x b u r l i c a 硬件介绍 a l t e r a 的e x c a l i b u r 系列是一个基于a p e x 系列的s o p c 的嵌入式处理器解决 方案，它将可编程逻辑与处理器的能力结合到了一起。处理器的嵌入式有两种方 式：一种是嵌入式a r m 9 2 2 t 的硬核，另一种嵌入称之为n i o s 的软核。这两种 方式各有特点：对于前者，t ) 芯片内嵌入了2 0 0 m h z ( 2 1 0 m i p s ) 的a r m 9 2 2 丁r i s c ( 精简指令集计算机) c p u ，并带有容量各为8 k 字节的指令和数据缓冲区。芯 7 上海人学硕士学位论文 片内包含有存储器管理单元( m m u ) ，它可以给运行在其上的r t o s ( 实时操作 系统) 提供多线程的支持。3 ) 片上集成存储器和各种外设设备接口，如 s r a m d p r a m 、u a r t 、3 2 位时钟、存储器控制器等。这些特性将业界标准的 a r m 处理器高速计算能力和芯片提供的高性能可编程功能最优地结合一起，使 得设计人员从繁重的处理器设计工作中解脱出来，从而将大部分精力用在系统功 能的实现上。图2 1 为基于a r m 的e x c a l i b u r 系列器件内部结构示意图。 嵌入 式处 理器 带 可 编 程 逻 辑 p l l u a r t 宝i 定时器 l l 一 皇广磊百一 外部存储l 跟踪is r a m 器接口 i 模块 s r a m s r a m 中断控制la r mj d p r a m 器f9 2 2 1 f d p r a m d p r a m 4 1 6 0 个l e 2 6 个e s b x a l 3 2 ks r a m 1 6 kd p r a m 1 6 6 4 0 个l e 1 0 4 个e s b x a 4 i 2 8 ks r a m 6 4 kd p r a m 3 8 4 0 0 个l e 1 6 0 个e s b x a l o 2 5 6 ks r a m 1 2 8 kd p r a m 图2 1e x c a l i b u r 系列器件内部结构示意图 a r m 嵌入式微处理器是a l t e r a 的e x c a l i b u r 嵌入式微处理器的p l d 解决方案 的一个组成部分。这种器件结合了a s i c 和p l d 的灵活性优点。不同型号的器 件主要的区别在于：l e 、e s b 、s r a m 和d p r a m 大小不同。为了提高应用系 统的性能，e x c a l i b u r 系列器件的这种结构允许对嵌入式微处理器带和p l d 部分 的结构进行优化，使得其具有最高的集成度和更低的系统价格。正是由于 e x c a l i b u r 系列器件具有这些优点，因此本课题采用了基于a r m 的e x c a l i b u r 系 列器件的开发套件作为i p 核开发平台。图2 。2 为e x c a l i b u r 系列中的x a l 硬件丌 发平台。 上海火学硕士学位论文 图2 2 开发板硬件示意图 下表为e x c a l i b u r 器件内部资源。 t a b l e1 e p x a ld e v i c ef e a t u r e s f e a t u r e c a p a c i l y m a x i m u ms y s t e mg a t e s 2 6 3 0 0 0 t y p i c a lg a t e s 1 0 0 0 0 0 l e s4 1 6 0 e s b s2 6 m a x i m u mr a mb i t s5 3 2 4 8 m a x i m u mm a c r o c e l l s 4 1 6 m a x i m u mu s e ri 0p i n s 1 8 6 2 2 2e x c a l i b u r 器件软件使用 2 2 2 1 q u a r t u s i i 软件的安装和使用 当使用q u a r t u s i i 软件对e x c a l i b u r 系列器件进行开发时，需要安装b y t e b l a s t e r 9 土塑盔堂堡主堂垡丝塞 功能软，即需要安装编程下载电缆的硬件驱动软件。下面举例说明w i n d o w s 2 0 0 0 中的安装过程：( 1 ) 在控制面板中，选择添加删除硬件： ( 2 ) 在选择“添n i 排除硬件故障”中，选择“添加新设备”和“下步”：( 3 ) 在计算机询问“是 否选择属于搜索新硬件”时，选择“否，我想从列表中选择硬件”，硬件类型选 择“声音，视频和游戏控制器”；( 4 ) 在计算机提示选择驱动程序时，选择“从 磁盘安装”，找到q u a r t u s 软件的安装目录下的d f i v e r s 目录，从w i n d o w s 2 0 0 0 下选 择所需要的i n f 3 c 件即可。 q u a r t q s l l 支持多种输入方法，包括原理图、v e r i l o gh d l 、v h d l 、a h d l 、 e d i f 等。q u a r t u s l l 支持不同的仿真方式，包括功能仿真和时序仿真。仿真波形 的激励可以是图形方式输入信号，也可以是t e s t b e n c h 方式文本文件( 即用t c k 写 仿真脚本文件) 。此外，其还支持第三方的仿真工具。用第一种方式进行仿真时， 对输入信号；d i i 入相应激励就可以了。在布局布线后，会产生一个s o f 和p o f 文件， 两者都可以进行下载。a l t e r a 的编程电缆称为b y t e b l a s t e r ，电缆端接在计算机并 行打印口上，另一端接在开发套件硬件平台的p c b 板上的1 0 芯插头。连好后就可 以进行下载试验了。 在下载设计内容到开发板的步骤如下： l 、确保开发板断电，没有插入任何子卡。 2 、连接电缆到开发板上。 3 、上电。 4 、打开命令窗口，改变目录到参考设计的安装目录f l a s h 的子目录下，然后 敲以下命令： p r o c _ h w 批处理文件将连接有q u a r t u s 产生的h e x 文件。它包含了驱动器的影象数据。 批处理文件将利用e x c f l a s h p r o g r a m m e r i 具下载此文件。 5 、当下载完成后，关掉电源。 2 2 2 2e x c a l i b u r 器件的开发流程 e x c a l i b u r 器件的开发主要是利用嵌在q u a r t u si i 中的s o p cb u i l d e r ：i _ 具。由下 图可以看出，s o p cb u i l d e r 的设计包括两个步骤： 1 0 图2 3s o p cb u i l d e r 设计流程图 1 ) 描述系统 s o p cb u i l d e r 提供了一组图形界面以便用户描述系统，此界面列出了所有可 用的系统模块，有些模块自身也提供了一组界面让用户设置参数。设计者在界面 中挑选系统设计时需要使用的模块，并设置它们的参数。这个界面本身并不生成 逻辑或软件模块，它的目标是生成一个“系统描述文件”。 2 ) 用s o p c 创造系统 s o p c 界面中的v i e w 菜单下的显示总线连接被选中的话，模块表的左边将显示 主从设备之间的互连关系。如果主从之间是使用同一个协议，它们就可以任意相 连。如果使用不同的协议，可以通过桥元件连接。s o p c 包括两种协议：a m b a a h b 和a v a l o n “。a v a l o n 总线是一种灵活的总线接口一一简单的微处理器总线接口。 a m b a a h b 总线接口是一种业界标准的总线接口，它可以通过片上总线与i p 核连 接。如果多个总线共享一个从设备，那么s o p c 将自动插入一个仲裁来控制以便实 现主设备对从设备访问。为了显示仲裁特性，可以在显示菜单中将显示仲裁属性 选中。 l l 上海人学硕士学位论文 q u a r t u s i i 软件的s o p c 界面中有两页：系统内容页和系统产生页。它们主 要体现了上述的两个设计步骤。 系统内容页中要限定目标器件以及系统时钟频率。该频率必须与开发板上的 时钟频率相一致，同时在q u a r t u s i i 软件中也要限定。 一旦选定了外设，s o p cb u i l d e r 将自动产生外设所需要的总线、译码、仲裁 逻辑。e x c a l i b u r 中的条纹包含一个a r m 9 2 2 t 处理器和一些系统外设，s o p c b u i l d e r 可以配置这些部件以便使能各种外设，并且可以配置条纹寄存器和外设的 存储器映射。当配置条纹时，可以选择使能p l d t o s t r i p e 或使能 s t r i p e t o p l d 桥。前者使s o p c 器件中的主设备能够访问条纹中的资源。后者 可以使a r m 9 2 2 t 处理器能够访问s o p c 器件中的从设备。在增加各种外设和设定 基地址、元件的中断数量之后，可以按下“产生”按钮以便产生外设和条纹之间连 接所必需的总线逻辑。 1 2 上海大学硕士学位论文 第三章l c d 控制器j p 软核模块划分 3 1l c d 控制器i p 软核总体功能描述 对于大屏幕图形液晶显示模块来讲，通常需要一个控制其显示的控制器。 要实现l c d 显示模块显示必须需要显示控制器产生正确的时序信号，如：移位 信号( cl 1 ) 、行锁存信号( c l 2 ) 、帧信号( f l m ) 等。由于本论文所采用的l c d 模块为6 4 0 x 4 8 0 点阵，故每来6 4 0 个移位脉冲信号将产生一个行锁存信号，而 每来4 8 0 个行锁存信号将产生一个帧信号。显示时序信号要满足时序图上的参数 要求，即建立时间、保持时间等。显示时序信号由时序控制器产生的。除了时序 信号外，还需要从显示存储器中正确地取出的显示数据，因此必须有精确的地址 发生器，以便实现字符区和图形区的寻址。此外，彩色显示还需要色度表来实现 彩色代码转换。为了提高扫描速度，通常在s t n 型伪彩显示模块中采用双屏显 示方式上下半屏同步扫描方式。此时移位脉冲信号( c l l ) 、行锁存信号( c l 2 ) 不变，帧频将提高一倍。 在嵌入式应用中，通常要求l c d 显示器既能显示图形又能显示字符。所以 要将显示缓冲器区分成图形显示区和字符显示区，这两种显示缓冲区的显示数据 寻址方式区别较大。图形显示缓冲区的存储方式是一个像素点对应一个字节，各 个像素点依次存放。而字符区存放的是字符代码，对于不同的字符格式，其字符 代码的存储方式是不一样的。例如，对于8 8 的字符格式，每一行的8 个像素 点的字符代码是一样的，每一列的8 行的字符代码也是一样的。所以对于字符区 的寻址方式应该是每8 个像素点字符代码值加l 。这在设计是要加以考虑。 其次，由于字符和图形的显示方式不同所以要将字符显示方式与图形显示 方式的数据格式进行统一。图形显示中的每个像素点用一个字节的彩色显示代码 来表示，并且通过色度表转换成显示数据。对于彩色显示，也要对字符显示数据 进行相应的转变，即将字符显示的每个像素点用一个字节的彩色显示代码来表 示，然后和图形显示一样通过色度表转换成显示数据送往l c d 模块上。 除了以上主要的功能模块，要实现多姿多彩的显示效果，少不了一些参数的 设置，例如灰度彩色选择参数，显示域宽度参数，显示缓冲区首地址参数等。 这些参数的设置可以通过参数寄存器模块实现。 1 3 3 2 系统模块划分 图3 ，1 功能模块划分图 由图3 1 可知，可以将l c d 显示控制器i p 核划分成如下主要模块 a ) l c d 控制器i p 核时序发生器模块： b ) l c d 控制器i p 核地址发生器模块： c ) l c d 控制器i p 核彩色查找表模块： 信号的转换： 产生显示所需要的时序信号； 产生字符区和图形区的寻址地址； 存放色度码，实现彩色代码到显示数据 d ) l c d 控制器i p 核f i f o 模块：实现显示数据的缓冲处理： e ) l c d 控制器i p 核格式转换模块：实现字符数据的格式转换； f ) l c d 控制器i p 核逻辑组合模块：实现图形数据和字符数据的逻辑组合，以 便实现不同的显示效果； g ) l c d 控制器i p 核字符发生器模块：实现字符代码到字模数据的转换。 1 4 第四章l c d 控制器l p 软核的模块实现 本章将详细描述l c d 控制器i p 软核各个模块的结构及实现方式，并对模块 间的接口信号做了详细描述。 4 1时序发生器模块 4 1 1时序发生器结构 此模块主要任务是将由晶体振荡器引入的时钟信号变换成系统所需的控制 时序信号和显示时序信号。控制时序信号将驱动逻辑电路以便管理和控制显示控 制器所有的内部功能电路，包括显示存储器的管理和操作、字符发生器的操作、 参数寄存器的内容转换成相应的显示功能逻辑、传输显示数据和指令参数等。显 示时序提供显示时钟以便产生液晶显示驱动系统所需要的驱动时序脉冲序列，并 且实现显示数据向液晶显示驱动系统的传送。要完成液晶显示必须满足一定的时 序参数要求，l m l 6 3 液晶模块的显示时序参数要求如下： 显示时序参数主要有移位脉冲信号、行锁存脉冲信号、帧信号、交流驱动 信号等。移位脉冲信号下降边沿来的时候必须保证数据已经存在至少i o n s ，即 满足数据建立时间，并且必须保证下降边沿过后数据至少保持l o n s ，即满足数 据保持时间。另外要保证行锁存信号下降沿来的时候，帧脉冲也要保持一定的建 立时间和保持时间t 。和t h 4 1 2时序发生模块接口描述及逻辑实现 图4 1 时钟发生器接口描述 1 5 上海大学硕士学位论文 信号描述； c l o c k ：外部时钟信号( 开发套件硬件平台板上2 5 m 晶振) r e s e t ：时序发生模块复位信号； c l l ：行锁存脉冲信号； c l 2 ：像素移位脉冲信号； m o d ：交流驱动脉冲信号。 时序发生器逻辑实现如下： 图4 2 时序发生器逻辑实现 1 6 4 2 地址发生器结构及其实现 4 2 1 地址发生器结构 有了控制信号还必须要有地址信号。此模块主要是产生显示数据缓冲区单元 的地址。对于既要显示图形又要显示字符的l c d 显示来讲，显示缓冲区需要分 成图形显示缓冲区和字符显示缓冲区。这2 个显示缓冲区的寻址方式有很大的不 同。对于图形显示相对简单一点，个像素点对应一个字节的图形代码，所有像 素点在图形显示缓冲区按顺序排列。对于字符显示，则较为复杂。在本论文中规 定字符格式为8 8 格式，即是一个字符对应8 个字节的字模数据。因此，要显 示一个完整的字符需要8 个像素行，每个字符对应字符区中的一个字节，该字节 代表今后对字符发生器寻址的高8 为。低3 位完成8 次记数，顺序产生8 个字节 的字模数据的寻址地址。总共构成1 1 位寻址2 k 单元的字符发生器。对于图形 显示区，每来一个像素时钟脉冲地址就加1 。而在字符显示区，每8 个像素时钟 脉冲地址加l 。 4 2 2 地址发生器接口描述及部分实现代码 图4 3 地址发生器接口描述 信号描述： c l 2 ：移位脉冲信号： s e l ：显示区选择信号： r e s e t ：复位信号； a d d r e s s ：地址信号。 上图为地址发生器的总体框图。通过像素时钟脉冲信号记数，并且结合区域 选择信号产生寻址的地址信号。经过细分可以获得如下功能框图。 1 7 上海人学硕士学位论文 图4 4 地址发生器功能划分 实现原理如下：首先根据区域选择信号确定寻址区域是图形显示缓冲区还是 字符显示缓冲区并由此产生各个显示缓冲区的基地址。如果是图形显示，则由 相应的图形地址产生逻辑产生图形地址偏移量，再和相应图形显示缓冲区的基址 合成产生对图形显示缓冲区寻址的地址信号。同样的，如果是字符显示，则由相 应的字符产生逻辑产生字符地址偏移量，再和相应的字符显示缓冲区的基址合成 产生对字符显示缓冲区寻址的地址信号。最终通过多路选择器选择所需要的地址 信号。 以下是地址发生器的状态机示意图。如果是字符则每8 个脉冲地址加l ，如 果是图形则每个脉冲地址加1 。如果有行锁存信号，对于图形显示缓冲区，则地 址加6 4 0 ：对于字符显示缓冲区，则地址加8 0 。同理如果有帧信号则地址返回该 区首地址。如果没有行锁存、帧信号，则返回脉冲记数状态。 1 8 图4 5 地址发生器状态机 地址发生器实现代码如下： ( 1 ) 区域选择部分实现；该模块主要产生所选择的显示缓冲区的基地址，实 现代码如下。 l i b r a r yi e e e ； u s e i e e e s t d _ l o g i c _ l16 4 a l l e n t i t yb l o c k _ n a m ei s p o r t ( s e l ：i ns t d l o g i c v e c t o r ( 1d o w n t o0 ) ； a d d r e s s ：o u ts t d 上o g i c v e c t o r ( 1ld o w n t oo ) ； s e l 2 ：o u ts t d l o g i c ) ； e n db l o c k n a m e a r c h i t e c t u r eb l o c k _ n a m e _ a r c h i t e c t u r eo fb l o c kn a m ei s b e g i n p r o c e s s ( s e l ) b e g i n c a s es e l i s 1 9 上海大学硕士学位论文 w h e n ”0 0 ”= a d d r e s s = “0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”；s e l 2 a d d r e s s = “0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”；s e l 2 a d d r e s s = “0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”；s e l 2 a d d r e s s = ”0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”；s e l 2 d a t a t u o d a t at ul d a t a z i 一0 d a t a _ z i 一1 = d a t a ； e n dc a s e ； 。 e n dp r o c e s s ； e n d b l o c k _ n a m e _ a r c h i t e c t u r e ； 4 3 字符发生器结构及其实现 4 3 1字符发生器结构 字符显示方式少不了字符发生器。通常字符发生器是固化在片内的一组字 符字模数据，包括有常用的数字、字母和专用字符约1 0 0 余种。该字符是5 7 点阵，加上行间距1 点字符间距3 点，在显示屏上大显示效果为8 8 点阵字符。 字符代码以单字节形式编制。字符发生器可以看成是2 k 的p r o m ，其寻址的地 址信号为a 1 0 一a 0 。字符显示缓冲区内的字符代码可以被看成是字符发生器的高 8 位地址，低3 位地址a 2 a 0 由行记数器提供。字模数据是以8 个字节为一组 循序排列的。当字符代码确定后，行计数器的8 次加1 ，将8 字节的字模数据依 次取出送入驱动部件。字符发生器细可分成如下两个子模块。 上海大学硕士学位论文 图4 8 字符发生器功能划分 4 3 2 字符发生器接口描述及逻辑实现 图4 9 字符发生器接口描述 信号描述： c l 2 ：像素移位脉冲信号： a d d r e s s 7 o 】：字符区字符代码，字符发生器高8 位地址 r e s u l t 1 0 o 】：字符发生器的1l 位寻址地址。 上海大学硕士学位论文 图4 1 0 字符发生器逻辑实现 上图为字符发生器的逻辑实现，模块b l o c kn a m ez i g e n 为字符数据首地址 产生单元，其产生每个字模数据的首地址；而逻辑实现的上半部分是偏移地址产 生单元，其产生字模数据的偏移量。两单元组合依次产生字模的八个字节数据。 4 4 显示存储器模块 对于显示缓冲区的刷新可以采用外接8 0 5 1 单片机，通过扩展引脚写入片内 r a m 的方式。但是为了显示图形和字符，必须对显示缓冲区进行区域的分配和 管理，只有这样才能使显示缓冲区与显示屏的像素点之间建立一一对应的关系， 从而保证显示的精确性。 4 4 1 显示存储器的分配 显示缓冲存储器可以分为几个显示区域，每个区域可以赋予不同的显示特 性，根据控制器的功能，显示缓冲存储器通常可以分为文本显示缓冲区，图形显 示缓冲区等。 文本显示区：用于文本显示方式。在此方式下文本显示缓冲区单元内的数据 2 4 上海大学硕士学位论文 被控制部确认为字符代码。该字符代码通过字符发生器产生相应的字模数据。8 个字节的字模数据对应显示屏上的8 8 点阵字符块。 图形显示区：用于图形显示方式。在此方式下图形显示缓冲区单元内的数据 被控制部确认为对应像素的图形彩色显示代码。通过色度表产生显示屏上对应点 的显示状态。“1 ”表示显示，“0 ”表示不显示。 4 4 2 显示存储器的管理 液晶显示控制器对显示缓冲存储器的分区管理是由若干各参数寄存器的内 容所控制的。一个是显示区的起始地址s a d ，它确定了该显示区的首地址，这 个地址对应了显示屏的左上角的显示位。另一个是每行的显示字节数c r ，它决 定了在一行扫描时控制器要向驱动系统传输多少字节的数据。当这两个参数确定 后，显示屏与存储单元地址就一一对应了。由于文本显示缓冲区与图形显示缓冲 区的数据性质不一样，它们对应显示屏的点阵数也不一样，所以各自所占的存储 空间也不一样，一般图形显示缓冲区所占空阗是文本显示缓冲区的8 倍( 以字符 8 8 点阵计算) 。 i 行 2 行 3 行 ： 口 r l 行 位置i位置2 。位置c r s a ds a d + ls a d + c r 1 s a d + c rs a d + c r + 1 s a d + 2 + c ，r - l s a d + 2 + c rs a d + 2 + c ，r + l s a d 十3 c ，r 1 s a d + ( n 1 1 4 c rs a d + ( n 一1 ) + c ，r