（电路与系统专业论文）基于AMBA总线的嵌入式TFTLCD显示系统的设计及其FPGA实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

枣文臻簧 摘要 如今i c 设计进入了s o c ( s y s t e m 。0 1 1 c h i p ) 设计时代。s o c 是指在单一芯 片上集成了微控制器、数字信号处理器、存储器、i 0 接口等，可以实现信 号采集、转换、存储、处理等功能黪芯片。s o c 设计是基于王p 酉重用性豹 设计过程。现在已有不少公露成功她开发了各种s c 总线撬范，以便于王p 核的可复用性设计。其中，a r m 公司开发的a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 规范穗经成为嵌入式应用的行业标准。嵌 入式s o c 芯片广泛应用予消费窀予产品中，近年来随着彩羼手机、p d a 等 移动终端的普及，液晶电视等平板显示器件的推广，液晶显示器已经逐渐 取代c r t 成为主流的显示器件。l c dd r i v e ri c 作为液晶显示器的重要部 件，需求量瞧墓益增大。嵌入式液晶漫示系统的设诗是当今s 0 e 设计中不 可缺少的部分，丽基于a m b a 总线规范的l c d 显示系统更是具备良好的性 能和较大的潜力。 本文提出了一种基于a m b a 总线规范的彩色t f t - l c d 数字图像显示 解决方案，硬件设计上翘括a p b 存储接弱模块、l c d 控制模块，并露v h d l 硬件描述语言进行了功能仿真，采耀m e n t o r 公司m o d e l s i m 5 8 完成了系统 功能验证；软件设计上完成了基于s a m s u n g 公司$ 6 d 0 1 1 0t f t - l c d 驱 动芯片豹测试程序豹编写和系统测试。本设计不需要掌握罩擎l e d 内部 构造，复杂的内部驱动原理，哭需要掌握a m b a 总线规范帮毛c d 的m p u 并行接阴时序，采用本课题设计出的l c d 显示控制模块简单实用，便于 推广应用。 本课题基于x i l i n x 公司的v i r t e xl lf f l1 5 2p r o t o 开发平台完威了软 件调试，实现了t f o l c d 图像显累。调试结果裘硬硬件和软件设计正确 且取得了较为满意的结果。 关键词：t f t - l c ds o ca m b a 总线数字图像显示 英文摘要 a bs t r a c t t o d a y ，i n t e g r a t e dc i r c u i t sd e s i g ni sd e s i g no fs o c ( s y s t e m o n - c h i p ) s o c i sak i n do fc h i pw h i c hi n t e g r a t e sm c u ，d s p ，m e m o r y ，i 0i n t e r f a c ec i r c u i t s e t c i nt h i sw a y ，as i n g l ec h i pc a nr e a l i z es i g n a ls a m p l i n g ，s i g n a lt r a n s f o r m ， s i g n a ls t o r a g e ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n di of u n c t i o n i pr e u s ed e s i g ni st h eb a s i s o fs o cd e s i g n n o wm a n yc o m p a n i e sh a v ed e v e l o p e ds e v e r a lk i n d so fso c b u s s p e c i f i c a t i o n s t o s i m p l i f y i pr e u s e d e s i g n 。a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) s p e c i f i c a t i o nw h i c hi sd e v e l o p e db ya r m l t d 。h a sb e e nas t a n d a r do fe m b e d d e da p p l i c a t i o n 。e m b e d d e ds o cc h i pi s u s e dw i d e l yi nc o n s u m e r e l e c t r o n i c sp r o d u c t s ，a n di nr e c e n ty e a r sw i t ht h e p o p u l a r i t yo fc o l o rm o b i l ep h o n e ，p d a ，l c di sr e p l a c i n gc r ta st h e m a i n s t r e a mo fd i s p l a yd e v i c e s a n da sa ni m p o r t a n tp a r to fl c dd i s p l a y s y s t e m ，l c dd r i v e ri ci si nm o r ed e m a n d t h ed e s i g no fl c dd i s p l a ys y s t e m i s i n d i s p e n s a b l et os o cd e s i g n s p e c i a l l y ，l c dd i s p l a ys y s t e mb a s e do n a m b as p e c i f i c a t i o nh a sm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t kh a r d w a r e d e s i g ni n c l u d e da p bs t o r a g e i n t e r f a c e m o d u l e ，l c d c o n t r o l l e rm o d u l e ，a n dm o d e l e dt h e mi nv h d lh a r d w a r el a n g u a g e m o d e l s i m 5 8 i su s e dt od ot h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o n t h es o f t w a r ed e s i g ni sb a s e do n 氇es a m s u n gs 6 d ell0t f 鼻l c dd r i v e ri ct of i n i s ht h et e s t i n gp r o g r a m 。 t f t - l c di n t e r n a ls t r u c t u r ea n dc o m p l i c a t e dd r i v e rp r i n c i p l ei sn o tn e e d e d a n do n l ya m b a s p e c i f i c a t i o na n dl c dm p up a r a l l e li n t e r f a c et i m i n gn e e dt o b em a s t e r e dt od e s i g nt h ep r a c t i c a ld i s p l a ys y s t e m t h es o f t w a r et e s t i n gi sb a s e do nt h ep l a t f o r mo fx i l i n xv i r t e xi if fll5 2 p r o t ob o a r da n dc o m p l e t e st h e d i s p l a yo ft f t l c dc o l o ri m a g e t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a to u rs y s t e m s u c c e s s f u l l y f u l f i l l e dt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n tw ee x p e c t e d 。 k e yw o r d s ：t f t - l c d ，s o c ，a m b a ，d i g i t a li m a g ed i s p l a y 独创性声明 本人声明所呈交斡学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 乍和敬褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞蕉鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谓十意。 学位论文作者签名：j 芎蝻 签字日期： 油年 胃“1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞塞堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨童基堂可以将学位论文的全部或部分蠹容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部f j 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密盾适用本授权说明) 学位论文作者签名： 蝴 导师签名： 签字嚣期：沙呵年 胃影霾 弘椭孝 签字目擎：西哆年7 月对酲 第一章绪论 1 1 引言及其背景介绍 第一章绪论 嵌入式片上系统芯片s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 广泛应用于手机、p d a 等便携式 手持式电子产品中。在目前的消费电子领域中，出于应用的迫切需求，以前的单 色l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 已不能满足现今的各种多媒体应用，彩色l c d 被越 来越多地应用到嵌入式系统中，支持彩屏的应用几乎是不可缺少的。嵌入式l c d 显示系统在设计上要求符合s o c 总线规范、可重用性强、功率消耗小，功能上要 求满足便携手持式设备的需求。所以设计基于s o c 总线规范的l c d 显示系统是 s o c 芯片设计中不可缺少的一部分。 1 1 1l c d 分类及介绍 液晶显示l c d ，是利用液晶材料在电场作用下发生位置变化而遮蔽通透光 线的性能制作成的一种重要平板显示器件。 l c d 按照商品形式分类为： ( 1 ) 液晶显示屏：包括前后偏振片在内的液晶显示屏，通常简称l c d 屏。在使 用时用户必须自行设计配备驱动电路。 ( 2 ) 液晶显示模块：包括组装好线路板、i c 驱动电路( 甚至含控制电路) 及其 他附件的商品，简称l c m ( l i q u i dc r y s t a lm o d u l e ) 。 按照显示方式分类为： ( 1 ) 单色显示：黑底白字或白底黑字显示。 ( 2 ) 彩色显示：又分单彩色和多彩色。而在多彩色中又分为伪彩色( 即只能显 示8 至3 2 色显示) 和真彩色( 即可显示2 5 6 种颜色至几十万种颜色的显示) 。 通常使用的l c d 器件有t n 型( t w i s t n e m a t i cn o m a d i c ，扭曲向列型液晶) 、 s t n 型( s u p e rt n ，超扭曲向列型液晶) 和t f t 型( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ，薄膜晶体 管型液晶) 。t n 、s t n 、t f t 型液晶，性能依次增强，制作成本也随之增加。t n 和s t n 型常用作单色l c d 。s t n 型可以设计成单色多级灰度l c d 和伪彩色 l c d ，t f t 型常用作真彩色l c d 。t n 和s t n 型l c d ，其颜色数在2 1 8 种以下， 称为伪彩色，2 1 8 种及其以上颜色的称为真彩色，t f t 型可以实现大面积l c d 第一章绪论 真彩显示，其像素点可以做成0 3 m m 左右。 随着个人消费电子的迅猛发展，t f t - l c d 驱动控制芯片作为消费电子产业 中的一部分被广泛应用，已经由原来的驱动芯片和l c d 屏幕分开发展到现在的 单芯片解决方案，即将驱动芯片和l c d 面板集成到一个芯片中即l c dd r i v e ri c 。 l c dd r i v e ri c 作为液晶显示器的重要部件，需求量也日益增大。 控制驱动器件的供电电路、驱动的偏压电路、背光电路、振荡电路等构成 l c d 控制驱动的基本电路，它是l c d 显示的基础。l c d 与其控制驱动、接口、 基本电路一起构成l c m ( l i q u i dc r y s t a lm o d u l e ，l c d 模块) 。常规嵌入式系统设 计，多使用现成的l c m 做人机界面；现代嵌入式系统设计，常把l c d 及其控 制驱动器件、基本电路直接做入系统。整体考虑，既结构紧凑，又降低成本，并 且有利于减少功耗、实现产品小型化。 l c d 驱动程序一般包括初始化程序、管理程序和数据传输程序。大多数l c d 控制驱动器厂商都随器件提供有汇编或c 语言的例程资料，十分方便程序编制。 1 1 2t f t l c d 的背景 当今社会已进入信息时代，信息显示技术渗透到了国民经济的各行各业之 中。显示器是与人视觉交往的重要器件。薄膜晶体管液晶显示器由于体积小、重 量轻、功耗低、易实现大容量显示、厚度薄、无辐射、寿命长；显示器表面物理 纯平，画面显示无几何畸变；不怕电磁干扰，不存在图像聚焦问题等优点，给信 息显示技术带来了一场深刻的革命。美国工业界认为，l c d 工业是本世纪最具发 展潜力的1 5 个高科技工业之一。由于t f t - l c d 非常适合嵌入式图像系统对功耗、 体积、成本和可靠性等方面的要求，目前己经广泛应用于监视器、便携式电子产 品和电子消费类产品中。在市场销售量上，t f t l c d 已超过c r t 成为主流显示器， 成为当前显示领域的主导技术。t f t - l c d 必将成为未来信息显示领域的重要组成 部分。 p c 时代来临，电子制造厂商争相竞争消费电子市场的商机，消费电子产品 附加的面板需求令小尺寸面板厂商垂涎三尺，面板功能对于产品市场销售绝对有 加分效果，这样使得t f t l c d 面板在小尺寸领域应用后来居上，迫使单色液晶屏 幕退出主流，小尺寸面板的爆发力源于移动电话及p d a ，近年来全球手机市场呈 现爆炸性需求，多媒体手机里，对于画质的要求大幅提升，随着照相手机数量上 的普及与像素上的提升，手机面板采用t f t 。l c d 面板技术来满足画质要求的比重 越来越高，t f t l c d 可以提供较高的分辨率，具有较为丰富的色彩和较快的反应 时间，同时t f t l c d 面板成本也在近几年有了大幅的下降。在面板性能提高的同 2 第一章绪论 时，又兼顾了耗能的改善。其他应用领域还包括数码相机( 1 8 寸2 0 , - j - ) 、摄影 机( 2 5 寸 - - 3 5 寸) 、p d a ( 4 寸7 寸) 等，在中小尺寸的市场里，t f t l c d 的市 场需求量愈来愈大。 本论文正是在这样的一个有实际使用价值和理论研究价值的背景下应运而 生，采用的三星t f t - l c d 显示面板具有广泛的市场需求，多应用于手持移动设 备如手机等。 1 2 基于f p g a 设计的嵌入式系统 嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断 的产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历 着一次又一次的革新。虽然a s i c 的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风 险较大，而可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e ) 设计灵活、功能 强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 其设计性能己完全能够与a s i c 媲美，这种没有预先设置程序的器件不会造成大 的重复设计费用。作为嵌入式系统的基础元件之一，f p g a 的面貌正日新月异： 逻辑单元不断增加、单位成本和功耗不断降低，而根本的设计灵活性和快速转 换能力却始终未变。f p g a 发展成为适合中小批量生产的应用器件，而其应用也 从早期的嵌入式通信系统扩展到了低成本的消费电子。f p g a 之所以越来越多地 在嵌入式系统中得到应用，主要得益于它在低成本和低功耗两方面均取得了很 好的进步。凭借半导体工艺技术的不断进步和制造效率的提高，f p g a 已在很多 对成本高度敏感的市场上与a s i c 平分秋色。比如x i l i n x 公司最新推出的 s p a r t a n l i i 系列高性价比f p g a ，其批量成本已经达到1 0 美元1 0 0 万门的程度， 其性能价格比己足以与a s i c 抗衡。因此，f p g a 在嵌入式消费电子领域已占据 着越来越重要的地位。 1 3s o c 与嵌入式系统 1 3 1 片上系统 嵌入式系统是当今计算机工业发展的一个热点。随着超大规模集成电路的迅 速发展，半导体工业进入深亚微米时代，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来 第一章绪论 越大，可以在单芯片上集成上百万到数亿只晶体管。集成电路制造技术的迅速发 展使我们现在能够在一小块芯片上把以前由c p u 和若干i o 接口等数块芯片实现 的功能集成起来，由单片集成电路构成功能强大的、完整的系统，这就是我们通 常所说的片上系统s o c ，s o c 逐渐成为嵌入式系统发展的主流。s o c 是一个复杂 的系统，它一般将一个完整产品的各种功能集成在一个芯片组上，其中包括处理 器c p u 、存储器、硬件加速单元( 如图像语言处理单元、d s p 、浮点协处理器等) 、 与外围设备的接口i f 、模数混合电路( 放大器、比较器、a d 、d a 、射频电路、 锁相环等) 。 s o c 是用复杂功能的v l s i 级、可重复使用的i p 核做为部件，集成的嵌入 式应用系统。随着v l s i 工艺技术的发展，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越 来越大，为整个系统的芯片集成提供了可能。同时，多种兼容工艺技术的发展， 使得差别很大的不同种类的器件可以集成在同一个芯片上。 。 如何界定s o c ，认识并未统一，但是应包含以下几点： s o c 应由可设计重用的i p 核组成。i p 核具有复杂系统功能，并可交易 i p ：核一般采用深亚微米以上工艺技术 s o c 中可以有多个m p u 、d s p 、m c u 或其复合的i p 核 s o c 是软硬件协同设计的产物 s o c 的设计方法必然是自顶向下( t o p d o w n ) 的从系统到功能模块( 特别 是子系统) 的软硬件协同设计方法，实现了软硬件的无缝结合，直接在处理器芯 片内嵌入操作系统的代码模块，具有极高的综合性。 s o c 设计往往涉及到i p 核可移植性、设计复用。这些i p 核可能是自己开发的， 也有可能是来自第三方的。i p 核接口的标准化使得i p 核具有统一的接口，而不必 在芯片集成时，为了适应不同的系统和不同的s o c 而改变r t l 代码。i p 集成的关 键在于建立正确、高效、灵活的片上总线结构。 目前片上总线尚处于发展阶段，业内还没有统一的标准，因此各大厂商和组 织纷纷推出自己的标准，以便在未来的s o c 片上总线标准中占有一席之地，其中 一些比较有影响的片上总线有a r m 公司的a m b a 总线、a l t e r a 公司的a v a l o n 总 线、s i l i c o r e 公司的w i s h b o n e 总线等。总线理论我们将在第二章里继续阐述。 1 3 2 片上可编程系统 用可编程逻辑技术把整个系统集成在一块硅片上，称作s o p c s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p 。可编程片上系统( s o p c ) 是一种特殊的嵌入式系统：首 先它是片上系统( s o c ) ，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次， 4 第一章绪论 它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬 件在系统可编程的功能。s o p c 是硬件可配置的s o c 。s o p c 一般是在f p g a 硅 片上嵌入m c ui p 核的s o c 。s o p c 的特点是硬件具备可重构性，便于系统设计 和维护，软件又可编程，体现自我定制微处理器软件的灵活性。 s o p c 结合了s o c 和p l d 、f p g a 各自的优点，一般具备以下基本特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核； 具有小容量片内高速r a m 资源； 丰富的i pc o r e 资源可供选择； 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和f p g a 编程接口： 可能包含部分可编程模拟电路； 单芯片、低功耗、微封装。 s o p c 的技术内容 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实 时多任务操作系统( i 汀o s ) 为中心的软件设计技术、以p c b 和信号完整性分析 为基础的高速电路设计技术以外，s o p c 还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协 同设计技术。由于s o p c 的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行的，而 b g a 封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和 数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬 件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如 x i l i n x 公司的片内逻辑分析仪c h i ps c o p e 就是一种价廉物美的片内实时调试工 具。 s o p c 的前景 s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，目前0 1 3 微米的a s i c 产品制造价 格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围i o 及可 编程逻辑的s o p c 芯片则在应用的灵活性和价格上占有极大的优势。s o p c 被称 为“半导体产业的未来”。 a l t e r a 于2 0 0 0 年生产了首例嵌入3 2 位a r mi p 核的e x c o l i b u rs o p c 。接着又生 产出3 2 1 6 位n i o sm p u 软核的s t r a t i x 。现在又有嵌入n i o si i 的s o p c 。x i l i n x 生产 的是嵌入3 2 位p o w e r p cm p u 核的v i r t e xi is o p c 。其它p l d 制造商也都纷纷的在 自己的f p g a 上嵌入了不同位数的m p u m c u 。 一般各s o p c 生产厂都提供一块装有s o p c 的开发评估板，为用户备好硬、软 件同步开发的良好环境，帮助目标产品的提前上市。这些p l d f l 引j 造商都提供现成 的硬件编程工具和丰富的逻辑元件库供用户使用。 第一章绪论 使用s o p c 开发s o c 产品有如下优点： 用设计重用i p 核开发s o c 的方法尚处研发阶段，而s o p c 方法已经现实可用： s o p c 著名厂商多具2 0 多年坚实功底，其硬件编程的各种工具和兼顾第三方的 功能库等，都已精良完善。基于查表算法的f p g a 已经达到单片上构建多核d s p 或多个d s p 处理器的水平，可以满足当前通信、音视频和图像应用的需要； s o p c 绕开了s o c 方法虚拟插口的困扰、i p 的黑箱认证的困难，同时也避免了 s o c 的i c 设计和流片过程： 大幅度缩短上市时间； 经济实惠 1 3 3i p 重用技术 要实现t i m e t o m a r k e t 的s o c 系统芯片的设计，如果设计者还是局限于每个 功能块都自行开发的话，无论从技术难度还是开发的成本来讲，都是设计者无法 想象的。设计者必须开发或者是利用现有的功能块，即知识产权( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 。i p 指可用来生成a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i o 和 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的逻辑功能块，又称为i p 核( 口c o r e ) 。根据i p 核 描述的所在集成电路的设计层次，或者说根据核优化的程度，i p 可分为硬i p 和 软i p 和固核i p 。对于硬i p 所有的验证和仿真工作都已完成，用它可以直接制成 硅片，系统设计者不能再对它进行修改。而软i p ，是以行为级或r t l 级的v h d l 或v e r i l o g 代码的形式存在，它要经过逻辑综合及版图综合才能最终在硅片上实 现。固核i p 是指在结构和拓扑方面针对性能和面积通过版图规划的i p ，它们以 综合好的代码或通用库元件的网表形式存在，介于软核和硬核之间。固核只能根 据用户的需求做部分修改，可重新定义网表关键路径的性能参数，可重新优化内 部连线表。 在s o c 设计中，工程师关注的焦点是：应该选择哪些功能模块、功能模块如 何使用、如何进行软硬件的功能划分、如何进行模块互连、如何进行系统验证等 等。比较起来，以i p 设计复用为基础的方法更能满足s o c 的设计需要。然而在现 实的市场上，可以立刻重复使用的i p 模块很少，因为许多i p 在设计之初都是针对 特定的应用，而很少考虑到要与外来电路搭配使用。i p 模块本身的缺陷给i p 集成 带来的一系列问题，如i p 模块的接口不能够和s o c 定义的片上总线很好地匹配， i p 模块提供的技术文档不完善，i p 模块提供的技术支持不充分、不及时等。这些 问题的关键在于i p 的定义没有一个通用的接口标准，这是因为芯片实现的功能干 差万别，性能方面的要求也由于应用领域的差异而不同，即使同样功能的i p 模块 6 第一章绪论 在速度、面积、功耗、对外接口等方面也表现各异。国际上，一些大公司的解决 办法是逐步定义公司内部甚至是几个公司间通用的片上总线标准。 i p 复用是s o c 设计关键技术，总线协议对i p 复用起着重要的作用，它规范了 各个i p 的接口。片上总线( o n c h i pb u s ) 作为s o c 集成系统的互连结构，可以把各 个d 功能模块间的相互通信问题，包括数据格式、通信联络、时序、协议等方面， 从而为设计人员免去相当大的精力去考虑如何将自己设计的功能模块和其他功 能模块连接起来，使得i p 模块集成起来更加方便。 1 4 课题特点及解决的问题 作为嵌入式图像处理系统的基本组成部分，图像显示的质量直接关系到系统 的性能。本课题的最终目的是构建一个嵌入式、低成本、低功耗的图像显示平台。 本课题有以下几个特点： ( 1 ) 采用t f t l c d 液晶显示器 。 嵌入式图像处理系统要求高品质的彩色数字图像显示，而t f t l c d 是目前 l c d 家族中显示品质最高的一种，可以很好的满足其各项显示要求。 ( 2 ) 设计简单，易实现 不需要掌握t f t l c d 器件构造，栅极、源极驱动原理，只需要掌握a p b 总线 规范和l c d 的m p u 接口( 分8 0 8 0 6 8 0 0 两种) 时序和三星s 6 d 0 11 0d r i v e ri c 的驱 动流程，就可以设计出简单实用的l c d 显示控制模块。 根据所采用的驱动芯片，研究相关控制信号、数据信号和时钟信号的时序过 程，设计出适合于本显示模块的时序电路，将a p b 总线输入信号转变为适合 t f t l c d 的信号，与驱动芯片有效配合，实现t f t l c d 的正确显示。 ( 3 ) 具有图像数据缓冲模块 在a p b 总线上的接口模块中设计了一个图像存储f i f o ，可以完成图像数据从 a h b 总线到a p b 总线的缓冲。 ( 4 ) 基于f p g a 实现了图像显示 本系统使用x i l i n x 公司v i r t e xi if f l1 5 2p r o t of p g a ( 型号为 h w - a f x f f l l 5 2 2 0 0 ) 开发平台作为硬件开发环境，实现了彩色数字图像真彩显 示程序的软件设计。c p u 使用的m i p s3 0 0 0 ，主频达到1 0 0 m h z 。 本课题完成了基于a m b a 总线的t f t l c d 液晶显示系统的设计和验证，主要 解决了该系统构架设计与实现过程中的如下技术问题： ( 1 ) 片上总线一a m b a 总线的关键设计点，包括： 7 第一章绪论 a p b 存储模块的设计与仿真； 缓冲模块f i f o 的设计与仿真； ( 2 ) 与三星s 6 d 0 11 0 驱动芯片有效配合的t f t l c d 控制器的设计与仿真； ( 3 ) t f t l c d 测试程序的编写。 1 5 论文的结构 本文的重点是基于a m b a 总线的t f t l c d 液晶显示系统的设计及其f p g a 实现，并介绍了相关的a m b a 总线规范。论文整体框架和安排如下： 第二章在比较了几个流行的片上总线之后，重点介绍了a r m 公司的 a m b a 总线规范，涉及a m b a 总线概述、a m b aa h b 总线概述，由于本课题 设计的模块是作为a p b 总线的从模块，所以也对a p b 总线进行了详述，包括时 序分析等。并且还对嵌入式l c d 显示系统与a p b 总线的互连作了简要分析，为 下一章的内容作好准备。 第三章论述了嵌入式l c d 显示系统的硬件设计，包括t f t l c d 的原理和驱 动芯片的介绍，显示系统的模块划分，a p b 存储接口模块的设计和功能分析以 及t f t l c d 控制模块的设计和功能分析等。 第四章主要完成嵌入式t f t l c d 系统的软件测试，首先讨论了软件测试流 程，然后对系统各个模块的寄存器配置进行分析，包括从对a p b 桥到a p b 存储 接口模块再到l c d 控制器模块的设计，其次给出了驱动芯片的部分测试程序， 最后对b m p 格式的图片格式进行了分析，从中提取出图像数据信息。 第五章是f p g a 实现，介绍了硬件调试环境，包括程序烧写器、i s e 的下载 配置工具i m p a c t 等，给出了基于本课题的硬件平台实现的彩色数字图像显示 图片。 第六章给出了本文工作的总结。 第二章a m b a 总线及s o c 系统 第二章a m b a 总线及s o c 系统 2 1 常用片上总线分析 集成芯片的性能不但取决于系统中的各个模块，而且越来越依赖于总线架构 的设计。总线为系统中的各个模块提供有效的通信，由于d 核的设计千差万别， i p 核的连接就成为构造s o c 的关键。因此，选择恰当的总线架构，是非常重要 的。 片上总线( o n c h i pb u s ，o c b ) 是实现s o c 中i p 核连接最常见的技术手段， 它以总线方式实现d 核之间数据通信。一个片上总线规范一般需要定义各个模 块之间初始化、仲裁、请求传输、响应、发送接收等过程中的驱动方式、时序关 系及实现策略等。 片上总线主要特点如下： ( 1 ) 片上总线要尽可能简单。首先结构要简单，这样可以占用较少的逻辑单元； 其次时序要简单，以利于提高总线的速度；第三接口要简单，如此可减少与i p 核连接的复杂度。 ( 2 ) 片上总线有较大的灵活性。由于片上系统应用广泛，不同的应用对总线的 要求各异，因此片上总线具有较大的灵活性。其一，多数片上总线的数据和地址 宽度都可变，如a m b aa h b 支持3 2 位1 2 8 位数据总线宽度；其二，部分片上 总线的互连结构可变，如w i s h b o n e 总线支持点到点、数据流、共享总线和交叉 开关四种互连方式；其三，部分片上总线的仲裁机制灵活可变，如w i s h b o n e 总 线的仲裁机制可以完全由用户定制。 ( 3 ) 片上总线要尽可能降低功耗。因此，在实际应用时，总线上各种信号尽量 保持不变，并且多采用单向信号线，既降低了功耗，同时也简化了时序。总线输 入数据线和输出数据线尽量分开，使之没有信号复用现象。 片上总线有两种实现方案，一是选用国际上公开通用的总线结构；二是根据 特定领域自主开发片上总线。本文就目前s o c 上使用较多的三种片上总线标准 a r m 公司的a m b a 总线、s i l i c o r e 公司的w i s h b o n e 总线和a l t e r a 公司的 a v a l o n 进行讨论，对三者特性进行分析和比较。 9 第二章a m b a 总线及s o c 系统 2 1 ia m b a 总线 a m b a ( a d v 孤c e dm i e r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线规范是a r m 公司设 计的一种用于高性能嵌入式系统的总线标准。它独立于处理器和制造工艺技术， 增强了各种应用中的外设和系统宏单元的可重用性。a m b a 总线规范是一个开 放标准，可免费从a r m 获得。目前，a m b a 拥有众多第三方支持，被a r m 公 司9 0 以上的合作伙伴采用，在基于a r m 处理器内核的s o c 设计中，已经成为 广泛支持的现有互联标准之一。a m b a 总线是一个多总线系统，规范定义了三 种可以组合使用的不同类型的总线：a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 、 a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 。 a m b a 总线规范2 0 于1 9 9 9 年发布，该规范引入的a h b 总线是现阶段 a m b a 实现的主要形式。a h b 的关键是对接口和互连均进行定义，目的是在任 何工艺条件下实现接口和互连的最大带宽。a h b 接口已与互连功能分离，不再 仅仅是一种总线，而是一种带有接口模块的互连体系。 a m b a 总线规范主要设计目的如下：满足具有一个或多个c p u 或d s p 的嵌入式系统产品的快速开发要求：增加设计技术上的独立性，确保可重用 的多种i p 核可以成功地移植到不同的系统中，适合全定制、标准单元和门阵列 等技术；促进系统模块化设计，以增加处理器的独立性：减少对底层硅的 需求，以使片外的操作和测试通信更加有效。 典型的基于a m b a 的s o c 核心部分如图2 1 所示。其中高性能系统总线 ( a h b 或a s b ) 主要用以满足c p u 和存储器之间的带宽要求。c p u 、片内存储器 和d m a 设备等高速设备连接在其上，而系统的大部分低速外部设备则连接在低 带宽总线a p b 上。系统总线和外设总线之间用一个桥接( a h b a s b a p b b r i d g e j 进行连接。 图2 1 基于a m b a 总线的微控制器 1 0 第二章a m b a 总线及s o c 系统 2 1 2w i s h b o n e 总线 w i s h b o n e 最先是由s i l i c o r e 公司提出的，现在已被移交给o p e n c o r e s 组织维 护。由于其开放性，现在已有不少的用户群体，特别是一些免费的d 核，大多 数都采用w i s h b o n e 标准。 w i s h b o n e 总线规范是一种片上系统i p 核互连体系结构。它定义了一种i p 核之间公共的逻辑接口，减轻了系统组件集成的难度，提高了系统组件的可重用 性、可靠性和可移植性，加快了产品市场化的速度。w i s h b o n e 总线规范可用于 软核、固核和硬核，对开发工具和目标硬件没有特殊要求，并且几乎兼容已有所 有的综合工具，可以用多种硬件描述语言来实现。w i s h b o n e 总线规范的目的是 作为一种口核之间的通用接口，因此它定义了一套标准的信号和总线周期，以 连接不同的模块，而不是试图去规范d 核的功能和接口。 w i s h b o n e 采用的是主从的构架，主、从部件通过内连网络进行互连。 w i s h b o n e 更着重定义i p 核的接口信号和总线周期标准以实现i p 核的重用，而对 主从部件互连的内连网络，它只是定义了点到点( p o i n t - t o p o i n t ) 、数据流( d a t a f l o w ) 、共享总线( s h a r e d b u s ) 、交叉开关( c r o s s b a rs w i t c h ) 四种不同形式， 需由用户来灵活选择、生成、扩展，用户还可用两条w i s h b o n e 总线进行复杂系 统的集成。w i s h b o n e 的一种互连结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2w i s h b o n e 总线 w i s h b o n e 总线提供了四种不同的i p 核互连方式： 点到点( p o i n t - t o p o i n t ) ，用于两i p 核直接互连； 数据流( d a t af l o w ) ，用于多个串行i p 核之间的数据并发传输； 共享总线( s h a r e db u s ) ，多个i p 核共享一条总线； 第二章a m i a e 鲢& s o c 幕统 独立于硬件制造工艺( f p g a 、a s i c 、m o s 等) 、口核类型( 软核、固核或 硬核) 、综合工具、布局和布线技术等。 2 1 3a v a l o n 总线 a v a l o n 总线是a h e r a 公司设计的，可用于s o p c 中，连接片上处理器和其 它口模块的一种简单的总线协议，规定了主部件和从部件之间进行连接的端口 和通信的时序。s o p cb u i l d e r 来完成整个系统模块( 包括a v a l o n ) 的生成和集 成。其中a v a l o n 总线模块完成了整个可编程系统片上部件及外设之间互连，包 括了控制、数据、地址信号及总线的仲裁。a v a l o n 总线模块的一个逻辑示例如 图2 3 所示。 黑描 删d a t a 妇瞎赡翻抽 i 鞲砷d z r k z l c - 州l u “1 匮口匮口ll 圆圆l 十 十十 俐。ll 1 与“卜 ：j _ j = ：_ 11 ”埔i ，一对一一d渊掣唑瓣1 6 珲 l ：j 土1 ，l二l 孵 i 。女e = ：d 童l l 搓附鼎麟嘲 忐南 图2 - 3a v a l o n 总线模块示意图 a v a l o n 总线的主要设计目的如下：简单性提供一种非常易于理解的协 议：优化总线逻辑的资源使用率，将逻辑单元保存在p l d ( p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ，可编程逻辑器件) 中：同步操作，将其它的逻辑单元很好地集成到同 一p l d 中同时避免复杂的时序。 传统的总线结构中，一个中心仲裁器控制多个主设备和从设备之间的通信。 这种结构会产生一个瓶颈，因为任何时候只有一个主设备能访问系统总线。 a v a l o n 使用一种称之为从设备仲裁( s l a v e - s i d ea r b i t r a t i o n ) 的技术，允许多个主设 各控制器真正地同步操作。当有多个主设备访问同一个从设备时，从设备仲裁器 将决定哪个主设备获得访问权。a v a l o n 采用了开关结构优化了数据流，从而提 第二章a m b a 总线及s o c 系统 高了系统的吞吐量。外部件与a v a l o n 时钟同步操作，使用非三态总线，主、从 部件间多种带宽互连，支持数据流传输。a v a l o n 同时对总线信号的定时、主从 部件传输的信号作了定义，以便于不同i p 核的集成。a l t e r a 大部分结构复杂的 口都采用该标准。 a v a l o n 总线主要特性如下： 3 2 位寻址空间： 支持字节、半字和字传输； 同步接口； 独立的地址线、数据线和控制线； 设备内嵌译码部件； 支持多个总线主设备，a v a l o n 自动生成仲裁机制； 多个主设备可同时操作使用一条总线； 可变的总线宽度，即可自动调整总线宽度，以适应尺寸不匹配的数据； 提供了基于图形界面的总线配置向导，简单易用。 2 1 4 三种片上总线的比较 基于三种总线的特性，可以得出其应用的特性和综合比较，如表2 1 、2 2 所示。 表2 1 三种总线特性比较 属性a m b a w i s h b o n ea v a l o n 互连方式共享总线交叉开关，共享总线数据 共享总线，总线开关 主控制器多个 流，点到点多个 多个 数据总线宽度， 3 2 1 2 88 6 43 2 位 地址空间，位 3 2 6 4 3 2 数据传输方式字节半字字字邙| 半字| 字字节| 半字| 字 事务传输方式流水分裹猝发传输单字节读写，块，猝发传输单字节读写，块传输