基于FPGA的液晶显示接口电路设计毕业设计.doc

毕业设计(论文)任务书学生姓名专业班级指导教师工作单位设计(论文)题目: 基于FPGA的液晶显示接口电路设计 设计（论文）主要内容：本课题采用FPGA设计一个液晶显示模块LCM的接口控制电路，实现对LCM的有效控制，要求能显示中文和英文两种字符，下载并测试电路功能，分析芯片资源的占用情况。要求完成的主要任务及其时间安排: 液晶显示模块是将液晶屏和液晶屏控制器制作在一块PCB上的显示系统，选择相应的液晶显示模块，采用FPGA设计接口控制电路，使液晶屏能显示中英文两种字符以及图形的显示。 12周 根据设计题目查找并收集相关资料34周 完成开题报告，根据任务书拟定提纲56周 确定整体设计思路，形成设计基本结构与框架710周 软、硬件设计实现，并调试进行功能测试1113周 组织并完善毕业设计报告书，进行答辩准备14周 提交论文15周 答辩必读参考资料：1. 黄庭涛 CPLD/FPGA的开发与应用 电子工业出版社 20092. 王洪海 电子设计自动化应用技术FPGA应用篇 高等教育出版社 20093. 姚远、李辰，FPGA应用开发入门与典型实例 人民邮电出版社 20104. 张洪润、张亚凡，FPGA/CPLD应用设计200例 北京航空航天大学出版社 2009指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章毕业设计(论文)开题报告题目基于FPGA的液晶显示接口电路设计1目的及意义（含国内外的研究现状分析）：首先，21世纪，随着电子技术迅猛发展，高新技术日新月异。传统的设计方法正在逐步退出历史舞台，取而代之的是基于EDA技术的芯片设计技术，它正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程器件现场可编程门阵列FPGA，已成为当今应用最广泛的可编程专用集成电路之一。其性能好、可靠性强、容量大、体积小、 微功耗、速度快、灵活使用、设计周期短、开发成本低，静态可重复编程，动态在系统结构，硬件功能可以像软件一样通过编程来修改，极大的提高了电子设计的灵活性和通用性。电子工程师和科学研究人员利用该类器件可以在办公室或试验台设计出所需要的专用集成电路，大大的较少了产品的研发周期和降低成本。近年来可编程逻辑器件的开发生产和销售规模以惊人的速度增长，而且广泛的应用于航空航天，网络通信，军用雷达，仪器仪表，工业控制，医用CT，家用电器，手机和计算机各个领域。它的广泛应用，使传统的设计方法正在进行一场巨大的变革。随着PFGA的空前发展和广泛应用，人们渴望掌握这方面的知识，特别是掌握应用设计方面的知识的要求越来越迫切。其次，现代社会,以计算机技术为核心的信息技术迅速发展,以及信息的爆炸式增长,人类获得的视觉信息很大部分是从各种各样的电子显示器件上获得的,对这些显示器件的要求也越来越高,在这些因素的驱动下,显示技术也取得了飞速的发展。而液晶显示器由于具有低压、微功耗、显示信息量大、体积小等特点，在移动通信终端、便携计算机、GPS卫星定位系统等领域有广泛用途，成为使用量最大的显示器件。液晶显示控制器作为液晶驱动电路的核心部件通常由集成电路组成，通过为液晶显示系统提供时序信号和显示数据来实现液晶显示。使用FPGA/CPLD设计的液晶控制器具有很高的灵活性,可以根据不同的液晶类型、尺寸、使用场合特别是不同的工业产品,做一些特殊的设计,以最小的代价满足系统的要求,而且可以解决通用的液晶显示控制器本身固有的一些缺点。因此，在诸多科学以及社会环境影响因数下，本课题便把FPAG的应用与液晶显示器连接起来了，即设计基于FPAG的液晶显示接口电路。即本课题采用FPGA设计一个液晶显示模块LCM的接口控制电路，实现对LCM的有效控制，并且能显示中文和英文两种字符，下载并测试电路功能， 并且能分析芯片资源的占用情况。2基本内容和技术方案：基本内容：采用大规模可编程逻辑器件(FieldProgrammable Gate Array)设计一个液晶显示模块LCM的接口控制电路，以FPGA为核心, 通过控制硬件电路和基于硬件描述语言(VHDL)的各功能模块：逻辑阵列块LAB（Logic array block）、嵌入式阵列块EAB（embedded array block）、快速互联以及IO单元，以及外围驱动电路，能够实现对LCM的有效控制，并且能点阵液晶屏上显示中文和英文两种字符，还可以通过下载并测试电路功能，分析芯片资源的占用情况。技术方案:采用大规模可编程逻辑器件(FieldProgrammable Gate Array)设计与实现液晶显示电路相结合，以FPGA为核心的液晶显示、控制硬件电路和基于硬件描述语言(VHDL)的各功能模块：逻辑阵列块LAB（Logic array block）、嵌入式阵列块EAB（embedded array block）、快速互联以及IO单元，相应地设计了外围驱动电路;通过对驱动电路的分析,设计了时钟模块、串行接口电路、内部RAM块、读写电路以及时序产生电路,并将多个模块集成在一片FPGA芯片上,实现了点阵液晶屏的实时显示。通过扩展外部的行、列驱动器和利用FPGA的快速定制性,可方便地实现更多像素点的液晶显示,增强了系统的灵活性。并且通过软件下载并测试电路功能，分析芯片资源的占用情况。3进度安排：（1）毕业论文备题、选题2011年1月10日-2011年1月20日（2）下达任务书，根据设计题目查找并收集相关资2011年2月21日-2011年3月13日（3）完成开题报告，根据任务书拟定提纲 2011年3月14日-2011年3月20日（4）确定整体设计思路，形成设计基本结构与框架2011年3月21日-2011年3月27日（5）软、硬件设计实现，并调试进行功能测试2011年3月28日-2011年4月24日（6）组织并完善毕业设计报告书2011年4月25日-2011年5月15日（7）指导教师评阅、定稿，进行答辩准备2011年5月16日-2011年5月29日（8）答辩2011年5月30日-2011年6月5 日4指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后三周内完成；2设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目 录摘 要 1Abstract 21 绪论 31.1 选题的背景与意义 3 1.2 LCD的控制应用和市场发展状况3 1.3 设计的主要内容和重点难点41.4课题设计的预期目标51.4.1课题研究的预期理论目标51.4.2课题研究的预期技术目标52 现代FPGA技术6 2.1 FPGA的发展历程6 2.2 FPGA的基本原理 62.2.1查找表的基本原理62.2.2 基于乘积项的FPGA的逻辑实现原理72.3 FPGA的设计方法7 2.4 VHDL硬件描述语言82.5 Quartus II简介83 总体系统设计及资源103.1 系统设计要求103.2系统设计总体框图103.3 系统开发选用资源103.3.1 液晶模块选用103.3.2 FPGA的选择174 硬件接口电路设计214.1电源电路设计214.2复位电路设计224.3时钟电路设计224.4下载配置与调试接口电路设计234.5显示接口电路设计235 系统各部分模块的设计245.1初始化模块设计245.1.1 LCD模块初始化原理245.1.2 字符显示前初始化模块的设计255.1.3 图片显示前初始化模块的设计275.2 写入数据模块的设计285.2.1 英文字符部分的数据模块 285.2.2 中文字符部分的数据模块305.3显示控制模块的设计315.3.1字符显示控制模块的设计315.3.2 动态数据的显示控制315.3.3 图像数据的显示控制335.4字符显示及图片显示整体模块366 软件测试与结果显示386.1 字符显示部分的测试386.2 图片显示部分的测试386.3 预期测试结果396.3.1 预期字符显示结果396.3.2 预期图片显示结果39结束语40参考文献 41附 录42致 谢47摘 要本课题的主要任务是设计基于FPGA的液晶显示模块的接口控制电路，实现对LCM的有效控制，兼顾好程序的易用性，以方便之后模块的移植和应用。本课题的设计采用了带ST7920驱动的液晶显示模块，并使用XILINX公司的spartanII系列的XC2STQ114来作为核心的控制器。控制部分采用VHDL语言编写，主体程序才用了状态机作为主要控制方式。ST7920是一种内置128x64-12汉字图形点阵的液晶显示模块，用于显示是汉字和图形。最后实现使用FPGA在LCD上任意位置显示的中文字符以及英文字符，另外要能够根据输入数据的变化同步变化LCD上显示的内容。同时要能够将存储模块中的图片数据正常的显示在LCD上。该课题的研究将有助于采用FPGA的系列产品的开发，特别是需要用到LCD的产品的开发。同时可以大大的缩短FPGA的开发时间。另外，由于模块的易用性，也将使得更多的采用FPGA的产品之上出现LCD，增加人际之间的交互性，为行业和我们的生活带来新的变化。关键词： FPGA；ST7920；液晶显示；VHDABSTRACT This topic is the main task of the design on FPGA LCD module interface control circuit, realize the effective control of LCM, considering the good programs to facilitate accessibility, after the transplantation and application. Module This topic was designed using ST7920 drive with the LCD module, and use of a series of spartanII XILINX company XC2STQ114 as core controller. Control part adopts VHDL language, subject program it only took state machine as main control mode. ST7920 is a built-in 128x64-12 characters of graphic dot matrix LCD module, for display Chinese characters and graphics. Finally implementations use FPGA in LCD display on the Chinese characters at any position and English characters, in addition to the changes according to the input data displayed on the LCD synchronous change content. Meanwhile to the image data storage module will be displayed on the LCD on the normal.This topic research will help based on FPGA series of products development, especially the need to use LCD products development. Meanwhile can greatly shorten the FPGA development time. In addition, because module ease-of-use, will also make more based on FPGA products appear LCD, increase on interpersonal interaction, for industry and our life brings new changes.Key words: FPGA; ST7920; LCD; VHDL1 绪论1.1选题的背景与意义液晶，是一种在一定温度范围内呈现不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质，它极具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。所以一般可分为热致液晶和溶致液晶两类。在显示领域应用的是热致液晶，超出一定温度范围，热致液晶就不再呈现液晶态，温度低了，出现结晶现象，温度升高了，就变成了液体；液晶显示器所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向异性而具有的电光效应，尤其是扭曲列效应和超扭曲效应，所以能制作成不同类型的显示器件（Liquid Crystal Display 简称LCD）。在平板显示器件领域，目前应用较广泛的有液晶显示（LCD）、电致发光显示（EL）、等离子体(PDP)、发光二极管（LED）以及低压荧光显示器件（VFD）等等。现代社会,以计算机技术为核心的信息技术迅速发展,以及信息的爆炸式增长,人类获得的视觉信息很大部分是从各种各样的电子显示器件上获得的,对这些显示器件的要求也越来越高,在这些因素的驱动下,显示技术也取得了飞速的发展。而液晶显示器具有有以下几种特点：1、低压微功耗，2、平板结构，3、被动现实性（不刺眼，不会影起视觉疲劳），4、显示信息量大（因为像素可以做的很小），5、易于彩色化（在色谱上可以非常准确的复现），6、无电磁辐射（对人体安全，易于信息保存），7、长寿命（几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长）。正是这些特点，使得它在移动通信终端、便携计算机、GPS卫星定位系统等领域有广泛用途，成为使用量最大的显示器件。对于FPGA,随着电子技术迅猛发展，高新技术日新月异。传统的设计方法正在逐步退出历史舞台，取而代之的是基于EDA技术的芯片设计技术，它正在成为电子系统设计的主流。而大规模可编程器件现场可编程门阵列FPGA，已成为当今应用最广泛的可编程专用集成电路之一。其性能好、可靠性强、容量大、体积小、 微功耗、速度快、灵活使用、设计周期短、开发成本低，静态可重复编程，动态在系统结构，硬件功能可以像软件一样通过编程来修改，极大的提高了电子设计的灵活性和通用性。电子工程师和科学研究人员利用该类器件可以在办公室或试验台设计出所需要的专用集成电路，大大的较少了产品的研发周期和降低成本。近年来可编程逻辑器件的开发生产和销售规模以惊人的速度增长，而且广泛的应用于航空航天，网络通信，军用雷达，仪器仪表，工业控制，医用CT，家用电器，手机和计算机各个领域。它的广泛应用，使传统的设计方法正在进行一场巨大的变革。随着PFGA的空前发展和广泛应用，人们渴望掌握这方面的知识，特别是掌握应用设计方面的知识的要求越来越迫切。本课题主要任务是设计基于FPGA的LCD接口控制电路，来控制LCD的显示。兼顾好程序的易用性，以方便之后模块的移植和应用。最后在FPGA上的任意位置显示任意的中文字符以及英文字符，另外要能根据输入数据的变化同步变化LCD上显示的内容。同时要能将储存模块中的图片数据正常地显示在LCD上。该课题的研究将有助于采用FPGA的系列产品的开发，特别是需要用到LCD得采用FPGA的产品的开发。同时可以大大缩短FPGA的开发时间。另外，由于模块的易用性，也将使得更多的采用FPGA的产品之上出现LCD，增加人机之间的交互性，为行业和我们的生活带来新的变化。1.2 LCD的控制应用和市场发展状况在七十年代初液晶开始作为一种显示媒体使用以来，液晶的应用范围被逐渐拓宽，到目前已涉及游戏机，手机/电话机，电视，笔记本电脑/掌上电脑，DC/DV以及液晶显示器等领域。在1984年，欧美提出了STN-LCD，而同时TFT-LCD技术也被提出，但仍不成熟，在80年代末，日本掌握了STN-LCD的生产技术，在93年，日本又掌握了TFT-LCD生产技术，液晶显示器开始向廉价低成本的方向发展，随后DSTN-LCD诞生；另一方面向高端的薄膜式晶体管TFT-LCD发展，97年，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代TFT-LCD生产线。在此期间，韩国和我国台湾开始介入液晶显示器生产领域，我国内地企业也引进生产线，生产TN-LCD，东亚地区逐渐发展成为世界液晶显示器的主要生产地，第三代半及第四代TFT-LCD生产线开始建立，日本，韩国和中国（含台湾省）在液晶显示器生产及技术上开始走在世界最前列。 在技术方面，因集成式的控制芯片具有包括了缩小了IC的体积、低功率消耗、降低封装的成本、节省电路板的数量及体积等优点，并使材料及LCD后段组装成本得以降低，因此许多厂商纷纷朝向高集成度控制芯片发展，并积极开发视讯应用的控制芯片。而最新趋势Sarmtpanel，在制程上则有简化流程、减少材料成本等优点。根据相关资料显示，Sarmtpanel可降低约1015的成本，这也是国外一些大厂所钟爱的方式。为降低控制IC成本，众多IC厂商纷纷推出集成式的单芯片控制IC。美国的Genesis最早推出集成式IC，将ADC、Scaler、OSD（内置菜单）与PLL（锁相环）为一颗单芯片控制IC。接着更进一步集成入DIV组件，形成双模控制IC。其组件集成数量持续增多，并渐渐添加Video的功能。当前Genesis最高集成度的产品，集成入的组件已经包括ADC、Scaler、PLL、OSD、TCON与DVI，仅剩Video的功能以及SDRAM的组件尚未集成。随着市场竞争加剧，液晶显示器的成本压力越来越大，必须采用更简单的线路世纪实现液晶显示器的功能，以期降低成本，才能在市场竞争中立于不败之地。LCD控制IC必将向高集成度方向发展，以满足市场需要。而在LCD的应用以及市场方面，虽然手机仍然是中小尺寸液晶显示器显示屏（LCD）的最主要应用设备，但便携导航设备（PND）、数码相框和MP3便携媒体播放器（PMP）等新型设备，正在该市场的销售额中占有越来越大的份额。由于这些产品所使用的显示屏大于手机所用的显示屏，因此在供应商的工厂中同样需要更多的面板，这对于LCD面板生产商来说是个绝好的机会。各种中小尺寸LCD的产能扩张和价格下降，促进了其应用领域的多元化。这又进一步刺激了需求，并吸引许多其它产品来采用中小型LCD，如白色家电和零售标牌。大多数行业内的公司认为，为了利用手机市场和新兴产品，中小尺寸显示屏供应商必须相应地平衡和调整策略，否则就可能错失整个市场。1.3 设计的主要研究内容和重点、难点本课题的主要内容是:基于FPGA的LCD接口电路的设计与应用，并兼顾程序的易用性以方便以后模块的转移。该课题涉及到FPGA的应用，LCD的驱动的研究，字符及图像显示模式的研究等知识。本课题的重点难点:1、液晶显示模块指令集较为复杂，采用FPGA设计需要定义的变量和状态将会很多；2、中英字符的显示部分程序需要考虑到程序的易用性，方便将来移植后的使用；3、图像显示部分，由于液晶显示模块内部图形显示GDRAM的地址寻址方式的独特性，并不是始终从0到15循环，而是随着行数的增加会做一个移位。若按普通方法这不能显示。1.4 课题设计的预期目标本课题研究的目标主要包括采用FPGA控制LCD在任意位置显示任意中文以及英文字符，和在LCD上显示存储模块中的图像数据。1.4.1 课题研究的预期理论目标：1、掌握FPGA对LCD的控制方法，为课题研究做好理论准备；2、通过FPGA对LCD控制，使得任何开发者都可以较为容易的通过此显示模块，在液晶上显示所需内容；1.4.2 课题研究的预期技术目标：1、中文及英文字符在LCD上能正常显示；2、图像数据在LCD上的正常显示；3、输入变动的数据能在LCD上同步刷新显示。2 现代FPGA技术2.1 FPGA的发展历程可编程逻辑器件(FPGA)是20世纪70年代发展起来的一种新型期间。它的应用不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。可编程逻辑器件的发展是以微电子创作技术的不断进步为基础的，其结构和工艺的变化经历了一个不断发展变革的过程。20世纪70年代，早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器，紫外线可擦除制度储存器和电可擦除只读储存器3种。随后，出现了一类结构稍微复杂的可编程芯片，即可编程逻辑阵列(PLA)。PLA在结构上由一个可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵列规模小，编程过程复杂繁琐。PLA既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在这之后出现了可编程阵列逻辑(PAL)器件，它由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，是现场可编程的。它的实现工艺由反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术3种。在PLA的基础上，又发展除了一种通用阵列逻辑(GAL)，如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了输出逻辑宏单元结构和EEPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，由于其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而其设计具有很强的灵活性，至今仍有许多应用。这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但由于其结构过于简单，因此，只能用于实现较小规模的电路设计为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期，著名的可编辑逻辑器件厂商Altera和Xilinx分别推出了扩展型的复杂可编程逻辑器件(CPLD)和类似于标准门阵列的现场可编程门阵列(FPGA)。CPLD和FPGA的功能基本相同，只是芯片的内部原理和结构有些差别。这两种器件兼容了PAL和GAL器件的优点，具有体系结构灵活、逻辑资源丰富、集成度高以及适用范围广等特点，可用于实现较大规模的电路设计，编程也很灵活，所以，被广泛应用于产品的原型设计和小批量生产之中。几乎所有使用PAL、GAL和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD和FPGA器件。如今，FPGA器件已成为当前主流的可编辑逻辑器件之一。经过近20年的发展，可编辑逻辑器件已经取得了长足的进步，资源更加丰富，使用越来越方便。将来的可编程逻辑器件，密度会更高、速度会更快、功耗会更低，同时还会增加更多新的功能，向着集成了可编程逻辑、CPU、储存期等组件的可编程单片系统(SOPC)方向发展。2.2 FPGA的基本原理对于可编程逻辑器件，从实现原理上讲，一般分为两种：基于查找表加寄存器结构和基于乘积项的FPGA的逻辑实现原理2.2.1查找表的基本原理查找表本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用四输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的161的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。2.2.2 基于乘积项的FPGA的逻辑实现原理以一个简单的电路为例,具体说明FPGA是如何利用以上结构实现逻辑的，电路如下图2.1：图2.1 假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f，则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D (以!D表示D的“非”）FPGA将以下面的方式来实现组合逻辑f:图2.2A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列（PIA)，在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。图中每一个叉表示相连（可编程熔丝导通），所以得到：f= f1 + f2 = (A*C*!D) + (B*C*!D) 。这样组合逻辑就实现了。 图3电路中D触发器的实现比较简单，直接利用宏单元中的可编程D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的全局时钟专用通道，直接连接到可编程触发器的时钟端。可编程触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样FPGA就完成了图3所示电路的功能。2.3 FPGA的设计方法FPGA的常用设计方法包括“自顶向下”和“自下而上”。目前大规模FPGA设计一般选择“自顶向下”的设计方法。所谓“自顶向下”设计方法，简单地说，就是采用可完全独立于芯片厂商及其产品结构的描述语言，在功能级对设计产品进行定义，并结合功能仿真技术，以确保设计的正确性，在功能定义完成后，利用逻辑综合技术，把功能描述转换成某一具体结构芯片的网表文件，输出给厂商的布局布线器进行布局布线。布局布线结果还可反标回同一仿真器，进行包括功能和时序的后验证，以保证布局布线所带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。“自顶向下”设计方法的优越性是显而易见的。首先，由于功能描述可以完全独立于芯片结构，在设计的最初阶段，设计师可不受芯片结构的约束，集中精力进行产品设计，进而避免了传统设计方法所带来的重新再设计风险，大大缩短了设计周期。其次，设计的再利用得到保证。目前的电子产品正向模块化方向发展。所谓模块化就是对以往设计成果进行修改、组合和再利用，产生全新的或派生设计。而“自顶向下”设计方法的功能描述可与芯片结构无关。因此，可以以一种IP(Intelligence Property 知识产权)的方式进行存档，以便将来重新利用。第三，设计规模大大提高。简单的语言描述即可完成复杂的功能，而不需要手工绘图。第四，芯片选择更加灵活。设计师可在较短的时间内采用各种结构芯片来完成同一功能描述，从而在设计规模、速度、芯片价格及系统性能要求等方面进行平衡，选择最佳结果。目前最为常用的功能描述方法是采用均已成为国际标准的两种硬件描述语言VHDL和Verilog HDL。2.4 VHDL硬件描述语言VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,诞生于1982年。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体(可以是一个元件，一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可视部分,及端口)和内部(或称不可视部分)，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。1. 与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。2. VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。3. VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。4. 对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。5. VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计2.5 Quartus II简介Quartus II软件是Altera公司在MAX+PLUS II软件基础上推出的一种更佳的设计软件。对于一个高性能、价格合理、尽快面市的方案，结合使用Quartus II软件和Altera FPGA将是非常好的选择。Quartus II软件比所有竞争产品具有更佳的集成设计环境(例如综合、仿真、逻辑分析和布局布线)。Quartus II平面配置器在输入引脚至所有连接逻辑的信号追踪上，表现出色。集成的Signal Tap II逻辑分析器非常易于使用，不像MAX+PLUS II那样，还要购买第三方开发工具。Quartus II软件比MAX+PLUS II更加可靠，用户界面更加友好，特别是在仿真，节点发现和引脚分配等方面。同样，图形激励生成器比第三方的仿真工具更快、更有效。转换设计一直非常简单，在很短的时间内，就可以适用到目标器件中。在MAX+PLUS II软件的基础上，Quartus II软件具有一些重要的优点：1. 支持器件：支持MAX 3000A、7000AE、MAX 7000B 和 MAX 7000S系列以及新的MAX II系列。支持 FLEX 10KE、FLEX 10K、FLEX 10KA、ACEX、FLEX 6000系列，以及最新的Cyclone、Stratix 和 Stratix II 系列FPGA。2. 性能： 对于MAX 3000A、MAX 7000AE、MAX 7000B、MAX 7000S、FLEX 10K 和ACEX设计，比MAX+PLUS II 10.2版本提供更好的平均性能表现。(1) 对MAX设计，平均设计性能快15;(2) 对给定的MAX设计，所需器件资源平均少5。3. 综合：(1)一体化RTL综合不仅支持AHDL，还支持最新的VHDL和Verilog语言标准。(2)在综合和设计实施之前，RTL浏览器提供VHDL或者Verilog设计的图形表示(仅限于Quartus II软件)。(3)支持所有的主要第三方综合流程。4. 高级功能：高级功能支持MAX II CPLD和最新的FPGA器件系列：(1)PowerGauge 功率分析功能支持MAX 3000A, MAX 7000AE和MAX 7000B设计和最新的FPGA器件(即将支持MAX II CPLD器件)。(2)LogicLock 基于模块的设计流程(3)SOPC Builder： 同IP轻松集成5. 编译：(1)物理综合优化(2)时序收敛平面配置编辑器6. 验证功能：(1)多时钟和多周期时序分析(2)面向FPGA设计的SignalTap II 嵌入式逻辑分析器7. 最后一刻设计改变支持(ECO支持)：(1)芯片编辑器(将于2004年下半年支持MAX II)(2)渐进式拟和从MAX+PLUS II软件转换到Quartus II软件非常容易，现在可以用Quartus II进行所有的Altera新设计。Quartus II软件最新版非常实用，根本不用再回到老版本去完成一个设计。转到Quartus II软件的一个主要原因是其出众的实现时序收敛的能力，这对大部分有难度的工程是不可缺少的。如果将Altera CPLD或FPGA中的所有逻辑资源全部用上，即使这样，仍旧能够满足速度需要。比较包括Xilinx在内的其他PLD供货商的开发工具，只有Quartus II软件才是最容易使用的。3 总体系统设计及资源选择3.1 系统设计要求与内容根据本系统设计要求，采用大规模可编程逻辑器件(FieldProgrammable Gate Array)，使用VHDL语言，利用Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境Quartus调试开发。设计一个液晶显示模块LCM的接口控制电路，以FPGA为核心, 通过控制硬件电路和基于硬件描述语言(VHDL)的各功能模块：逻辑阵列块LAB（Logic array block）、嵌入式阵列块EAB（embedded array block）、快速互联以及IO单元，以及外围驱动电路，能够实现对LCM的有效控制，并且能点阵液晶屏上显示中文和英文两种字符，还可以通过下载并测试电路功能，分析芯片资源的占用情况。3.2系统设计总体框图系统设计总体框图如图3.1所示，在系统上电后，FPGA将首先对系统进行初始化操作，在初始化操作中最重要的是寄存器的复位，显示开关的控制，功能设置以及对显示屏幕进行清屏。之后通过显示控制模块对LCD进行显示的控制。显示控制模块主要负责在LCD显示多行字符时进行换行操作，在用户指定数据在屏幕的指定显示位置时设置该位置所对应的RAM的值，以及在图像显示时进行的ROM地址重映射算法，和对LCD显示区对应RAM进行的写入操作。其中的数据分别来自中英文字符模块，动态数据模块，以及图像数据模块。对此模块的设计，主体结构以状态机来实现。图3.1 系统设计总体框图3.3 系统开发选用资源3.3.1 液晶模块选用本设计选用了带ST7920驱动的LCD12864-12模块来进行设计和调试。该模块自带字库。其中，12864-12汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵），128个字符（8X16点阵）几64X256点阵显示RAM(GDRAM)。12864液晶显示屏共有12864点阵，即每行显示128点，每列显示64点。此种型号的液晶显示屏以中间间隔平均划分为左屏和右屏分别显示，均为6464点阵，而且各自都有独立的片选信号控制选择。先显示左屏，左屏全部显示完后才能显示右屏。显示屏上的显示数据由显示数据随机存储器DDRAM提供。DDRAM每字节中的每1个bit，对应显示屏上的1个点。bit值为1，对应点显示，反之不显示。DDRAM与显示屏的对应位置如图1所示。每半屏显示数据共有512字节的DDRAM，分为8个数据页来管理，这些页对应显示屏从上到下编号为07页，每页64字节，涵盖半边显示屏的64行64列8bit点阵数据。向显示屏写数据实际上是向DDRAM中写数据，DDRAM不同页和不同列中的字节数据唯一对应显示屏一行的8个显示点。例如，向DDRAM第0页的第0列写入数据00010100B，则显示屏左上角第0列的8个显示点只有从上往下的第3和5点显示。不同页和不同列DDRAM的寻址，通过左半屏和右半屏各自的页地址计数器和列地址计数器实现，因此对显示屏DDRAM写显示数据前，需要先设置页地址和列地址。 每一点对应的地址信息图3.2 12864液晶显示屏与内部RAM的对应关系1、主要技术参数和显示特性：电源：VDD 3.3V+5.5V（内置升压电路，无需负压）显示内容：128 X 64行显示颜色：黄绿显示角度：6：00种直视LCD类型：STN与MCU接口：8位或4位并行/3位串行配置LED背光2、外形尺寸外观尺寸：937012.5mm 视域尺寸：7240mm图3.3 外观尺寸图外形尺寸： 表3.1 外形尺寸表3、模块引脚说明：表3.2 模块引脚管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VDD5.0V电源电压3V0-液晶显示器驱动电压4D/IH/LD/I=“H”,表示DB7DB0为显示数据D/I=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6EH/L使能信号：R/W=“L”,E信号下降沿锁存DB7DB0 R/W=“H”,E=“H” DRAM数据读到DB7DB0(使能端，高电平有效)7DB0H/L数据线8DB1H/L数据线9DB2H/L数据线10DB3H/L数据线管脚号管脚名称电平管脚功能描述11DB4H/L数据线12DB5H/L数据线13DB6H/L数据线14DB7H/L数据线15CS1H/L左半屏片选信号，高电平有效16CS2H/L右半屏片选信号，高电平有效17RESETH/L复位信号,低电平复位18VEE-10VLCD驱动负电压19IED+DC+5V背光板电源20IED-DC0V背光板电源逻辑工作电压（VDD）：3.35.5V电源地（GND）：0V工作温度（Ta）：0+50（常温）/ -2070（宽温）4、接口时序模块有并行和串行两种连接方法（时序如下）：a) 8位并行连接时序图图3.4 MPU写资料到模块图3.5 MPU从模块读出资料b) 串行连接时序图图3.6 串行时序图表3.3 时钟周期表串行数据传送共分三个字节完成：第一字节：串口控制格式 11111ABC A为数据传送方向控制：H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD。 B为数据类型选择： H表示数据室显示数据，L表示数据室控制指令 C固定为0第二字节：（并行）8位数据的高4位格式DDDD0000第三字节：（并行）8位数据的低4位格式DDDD0000串行接口时序参数：（测试条件： T=25 VDD=4.5V）5、用户指令集：指令表1：（RE=0：基