基于Avalon總線的鍵盤和VGA控制接口設(shè)計(jì)

　　SOPC（System On Programmable Chip，可編程的片上系統(tǒng)）是Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、I/O口等系統(tǒng)設(shè)計(jì) 需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。SOPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果，代表了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。

　　Altera公司的Nios II核是目前最具代表性的軟核嵌入式系統(tǒng)處理器，本文描述的SOPC系統(tǒng)以Altera NiosII為基礎(chǔ)，利用SOPC Builder對(duì)Nios II及其外圍系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

設(shè)計(jì)課題的確立

本文所描述的SOPC系統(tǒng)需要完成以下功能：

　　1．利用PS2接口的鍵盤作為設(shè)計(jì)的信號(hào)輸入和外部控制電路部分；

　　2．利用VGA顯示接口作為設(shè)計(jì)的信號(hào)輸出和顯示電路部分；

3．嵌入處理器 + 應(yīng)用軟件。

　　根據(jù)以上要求，確立要完成本文設(shè)計(jì)的3個(gè)功能模型，分別是：兼容標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的PS2控制接口邏輯；基于Avalon總線的VGA顯示接口邏輯，以及NiosII嵌入式處理器和PS2/VGA驅(qū)動(dòng)程序。

系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

　　在SOPCBuilder中構(gòu)造整個(gè)系統(tǒng)的連接，包括基本的SOPC系統(tǒng)和自定義外設(shè)?；維OPC系統(tǒng)的核心是NiosII處理器Core，它還包含Avalon三態(tài)總線，以及掛在總線上的外部存儲(chǔ)設(shè)備接口，包括SRAM（或SDRAM）控制接口及Flash控制接口；以及定時(shí)計(jì)數(shù)Timer和調(diào)試Jtag_Uart模塊。而本課題設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是自定義的外設(shè)接口——基于Avalon總線協(xié)議的PS2接口和VGA控制接口。

基于Avalon總線協(xié)議的PS2控制接口設(shè)計(jì)

PS2控制接口協(xié)議

　　PS2設(shè)備接口多用于當(dāng)今的鼠標(biāo)和鍵盤設(shè)計(jì)，它是由IBM 開(kāi)發(fā)并最早出現(xiàn)在IBM 技術(shù)參考手冊(cè)里。PS2 鼠標(biāo)和鍵盤遵循雙向同步串行協(xié)議，每次數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，時(shí)鐘線上的脈沖就被讀入。鍵盤/鼠標(biāo)可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)，同樣主機(jī)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備，但主機(jī)總是在總線上有優(yōu)先權(quán)，它可以在任何時(shí)候抑制來(lái)自于鍵盤/鼠標(biāo)的通訊，而只需把時(shí)鐘拉低即可。

　　從鍵盤/鼠標(biāo)發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿被讀??；從主機(jī)發(fā)送到鍵盤/鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)在上升沿被讀取。不管通訊的方向怎樣，鍵盤/鼠標(biāo)總是產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須先告訴設(shè)備開(kāi)始產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。PS2設(shè)備最大的時(shí)鐘頻率是33kHz 而大多數(shù)設(shè)備工作在10-20kHz。設(shè)備到主機(jī)的通訊過(guò)程如圖2所示：

　　所有數(shù)據(jù)安排在字節(jié)中，每個(gè)字節(jié)為一幀，包含了11/12 個(gè)位，這些位的含義如下：1個(gè)起始位，總是為0；8個(gè)數(shù)據(jù)位，低位在前；1個(gè)校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)；1個(gè)停止位，總是為1；1個(gè)應(yīng)答位，僅在主機(jī)對(duì)設(shè)備的通訊中出現(xiàn)。

　　鍵盤上包含了一個(gè)大型的按鍵矩陣，它們是由“鍵盤編碼器”來(lái)監(jiān)視的。監(jiān)視哪些按鍵被按下或釋放了，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候傳送到主機(jī)。而主板上包含了一個(gè)“鍵盤控制器”負(fù)責(zé)解碼所有來(lái)自鍵盤的數(shù)據(jù)， 并告訴軟件什么事件發(fā)生。在主機(jī)和鍵盤之間的通訊使用IBM 的協(xié)議，最初IBM 使用Intel8048 微處理器作為它的鍵盤編碼器，而使用Intel8042 微控制器作為它的鍵盤控制器，這些現(xiàn) 已被兼容設(shè)備取代，并整合到主板的芯片組中。

　　鍵盤的處理器花費(fèi)很多的時(shí)間來(lái)掃描或監(jiān)視按鍵矩陣。如果它發(fā)現(xiàn)有鍵被按下、釋放或按住，鍵盤將發(fā)送“掃描碼”的信息包到計(jì)算機(jī)。掃描碼有兩種不同的類型：“通碼”和“斷碼”。當(dāng)一個(gè)鍵被按下或按住就發(fā)送通碼；當(dāng)一個(gè)鍵被釋放就發(fā)送斷碼。每個(gè)按鍵被分配了唯一的通碼和斷碼，這樣主機(jī)通過(guò)查找唯一的掃描碼就可以測(cè)定是哪個(gè)按鍵。

基于Avalon總線的鍵盤控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　基于Avalon總線的鍵盤控制器的實(shí)現(xiàn)，需模擬Intel8042的功能時(shí)序，完成鍵盤控制器的功能模型的建立，并完成其RTL代碼。本鍵盤控制器，不僅完成8042對(duì)鍵盤掃描碼的接收功能，還要把掃描碼轉(zhuǎn)換為處理器能夠識(shí)別的ASCII碼。

　　從鍵盤讀數(shù)據(jù)：當(dāng)從鍵盤收到有效的掃描碼就把它放置在輸入緩沖區(qū)，IBF（輸入緩沖區(qū)滿）標(biāo)志被設(shè)置，產(chǎn)生IRQ1。如果中斷是使能，IRQ1將激活鍵盤驅(qū)動(dòng)程序，它指向0x09中斷向量。驅(qū)動(dòng)程序?qū)腁valon_PS2_BASE端口讀取ASCII碼。這個(gè)動(dòng)作會(huì)釋放IRQ1并復(fù)位IBF標(biāo)志。接著ASCII被驅(qū)動(dòng)程序處理。如下圖3顯示接收“c”通碼的時(shí)序，經(jīng)過(guò)11個(gè)PS2_CLK接收到“c”的掃描碼為“0x21”，同時(shí)掃描碼被轉(zhuǎn)換為ASCII碼，為“0x63”。圖4，模擬了鍵盤發(fā)送一個(gè)大寫“A”的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，其過(guò)程為SHIFT通碼（0x12），“A”通碼（0x1c），“A”斷碼（0xf0，0x1c），SHIFT斷碼（0xf0，0x12）。此過(guò)程中加入了兩個(gè)標(biāo)識(shí)位，SHIFT標(biāo)識(shí)（rx_shift_key_on）和斷碼標(biāo)識(shí)（rx_released），用以顯示SHIFT是否被按下，及發(fā)送的是通碼或斷碼。

　　往鍵盤寫數(shù)據(jù)：當(dāng)你寫數(shù)據(jù)到鍵盤控制器的輸出緩沖區(qū)，控制器設(shè)置OBF（輸出緩沖區(qū)滿）標(biāo)志并處理數(shù)據(jù)?？刂破鲗l(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)到鍵盤并等待一個(gè)回應(yīng)。如果鍵盤沒(méi)有接收或在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有回應(yīng)，相應(yīng)的超時(shí)標(biāo)志就會(huì)被設(shè)置。

基于Avalon總線協(xié)議的VGA控制接口設(shè)計(jì)

VGA原理

　　VGA接口主要有五個(gè)信號(hào)線，分別為R、G、B、vsync（場(chǎng)同步）、hsync（行同步）信號(hào)。Red、Green、Blue 就是大家熟知的三原色，由RGB的電壓差便可以產(chǎn)生出所有的顏色。如果R、G、B各用一個(gè)bit來(lái)控制，也就是只有0、1兩種電壓準(zhǔn)位，則所能形成的顏色種類只有8種。若每一種顏色能用多個(gè)bit來(lái)分出不同準(zhǔn)位的電壓差，顏色就能多樣化呈現(xiàn)。vsync和hsync用作顯示器的同步信號(hào)，依據(jù)垂直與水平更新率的不同，不斷送出固定頻率的信號(hào)輸出，此時(shí)就可以在屏幕上正確的顯示色彩。

　　屏幕的顯示方式，是從左邊最上角的第一個(gè)像素開(kāi)始，然后依次向右顯示下一個(gè)像素，到顯示完第一列的最后一個(gè)像素，就跳到第二列的第一個(gè)像素繼續(xù)開(kāi)始顯示。一直到整個(gè)屏幕都顯示完畢時(shí)，回到原點(diǎn)，如此能不斷的刷新畫面。對(duì)上述5個(gè)信號(hào)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)，VGA顯示器要求嚴(yán)格遵循“VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，即640×480×60Hz模式。下圖給出VGA行掃描、場(chǎng)掃描的時(shí)序。

　　這是每一行掃描所需的時(shí)間，3.77μs（29.88μs - 26.11μs）是hsync必需降為0的時(shí)間，1.89μs是后置準(zhǔn)備時(shí)間，0.94μs是前置準(zhǔn)備時(shí)間。而25.17μs則是像素顯示時(shí)間，顏色的變化都要在這個(gè)時(shí)間內(nèi)顯示，在該時(shí)間域外，R、G、B三根信號(hào)線都一定置0，否則將無(wú)法正確顯示畫面。

　　每一個(gè)垂直信號(hào)內(nèi)，總共要包含480個(gè)水平信號(hào)(或者在不同分辨率時(shí)，會(huì)有不同數(shù)目的行信號(hào))。64μs（15.764ms - 15.700ms）是vsync必需為0的時(shí)間。1.02ms是后置準(zhǔn)備時(shí)間，0.35ms是前置準(zhǔn)備時(shí)間，15.24ms是圖像周期。每一個(gè)vsync就顯示新的一幀。

基于Avalon總線的VGA控制器的實(shí)現(xiàn)

　　Avalon流模式外設(shè)的設(shè)計(jì)需要遵循Avalon總線規(guī)范?；贏valon總線VGA控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，該控制器由4部分構(gòu)成：vga_regster_bank：VGA寄存器控制模塊；line_buffer：FIFO存儲(chǔ)器，由Magawizard產(chǎn)生；vga_driver：vga時(shí)序發(fā)生器，產(chǎn)生行場(chǎng)信號(hào)，并從FIFO中讀取像素信息產(chǎn)生RGB；imga_dma：DMA控制器，完成直接存儲(chǔ)，從系統(tǒng)SRAM中讀取數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽IFO。

　　使用pixel_counter（像素計(jì)數(shù)器）生成行時(shí)序，計(jì)數(shù)器應(yīng)每31.77μs完成一個(gè)周期，當(dāng)VGA時(shí)鐘選擇在25MHz，則每行需31.77μs/(1/25MHz) = 794個(gè)時(shí)鐘周期。而行同步信號(hào)保持為低狀態(tài)要3.77μs，3.77*25 = 94；所以如圖8所示，在A處像素計(jì)數(shù)值為0，B－94，C－140，D－781，E－794，然后復(fù)位到0，從而產(chǎn)生行同步時(shí)序。同理，對(duì)場(chǎng)也需通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器生成場(chǎng)時(shí)序。

　　在EP2C5T的板子上，要使用存儲(chǔ)器，通常需要實(shí)時(shí)顯示的都會(huì)使用on-chip memory（片內(nèi)存儲(chǔ)器），因?yàn)閛n-chip memory的雙口結(jié)構(gòu)可以同時(shí)對(duì)一塊存儲(chǔ)單元不同的地址進(jìn)行讀、寫，同時(shí)，on-chip memory的速度極快，可以不經(jīng)過(guò)外部總線工作，因此不會(huì)出現(xiàn)總線仲裁和延遲。但是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)板的on-chip memory較小，而設(shè)計(jì)中256色顯存空間最少要 307.2Kbytes。因此，選擇外部SRAM作為顯存，并由imga_dma 產(chǎn)生的DMA控制從Avalon總線主動(dòng)讀取外部SRAM中的數(shù)據(jù)。

　　一般在Avalon總線上大多是從外設(shè)，其使用的方式是，一直等待chipselect的輸入為1時(shí)，才讀取總線上的數(shù)據(jù)，如果chipselect一直為0的狀態(tài)下，則從外設(shè)將不做響應(yīng)。然而，跟一般從外設(shè)不一樣的是VGA控制器中的imga_dma模塊是一個(gè)主外設(shè)，它完成存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的 DMA傳輸，它通過(guò)Avalon總線一端連接外部顯存（SRAM），一端連接控制器的FIFO。然后控制器不斷主動(dòng)的去讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并輸出信號(hào)到RGB。

實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)果展示

　　中文字符串顯示：先建立中文字符串字庫(kù)，利用鍵盤擴(kuò)展鍵觸發(fā)，Nios II軟件捕捉到此鍵碼，顯示字符串。英文字符顯示：鍵盤輸入，由PS2協(xié)議模塊捕捉到鍵盤輸入的掃描碼，轉(zhuǎn)換成ASCII碼，Nios II軟件再根據(jù)ASCII碼值在預(yù)先建立好的ASCII字庫(kù)中尋址讀取ASCII字庫(kù)數(shù)據(jù)，并把字庫(kù)數(shù)據(jù)寫入到VGA顯示存儲(chǔ)器；然后VGA控制模塊把顯示存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA方式發(fā)送到VGA，完成英文字符顯示。

　　至此完成課題設(shè)計(jì)要求，利用PS2鍵盤輸入、VGA顯示、Nios II數(shù)據(jù)處理，構(gòu)造了一個(gè)SOPC系統(tǒng)。