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哈尔滨理工人学t 学硕一i 二学位论文 人机界面控制器i p 核的设计与实现 摘要 目前，组成人机界面的大多数外围器件都是单独控制的，还有一部分是 集成了简单的输入和输出器件控制的专用芯片。这些外围器件集成到应用系 统所需i o 口资源比较多，功耗大，成本高，所占p c b 面积大，而且在器 件数量和类型上不具有可配置和可裁减性，灵活性比较差。 本文结合可复用i p 设计理念和f p g a 技术特点，设计并实现了基于 a v a l o n 总线的能完成硬件可配置和可裁减的人机界面控制器i p 软核。完成 了v f d 荧光管位数、键盘按键个数以及l c d 液晶屏大小、类型( s t n t f t ) 可配置的控制，并带有独立的帧存储控制器。在深入分析各器件控制原理的 基础上，划分模块如下：总线接口从模块、帧存储器接口模块、图像数据处 理模块、人机界面显示接口模块。 该i p 核最重要的是实现了硬件的可配置和可裁减，其中对不同类型液 晶屏的图像数据处理是最复杂的部分，涉及到显示数据按颜色深度分组，访 问颜色查找表及帧频控制和显示数据重组。在帧频控制中采用一种对称且不 定长的灰度编码系数，以更好的防止闪烁和节省寄存器的使用。为了达到高 速多数据缓存的目的，开发了多端口帧存储控制器。 最后，对i p 核进行了功能验证，并且应用到钢铁材质分选仪系统中， 进行输入输出器件的协作测试。结果表明，该i p 核能够满足可配置、可裁 减的要求，具有很大的应用价值。 关键词人机界面知识产权核；a v a l o n 总线；可配置；帧频控制；多端口帧 存储控制器 哈尔滨理丁人学t 学顾 ：学位论文 d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fm a n - m a c h i n e i n t e r f a c ec o n t r o l l e ri pc o r e a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h em a j o r i t yo fm a n m a c h i n ei n t e r f a c ep e r i p h e r a ld e v i c e sa r e s e p a r a t l yc o n t r o l l e d ，a n dt h e r ei sap a r to fd e d i c a t e dc h i p sw h i c hi n t e g r a t et h e e a s yc o n t r o lo fi n p u ta n do u t p u td e v i c e s t oi n t e g r a t et h e s ee x t e r n a ld e v i c e st o t h e a p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h e r e a r el o t so fi o p o r tr e s o u r c e s ，m u c hp o w e r c o n s u m p t i o n ，h i g l lc o s ta n dl a r g ep c ba r e a ，b e s i d e st h eq u a n t i t ya n dt y p eo f d e v i c e sc a n tb ec o n f i g u r e da n dt r i m m e d ，s ot h ef l e x i b i l i t yi sr e l a t i v e l yp o o r t h et h e s i sd e s i g n e sa n di m p l e m e n t st h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ec o n t r o l l e ri p s o f tc o r ew h i c hi sb a s e do nt h ea v a l o nb u sa n dc a nb eh a r d w a r ec o n f i g u r e da n d t r i m e d ，u s i n gt h ec o n c e p to fr e u s a b l ei pd e s i g na n dt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ff p g a t h i si pc o r ea c c o m p l i s h e st h ec o n f i g u r e dc o n t r o lo ft h ed i g i to fv f d f l u o r e s c e n tt u b e ，t h en u m b e ro fk e y b o a r dk e y s ，t h es i z ea n dt y p eo fl c d ( s t n t f t ) ，m o r e o v e r , i th a sa ni n d e p e n d e n tf r a m es t o r a g ec o n t r o l l e r s o nt h eb a s i so f d e e pa n a l y s i so ft h ev a r i o u sd e v i c e s c o n t r o lt h e o r y , t h ei pc o r ei sd i v i d e di n t o m o d u l e sa sf o l l o w s ：t h eb u ss l a v e ，f r a m em e m o r y , i m a g ed a t ap r o c e s s i n g ，a n d m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed i s p l a y t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h i si pc o r ei sh a r d w a r ec o n f i g u r e da n dt r i m m e d ， a n dt h el c di m a g ed a t ap r o c e s s i n go fd i f f e r e n t t y p e si st h em o s tc o m p l e x t r e a t m e n t ，i n v o l v i n gd i s p l a yd a t ag r o u p e db yc o l o rd e p t h ，c o l o rl o o k u pt a b l e v i s i t e d ，f r a m er a t ec o n t r o l l e da n dd i s p l a yd a t ar e o r g a n i z e d t h ef r a m er a t e c o n t r o lu s e sas o r to fs y m m e t r i ca n di n d e f i n i t el e n g t hg r a yc o d i n gc o e f f i c i e n tf o r t h es a k eo fb e t t e rp r e v e n t i n gf l i c k e ra n ds a v i n gr e g i s t e r s i no r d e rt oa c h i e v e h i g h s p e e dm u l t i p l ed a t ac a c h e t h i si pc o r ed e v e l o p sam u l t i - p o r tf r a m em e m o r y c o n t r o l l e r f i n a l l y , t h ef u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o ni sd o n eo nt h ei pc o r ea n di ti sa p p l i e dt o t h es t e e lm a t e r i a ls o r t i n gi n s t r u m e n tf o rt e s t i n gt h ec o l l a b o r a t i o no fi n p u ta n d 哈尔滨理t 大学r t 学硕i ：学位论文 o u t p u td e v i c e s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h i si pc o r ei sa b l et om e e tt h ec o n f i g u r e d a n dt r i m m e dr e q u i r e m e n t sa n di th a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei pc o r e ，a v a l o nb u s ，c o n f i g u r a b l e ，f r a m er a t e c o n t r o l ，m u l t i - p o r tf r a m em e m o r yc o n t r o l l e r 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文人机界面控制器i p 核的设计 与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：强互苈 嗍2 叩年妒协日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 人机界面控制器i p 核的设计与实现系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 跟玉芬 导师虢砥 同期：z - 们形年弓月f 二r 日期：砷年乡月阳 哈尔滨理t 大学t 学硕一i 二学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 在复杂的片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 设计中，将可编程逻辑器件 f p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 的优势与预先设计好的处理器内核、存 储器和外设结合到一起构成了片上可编程系统( s y s t e mo np r o g r a m m a b l e c h i p ，s o p c ) ，引。s o p c 技术的出现，以其方案的灵活性、开发成本优势， 成为嵌入式系统的一种新的发展趋势1 。为了快速设计生产出s o p c 产品， 设计人员必须利用预先定义并验证好的知识产权核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y c o r e ，i p 核) 。可复用的i p 核是s o p c 设计的基础，可以由e d a 厂商提 供、用户自己定义、第三方提供。一般而言，e d a 厂商及第三方提供的i p 核都是功能上比较通用的。但在进行s o p c 设计时，用户有特殊需求，这时 就必须自己定义i p 核来实现所需要的功能了1 。 近十年来s o c 集成复杂度增长快速，基于可重用i p 核的设计正被大家 逐渐采用。i p 技术已成为s o c 设计的主流方法1 5 1 。 一般来说，人机界面集成了液晶显示屏、触摸面板、控制单元、数据存 储单元等，具备操作控制、状态监控、数据存储、网络通讯、视频监控等功 能，在国防、工业、零售业等诸多行业中得到了广泛的应用旧1 。 但是组成人机界面的大多数外围器件都是单独控制的，例如液晶显示 屏、触摸面板、摄像头等都是使用各自厂商的专用控制器。还有一部分是集 成了简单的显示和输入器件控制的专用芯片，例如c h 4 5 l ，就是一个整合 了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及“p 监控的多功能外围；芯片。对于集 中了大量数字图像处理的摄像头视频采集处理系统还用到了微处理器来进行 专用控制，例如基于数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 的数字图 像压缩系统。这些外围器件集成到应用系统所需i o 口资源比较多，功耗 大，成本高，所占印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 面积大，而且在 器件数量和类型上不具有可配置性和可裁减性，灵活性比较差引。 本课题旨在完成一种基于a v a l o n 总线的人机界面控制器软核的设计与 哈尔滨理工人学t 学硕一 ：学位论文 实现，能够根据用户需要完成硬件的可配置和可裁减，囊括了几种常用外围 器件的控制器设计，比如：位数可配置的行列式键盘和真空荧光显示器 ( v a c u u mf l u o r e s c e n td i s p l a y ，v f d ) ；超扭曲向列型( s u p e rt w i s t e d n e m a f i c ，s t n ) 和薄膜晶体管型( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ，t f t ) 可选择、大小尺 寸可配置的液晶显示器( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 。 1 1 2 课题实现的意义 1 连接复杂性减小随着工艺向o 1 8 微米或更小尺寸发展，需要精确 处理的不是门延迟而是互连线延迟。再加之数百兆赫的时钟频率，信号间时 序关系十分严格，设计方法的重心也从电路设计转向系统设计旧1 。系统设计 技术并不是简单的把几个i p 进行二次集成，各个i p 之间的连接将要遵守共 同的协议规范而不只是满足自身的协议，从而使得它们之间的连接变得很复 杂引。 本课题是用硬件描述语言来编写各个器件之间的接口，完成相互的信息 交换，避免了分离i p 核互联的复杂性。 2 通用性强提供了通用的人机界面控制器i p 核，可以应用到不同的 系统，并且可以根据不同用户对器件数量和类型的要求来配置，真讵做到可 配置、可裁减的目的，克服了以往分离的人机界而器件集成到一起所造成的 体积大、功耗高的缺点。 1 2 国内外发展的现状 人机界面是主要应用于工业现场的一种监控设备，可用于制造行业和流 程行业等。目前设备操作人员需要掌握各种按扭、参数设定器、记录仪、工 艺流程模拟盘的操作方法，并需要理解指示灯、l e d 数码显示器等装置所显 示的信息。这些装置体积大、布线多、不能随意改变操作方式和工艺流程显 示，在一定程度上阻碍工业信息化的发展。工业现场控制信号数字化、操作 显示数字化是工业生产过程控制发展的必然趋势1 。人机界面正是随着工业 信息化的发展而产生的。 人机界面产品的好处是显示直观，可以监视整个生产过程，当生产过程 中出现问题时还可以通过声音报警等方式提醒用户及时进行采取措施。目前 人机界面产品的缺点是通信接口单一、兼容性差、价格高。另一个缺点是各 厂家为了保护本公司利益，采用专用子本公司的系统软件和组态软件，软硬 哈尔滨理t 大学t 学顾十学位论文 件之间的联系十分紧密，不利于设备之间兼容和相互移植n 2 1 3 1 。 1 2 1 国外研究现状 人机界面的发展大致经历了以下几个阶段：发展早期的手工作业阶段、 作业控制语言及交互命令语言阶段、图形用户界面阶段、网络用户界面阶段 和多通道、多媒体的智能用户界面阶段n 引。 人机界面正日益向着更详细、更有效、功能更强大的方向发展。现今的 人机界面系统比以往的都要复杂，对他们所监控的处理过程提供更高精度的 监视和控制。在它的基础形态中，界面可以做数据处理，并可以以任意一种 方式发送信息给操作者，从文本信息到生动的图形。如今，由于技术的推 进，应用规模也同益增大n 副。虽然人机界面正被开发适应更多的需求，用户 仍然不断地提出更多的要求。 2 0 0 6 年r e e d 调研机构对c o n t r o le n g i n e e r i n g 的一些非常了解人机界 面的2 4 6 名读者做了调查。几乎所有的人都预期他们对于操作界面终端的需 求在未来1 2 个月内将增长( 占4 6 ) 或持平( 占4 9 ) ，仅有5 的读者预计将 减少。对于人机界面需求增长率的认识，接近四分之三的预计这些需求的增 长量在1 至3 0 之间6 。 在连通性上的技术开发和推进是应用增长的主要理由。以太网的使用和 在嵌入式形念中基于p c 的技术和增强的诊断能力，这些都驱动了市场的快 速增长，e a t o ne l e c t r i c a l 公司的人机界面商务产品经理c l y d et h o m a s 认 为，“实际上，人机界面的使用正被更多的智能器件所推动，这些包括机械 视觉系统、传感器、驱动器和能同可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，p l c ) 进行通讯的动力控制装置 “ 。因此，人机界面设备的嵌 入化和网络化将是未来主要的发展方向。 1 2 2 国内研究现状 计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空 间。越来越多的工业自动化设备迅速的向网络化、智能化、小型化发展n 引。 传统的工业人机界面以工控机为开发和运行平台，实时采集现场数据，对工 业现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、动态和实时地监 视，并为生产、调度和管理提供必要的数据引。随着人机界面技术的不断发 展，传统人机界面的不足之处也同益显露出来： 哈尔滨理t 大学t 学顾- 学位论文 1 稳定性差传统人机界面的开发和运行平台基于工控计算机。人机界 面使用的操作系统多为微软公司早期的w i n d o w s 操作系统或者是d o s 操作系 统。早期的w i n d o w s 操作系统稳定性能较差，不适合作为对稳定性要求极高 的工业现场使用；d o s 操作系统也有着操作界面复杂和用户界面单调的固有 缺陷心引。 2 接口功能单调早期的工控计算机主要以串行口和并行口进行数据通 信和传输。面对日益网络化和智能化的各种现场工业设备，这些接口明显显 得过于简单。而在工控机上每增加一个接口，又要付出不菲的价格购买单独 的接口卡妇。 3 成本高一台性能优异的工控计算机往往价格不菲，这无疑又大大增 加了整个控制系统的整体费用。 4 体积大，移动困难如果要使用一台人机界面监控、测量不同工业点 的生产数据，一台工控机明显占据大量空间，而且移动十分不方便，不适合 于随身携带进行移动使用妇引。 上述缺点使得传统的人机界面逐渐陷入困境。而嵌入式人机界面则针对 以上问题提供了良好的解决方案，逐渐占领了工控市场的半壁江山。 我国工控设备市场竞争激烈，国内工控设备厂家直接面临美、同、欧各 国公司的竞争。而工控设备市场稳步增长，传统工业技术改造、工厂自动 化、企业信息化需要大量的工控系统，潜在市场巨大。因此，大力研究和发 展基于嵌入式系统的工控设备，是振兴国产工控工业、占据工控市场的一个 重要契机1 2 3 1 。 本课题探索开发嵌入式系统上的人机界面的相关关键技术，掌握人机界 面开发的关键技术，开发适应不同工业现场的人机界面，将大大简化工业现 场监控的复杂度，降低工业成本，提高生产效率，也有助于推进国内的嵌入 式系统技术和人机界面开发技术的发展，为民族工业发展添砖加瓦。 1 3 课题的主要工作 在学习和研究人机界面控制中常用的输入输出器件( 包括液晶屏、v f d 荧光管、行列式键盘) 的相关理论的基础上，本文完成了一种基于a v a l o n 总 线的人机界面控制器软核的设计与实现，阐述了它的基本结构、实现方法、 实现步骤等。该软核能够根据用户需要完成硬件的可配置和可裁减。具体为 位数可配置的v f d 荧光管、个数可配置的行列式键盘以及s t n 和t f t 类 哈尔滨理j t 大学t 学硕l ：学位论文 型可选择、大小尺寸可配置的l c d 液晶屏，并且在采用a l t e r a 公司的 c y c l o n ei ie p 2 c 3 5 作为核心控制芯片的d e 2 开发板上实现了不同液晶屏的 测试和将其应用到钢铁材质分选仪的使用中。本论文将按照以下的顺序介绍 论文的主要工作： ( 1 ) 确定人机界面控制器i p 核结构，完成系统功能框图和总体设计。 ( 2 ) 对i p 核中所用到的输入输出器件的工作原理和结构的介绍，包括 l c d 液晶屏、v f d 荧光管以及行列式键盘。而且对用于帧存储器的同步动 态随机存取存储器( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，s d r a m ) 的结构和原理也进行了阐述。 ( 3 ) 完成各个模块的设计和功能验证。 ( 4 ) 将一种改进系数的空间扩展帧频控制算法应用到s t n 屏控制中。 ( 5 ) 在t e r a s i c 公司的d e 2 开发板上实现该i p 核对不同液晶屏的综合调 试、功能验证。 ( 6 ) 将该i p 核集成到钢铁材质分选仪的系统中，对整个i p 核的输入输 出控制进行实际应用测试。 哈尔滨理丁大学t 学硕1 j 学位论文 第2 章相关基础理论 2 1 l c d 液晶屏工作原理 目前的图像显示器件可分为阴极射线管( c r y s t a lr a yt u b e ，c r t ) 和平板 显示( f l a tp a n e ld i s p l a y ，f p d ) 两大类。与c r t 显示器相比，l c d 显示器的 平面显示技术体现为较少的零件、占据较少的桌面及耗电量较小；随着平板 显示的飞速发展，特别是液晶显示器的质量大幅度改善，价格又持续下降； 现在，l c d 已是笔记本电脑和掌上电脑的主要显示设备，而且已经全面渗 入到桌面显示器市场中。 l c d 是通过改变电场中液晶分子的排列来调制来自背光灯的光强，从 而达到显示信息的目的；通过加滤色片能实现彩色显示。它具有低电压、微 功耗；易于实现彩色化：电磁辐射极微弱；体积小、重量轻；显示方式灵活 等优点。另外l c d 也存在一些不足，被动型显示，本身不发光，在黑暗环 境下必须配置外光源或背景光源。 2 1 1 液晶显示器件的结构 l c d 基本结构如图2 1 所示心制。将两片附有光刻透明电极的玻璃相对 放置在一起，其问相距约1 0 u m 。透明电极表面附有分子取向膜。四周用环 氧树脂密封，密封边一侧留有一个开口。液晶材料在真空条件下注入两玻璃 板之间的盒腔内，注入后，用树脂将开口封堵好，再在液晶盒前后玻璃板上 贴上正交的偏振片形成l c d 。 透明电 封接边 图2 1l c d 基本结构 f i g 2 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo fl c d 哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文 2 1 2 被动矩阵式l c d 的工作原理 t n - l c d 、s t n - l c d 和d s t n - l c d 之间的显示原理基本相同，不同之 处是液晶分子的扭曲角度有些差别。下面以典型的t n l c d 为例，向大家 介绍其结构及工作原理。 在厚度不到l 厘米的t n l c d 液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻 璃基板，内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板外面再包裹着两片偏光 板，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。 在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透 下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通 路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而液晶显示器的夹层贴 附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相 同。当液晶层施加某一电压时，由于受到外界电压的影响，液晶会改变它的 初始状态，不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。因此经过液晶的 光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态，结果在显示屏上出 现黑色。当液晶层不施任何电压时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的 方向扭转9 0 度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构，结果在显示屏 上出现白色。为了达到在面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩， 多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。 被动矩阵式l c d 在亮度及可视角方面受到较大的限制，反应速度也较 慢。被动矩阵l c d 的最大问题是很难快速地控制单独的液晶单元，并很难 以足够大的电流来保证高质量的对比度、足够的灰度级和较快的响应时间， 从而影响了动态影像的显示效果。但是对于一些低端的显示设备仍然使用这 种l c d 旧5 。 2 1 3 主动矩阵式l c d 的工作原理 主动矩阵l c d 通过单独地控制每个单元，很好地解决了上面被动矩阵 式l c d 的问题。主动矩阵式l c d ，也称t f t - l c d 。t f t 液晶显示器是在画 面中的每个像素内建晶体管，使亮度更明亮、色彩更丰富及可视面积更宽 广。主动矩阵式l c d 的单元结构如图2 2 所示。主动矩阵l c d 的上下表层 纵横有序地排列着用铟锡氧化物做成的透明电极。在每个单元中都加入了很 小的晶体管，由晶体管来控制电流的开和通。晶体管及其电极都是利用薄膜 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 技术而做成的。薄膜晶体管l c d 也因此得名。 t f t - l c d 液晶显示器是采用“背透式”照射方式来显示图像的。当光 源照射t f t - l c d 液晶显示器时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子 来传导光线。由于上下夹层的电极为场效应晶体管漏极和公共电极，在场效 应晶体管电极导通时，液晶分子的排列状态会发生改变，通过遮光和透光来 达到显示的目的。由于场效应晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先 前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到场效应晶体管电极再次被加电 改变了其排列方式为止。 电极 源 极 引 线 图2 - 2t f t - l c d 的单元结构 f i g 2 - 2t h ec e l ls t r u c t u r eo ft f t - l c d 有源矩阵电极驱动电路如图2 3 所示。当行扫描线x i 加高电平脉冲 时，连接在x i 上的t f t 全部被选通，图像信号经缓冲器同步加在源极母线 ( y i y m ) 上，经t f t 将信号电荷加在液晶像素上。x i 每帧被选通一次， y i y m 每列都要被选通。 t f t - l c d 有源矩阵驱动的优点： ( 1 ) t f t - l c d 有源矩阵驱动的路数，只与t f t 特性有关，而与液晶的电 光响应特性无关，这就彻底解决了液晶多路驱动的难题。 ( 2 ) 因每个像素独立寻址，晶体管可以迅速地控制每个单元，由于单元 之间的电干扰很小，所以驱动电流大，更大的电流会提供更好的对比度、更 锐利的和更明亮的图像，所以没有交叉串扰问题，也没有对比度、清晰度下 降等缺陷。 ( 3 ) 这种独立寻址驱动不受液晶电光响应速度的影响，能显示视频活动 图像而不会有虚影和拖尾现象托引。 哈尔滨理t 大学f t 学硕一 ：学位论文 缓冲、同步电路 y 1y 2 y 3 y m x 1 工工工 行 ) ( 2均 工2 i 岛工盖强匀工i 工工 工 扫 以 工x内 均工x x 3 一主辜 工工 袁三量、t f t 工 匀 工盖 描 工x 吨工x 电容 一； 电 路 x n 工工工 吻工盖咱工x咱 _ 丁t 一弧x 图2 3 有源矩阵电极驱动电路 f i g 2 - 3e l e c t r o d ea c t i v e m a t r i xd r i v ec i r c u i t 2 2 动态s d r a m 结构与工作原理 2 2 1s d r a m 的特点与基本结构 线 极 线 动态s d r a m 和静态r a m 一样，也是由许多基本存储电路以矩阵的形 式排列的。s d r a m 的行地址线和列地址线是分时复用的，即地址线分两次 送出，先送行地址线，再送列地址线。这样能进一步减少地址线的数量，提 高器件的性能，但寻址过程由此变得复杂。s d r a m 利用其内部电容存储信 息，由于电容的放电作用，必须每隔一段时i 、日j 给电容充电才能使存储在电容 里的数据信息不丢失，这使得s d r a m 的控制过程变得更加复杂，给应用 带来了难度。但s d r a m 的下列优点使人们在设计存储系统时常使用它。 1 动态s d r a m 的高位密度对静态r a m 来说，一个基本存储电路要 由6 个晶体管组成，而动态r a m 结构简单得多，一般由1 个晶体管组成一 个基本存储电路。在同样的半导体芯片上，制造的动态r a m ，就能容纳更 多的基本存储电路，即位密度得到显著提高。 哈尔滨理工人学t 学顾十学位论文 2 动态s d r a m 的低功耗特性动态s d r a m 的一个基本存储单元的 功耗要比静态r a m 的低得多。动态r a m 的低功耗特性减少了系统的功率 要求，提高了系统的性能，也降低了系统的价格。 3 动态s d r a m 的价格低廉如果按“位 来计算，动态r a m 比静态 r a m 便宜得多。不过，动态r a m 需要较多的支持电路，在存储容量比较 大时，动态r a m 价格低廉的优点会很显著。 以单管动态r a m 的基本结构为例说明动态s d r a m 的基本结构。其基 本单元如图2 4 所示。 字选线 l c 。广 数据i - 图2 - 4 单管动态r a m 的基本单元 f i g 2 - 4t h eb a s i cu n i to fs i n g l e t u b ed y n a m i cr a m 电容的状态决定着s d r a m 基本存储单元的逻辑状态是“0 ”还是 “1 ”，充满电荷的电容器代表逻辑“1 ，没有充电的电容器代表逻辑“0 ”， 由于只用一个管子，所以功耗很低，存储容量能做得很大心”。 s d r a m 一般都以b a n k ( 存储体或存储块) 为组织，将s d r a m 分为很多 独立小块；由b a n k 地址线b a 控制b a n k 之问的选择；s d r a m 的行、列地 址线贯穿所有的b a n k ：每个b a n k 的数据位宽同整个存储器的相同。 本系统所采用的s d r a m 是i c s i ( i n t e g r a t e dc i r c u i ts o l u t i o ni n c ) 推出的 6 4 m b i t 的i s 4 2 s 1 6 4 0 0 b | 2 引，它是4 内存区( b a n k s ) x 1 m x l 6 b i t 的同步动态随 机存储器s d r a m ，其主要性能特点如下：工作电压为3 3 v ，不得超过标称 值0 3 所有的器件引脚都是与l v t t l 接口相兼容的；所有的输入和输出 操作都是在时钟c l k 上升沿的作用下进行；通过u d q m 或者l d q m 来实 现数据掩码功能；内部有4 个b a n k 可以进行操作；自刷新和自动刷新功 能，刷新周期为4 0 9 6 6 4 m s ；可编程的突发传输方式、突发长度；可编程的 哈尔滨理t 人学工学硕i j 学位论文 列地址选择信号( c a s ) 潜伏周期；b a n k 里每页大小是2 5 6 w o r d x l 6 b i t 。外部 同步时钟速率能在一定的频率范围内连续变化，最高能达到1 3 3 m h z 。 2 2 2s d r a m 的主要操作 s d r a m 的引脚分为以下三类：第一类为控制信号，指片选、时钟、时 钟有效、行y u 地址选择、读写选择、数据掩码；第二类为地址信号，指时 分复用引脚，根据行y i i 地址选择引脚控制输入地址为行地址或列地址；第 三类为数据信号，双向引脚，受数据掩码控制。其中控制信号的逻辑组合构 成了s d r a m 的主要操作命令，如表2 一l 所示。 、 表2 1s d r a m 主要操作命令 t a b l e2 1t h em a i no p e r a t i n gc o m m a n d so fs d r a m 命令 c snr a snc a snw en d q m地址线 命令禁止( n o p ) hxxxxx 无操作( n o p ) lhhh x x 有效活动( a c t i v ea c t ) llhhx b a n k 行 读取( r e a dr d ) lhlhl h b a n k 列 写入( w r i t ew r ) lhlll h b a n k 列 突发传输终j k ( b t ) lhhlxx 预充电( p r e c h a r g ep r e ) l l hlx编码 自动刷新或白刷新( a r f ) lllhxx 模式寄存器加载( l m d ) llllx 操作码 注：h 表示电平为i ，l 表示电平为0 ，x 表示电平为任意。 基于以上命令，s d r a m 的主要操作如下： 1 初始化操作s d r a m 在上电以后必须对其进行初始化操作，具体操 作如下： ( 1 ) 系统在上电后要等待1 0 0 2 0 0 u s 。在等待时间到了以后至少执行一 条空操作或者指令禁止操作。 ( 2 ) 对所有芯片执行p r e c h a r g e 命令，完成预充电。 ( 3 ) 向每组内存芯片发出八条a u t or e f r e s h 命令，使s d r a m 芯片 内部的刷新计数器可以进入正常运行状态。 ( 4 ) l o a dm o d er e g i s t e r 命令，完成对s d r a m 工作模式的设定。 哈尔滨理t 大学工学硕卜学位论文 时钟 初始化操作如图2 - 5 所示。 几n厂l亿几_几几_几几一 输入稳定期 所有b a n k 8 个刷新周期 模式寄存器设置 2 0 0 u s 一 预充电 一 图2 - 5s d r a m 的初始化过程 f i g 2 - 5t h ei n i t i a l i z i n gp r o c e s so fs d r a m 进入 正常 工作 状态 模式寄存器设置命令使用地址线和b a n k 选择作为模式数据输入线。具 体的模式设置值如图2 - 6 所示。 a 9a 8a 7a 6 a 5 a 4a 3 a 2a 1 a 0 操作模式c a s 潜伏期ib t突发长度 操作模式 b ab aaaaa a 模式 101 l1 098 7 0o0oo0o 突发读突发写 o0ooloo 突发读单写 c a s 潜伏期( c l ) a 6 0 _ o o 。 0 a 5 _ 0 - o a 4 潜伏 期 0 1 保留 02 3 004 1 1 一 l 0 l l l o l 保留 突发传输方式 a 3 方式 o 顺序 l 交错 突发长度( b l ) a 2 。 0 o _ 0 _ 0 a l a ：氅堕 0i 顺序i 交错 0o 022 044 88 0 0 1 o l o 保留 全页 保留 图2 - 6s d r a m 模式设置值 f i g 2 - 6t h em o d es e t t i n g so fs d r a m 完成以上步骤后，s d r a m 进入正常工作状态，等待控制器对其进行 读、写、刷新等操作。 一1 2 哈尔滨理t 大学t 学硕一i ：学位论文 2 s d r a m 的基本读写操作s d r a m 的基本读操作需要控制线和地址 线相配合地发出一系列命令来完成。所有的操作都是以时钟的上升沿为基准 进行的。s d r a m 的读操作时序如图2 7 所示。对s d r a m 的读操作包括三 个步骤：第一步当s d r a m 处于空闲状态时，发出激活命令和指定存储块 和行：第二步指定列地址与发出读指令；第三步读出数据：发出读命令后， 经过模式寄存器所指定的c a s 延迟时间后，可按模式寄存器指定的长度连 续读出数据。 t ot lt 2 t 3t 4t 5 时钟i 厂 厂 厂 厂 厂1 1 i 周期 命令7 7 k 蒜矜刀以晒娌 铡妒幻7 ( 丽f 您( 可6 r 乙伙 一i j ，- ：= ：芏l u _ 卜卜一- 、 地址7 7 x f 、刀乃厂可面飞印厂勋 ：籼、1一 一 1 1 鼎7 7 丽溺7 7 丽f 丑二k 酾两 远律w = = j l o 、_ 、“一 一 n o p = 无操作 t o h = 数据逻辑l 乜平保持周期 j 针士f i 右 1黔碍 囊x 佰、”1 7 l yl c a s 潜伏斯= 2- i l 图2 7s d r a m 的读操作 f i g 2 - 7t h er e a d i n gp r o c e s so fs d r a m 向s d r a m 写入数据的时序如图2 8 所示。与读操作不同的是，待写入 的数据可与写命令一起赋予s d r a m ，而没有延迟时间。 t ot it 2 1 r 31 4 t 5 嗍l n 厂 厂 一厂 厂l ， 周期 命令么激；d 7 7 x 可矿匹x 受d 边可夏珍 = 2 0 0 u s ) 来完成初始化操作。 2 5 本章小结 本章首先对该i p 核所支持的输入输出设备的工作原理、器件结构进行 了介绍，包括l c d 液晶屏、行列式键盘和v f d 真空荧光显示器。然后对该 i p 核所使用的帧存储器同步动态随机存储器s d r a m 的结构、主要操 作、寻址方式等进行阐述。为后文中该i p 核的设计实现打好理论基础。 哈尔滨理_ t 人学f t 学硕f ：学位论文 第3 章人机界面控制器i p 核的总体设计 3 1 功能框图和总体设计 典型的人机界面显示应用系统包括如下几个部件：人机界面控制器、总 线、微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、显示存储器和人机界面交互控 制的输入输出相关器件。由于时间关系，本系统中只选用了几种常见的人机 界面输入输出器件：s t n 型和t f t 型可配置的液晶屏，按键个数可配置的 行列式键盘和位数可配置的v f d 荧光管，其他常用器件还有待于日后扩 展，不影响整体架构，如图3 1 所示n 6 3 7 1 。 图3 1 人机界面控制系统结构框图 f i g 3 - 1b l o c kd i a g r a mo fm a n m a c h i n ei n t e r f a c ec o n t r o ls y s t e m 人机界面控制器包括液晶显示控制、键盘扫描和荧光管显示控制、显示 存储器控制以及相关的逻辑设计等，该控制器负责接受外部控制发送过来的 数字控制信号，并将其转化为驱动液晶显示屏和荧光管显示萨确数据的驱动 信号，并且当键盘按下产生中断，对键盘进行扫描并且将按键值传递给 m c u 。 总线是片上系统之间交互数据的互连结构，s o c 设计需要专门的片内 总线。片内总线作为集成系统的互连结构，可以把各个功能模块互连起来， 为整个系统解决功能模块问的相互通信问题，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 哈尔滨理t 人学f t 学硕f ：学位论文 的功能模块和其它功能模块连接起来，使得模块集成起来更加方便。 m c u 是整个系统的核心，负责整个系统包括对键盘按键个数、v f d 荧 光管位数和液晶显示控制器的配置，同时处理生成需要被显示的数据并且保 存在显示存储器中，为液晶控制器提供原始的显示数据。在系统初始化时， m c u 负责根据软件的需要和液晶显示器的参数来配置控制器，待配置完成 后启动控制器开始显示图像并且控制荧光管显示数字或者字符信息。在显示 过程中，m c u 负责接受处理控制器发出的中断信号，检查中断类型，并作 出相应的处理。 显示存储器用来保存用于液晶屏显示的原始图像数据。m c u 将要用于 显示的原始的数据转换格式后成为符合控制器处理的显示数据，保存在显示 存储器中，并且设置配置寄存器指明显示数据保存的基地址，控制器将读取 这一部分显存内容然后将其按照时序和所需格式发送出去。 人机界面控制器即是我们要设计的部分，负责接受m c u 的配置，通过 总线把要显示的原始数据保存到显示存储器上，并且再通过控制逻辑将显示 数据读出，然后按照l c d 屏类型和显示设置转换为需要的格式，并按照屏 时序要求发送出去；通过总线把m c u 生成的显示数据发送给荧光管进行显 示；把键盘按键传递给m c u 进行输入控制。根据前面对整个系统的描述， 在设计人机界面控制器时，有如下几个方面需要注意：键盘和荧光管个数配 置