基于SOPC的液晶屏接口組件設(shè)計(jì)

1  引言
傳統(tǒng)的外設(shè)操作使用I/O接口方式，在硬件工程中，需要設(shè)計(jì)與外設(shè)相連的I/O接口，在軟件工程中，需要用戶編寫I/O接口程序?qū)ν庠O(shè)進(jìn)行初始化，設(shè)置相應(yīng)的外設(shè)寄存器，這樣的工作在每次新建一個(gè)工程后，都得重復(fù)進(jìn)行，因此增加了開發(fā)的成本。

利用Altera公司提供的Component Editor工具可以設(shè)計(jì)符合時(shí)序要求的外設(shè)接口，并且可以將用戶開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序與Nios II HAL（硬件抽象層）系統(tǒng)庫集成在一起，形成Nios II的接口組件，在系統(tǒng)生成的時(shí)候，對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化設(shè)置。這樣在建立新工程時(shí)，只需將接口組件添加到系統(tǒng)就可以了，對(duì)組件的訪問也變得輕松，使得代碼可重復(fù)利用。

Nios II HAL系統(tǒng)庫是一個(gè)輕量級(jí)實(shí)時(shí)環(huán)境，提供一個(gè)組件驅(qū)動(dòng)接口，使得程序與底層硬件通信。HAL API（應(yīng)用程序接口）與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫集成在一起，允許用戶通過類C庫函數(shù)訪問設(shè)備和文件，例如printf()、fopen()和fwrite()等，這樣其他開發(fā)者無需知道底層硬件結(jié)構(gòu)就可以對(duì)組件進(jìn)行操作。

2  硬件設(shè)計(jì)
在SOPC Builder中打開Component Editor，在HDL Files標(biāo)簽下添加硬件描述語言編寫的文件，將其設(shè)定為頂層模塊，該文件描述了組件與Avalon總線的接口以及組件與液晶屏的接口，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)文件進(jìn)行分析和模擬。

點(diǎn)擊Signals標(biāo)簽，系統(tǒng)自動(dòng)讀取硬件描述語言文件中的信號(hào)，用戶只需設(shè)置接口信號(hào)和信號(hào)類型。接口信號(hào)包括主端信號(hào)和從端信號(hào)，主端信號(hào)與Avalon總線相連，包括iDATA、iADDRESS、iWR_N和iCS_N等，信號(hào)類型依次為writedata、address、write_n和chipselect_n等，從端信號(hào)與LCD相連，包括LCD_DATA、LCD_ADDRESS、LCD_RD_N、LCD_WR_N和LCD_CS_N等，信號(hào)類型均為export。

從端信號(hào)與主端信號(hào)的連接用硬件描述語言描述：

assign     LCD_DATA           =     iDATA;

assign     LCD_ADDRESS    =     iADDRESS;

assign     LCD_RD_N           =     1;

assign     LCD_WR_N          =     iWR_N;

assign     LCD_CS_N           =     iCS_N;

由于始終對(duì)液晶屏進(jìn)行寫操作，不進(jìn)行讀操作，所以信號(hào)LCD_RD_N置1。

點(diǎn)擊Interfaces標(biāo)簽，將接口設(shè)置為從類型，地址選擇Registers類型，Avalon Slave Timing可以設(shè)置接口的時(shí)序，如圖1所示。

圖1  液晶屏寫時(shí)序

點(diǎn)擊SW Files標(biāo)簽，添加系統(tǒng)所需要的文件，包括兩個(gè)頭文件，一個(gè)C文件，選擇文件類型，將它們包含在不同的文件夾下，這樣就可以通過標(biāo)準(zhǔn)的C語言函數(shù)來訪問組件了。

最后一步點(diǎn)擊Component Wizard，為組件取名，點(diǎn)擊Finish完成設(shè)計(jì)。

3  軟件設(shè)計(jì)
組件生成后，組件文件夾的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液晶屏接口組件

lcd_3224inc文件夾下包含_regs.h文件，該文件定義硬件接口，例如：

#define    IOWR_ LCD_DATA(base, data)           IOWR(base, 0, data)

寫參數(shù)有三個(gè)，base為組件的基地址，0表示地址偏移量，data為要寫入的數(shù)據(jù)，重新定義后在源代碼中可以使用自定義的名字對(duì)組件進(jìn)行操作。

lcd_3224hdl文件夾下包含.v文件，該文件描述組件的接口信號(hào)。

lcd_3224HALinc文件夾下包含.h文件，該文件描述組件的結(jié)構(gòu)、函數(shù)聲明和驅(qū)動(dòng)程序與標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)的接口等，示例如下：

#include  "sys/alt_dev.h"              //包含定義組件結(jié)構(gòu)的頭文件

typedef    struct      alt_LCD_dev   alt_LCD_dev;         //定義組件結(jié)構(gòu)

struct      alt_LCD_dev

{

  alt_dev        dev;

  int            base;

};

……

void        alt_lcd_init(alt_LCD_dev * dev);          //聲明初始化函數(shù)

int          alt_lcd_write(alt_fd * fd, const char* ptr, int len);              //聲明寫函數(shù)

……

#define ALTERA_AVALON_LCD_INSTANCE(name, device)

static alt_LCD_dev device =

{

  {

    ALT_LLIST_ENTRY,

    name##_NAME,

    NULL, /* open */          //fopen可以訪問lcd

    NULL, /* close */

    NULL, /* read */

    alt_lcd_write,         //fprintf將調(diào)用寫函數(shù)訪問液晶屏

    NULL, /* lseek */

    NULL, /* fstat */

    NULL, /* ioctl */

  },

  name##_BASE

}

lcd_3224HALsrc文件夾下包含源代碼，mk文件是自動(dòng)生成的，源代碼主要包括初始化程序、.h文件所聲明的alt_lcd_write和一些子程序，例如：

static void lcd_write_data(alt_LCD_dev * dev, unsigned char data)           //子程序

{

  unsigned int base = dev->base;         //基地址由SOPC Builder自動(dòng)生成

  IOWR_ LCD_DATA(base, data);      //訪問底層硬件

}

初始化程序和寫函數(shù)調(diào)用這些子程序完成對(duì)組件的初始化和各種操作。

4  應(yīng)用
根據(jù)液晶屏的功能及所使用的開發(fā)板，應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

在SOPC Builder中添加組件生成硬件系統(tǒng)，將結(jié)果下載到開發(fā)板。打開Nios II IDE創(chuàng)建軟件工程，進(jìn)行軟件的編寫，其中部分程序如下：

#include 

int    main(void)

{

FILE * fd;

fd = fopen(/dev/lcd”, “w”);              //lcd為SOPC Builder中的名字

if(fd)

{

fprintf(fd, “parameter”);        //調(diào)用alt_lcd_write

fclose(fd);

}

……

return 0;

}

通過標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)訪問液晶屏，程序編寫簡單，可以顯示各種圖像及字符。如果還有特殊要求，用戶可以繼續(xù)在驅(qū)動(dòng)程序中添加需要的功能。

5  總結(jié)
本文詳細(xì)介紹了液晶屏接口組件的設(shè)計(jì)方法，核心部分是硬件描述語言文件的編寫、時(shí)序的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫。調(diào)試成功后，可以把組件文件夾放到系統(tǒng)組件文件夾下，這樣就可以重復(fù)使用。對(duì)于應(yīng)用程序開發(fā)者，不用了解硬件結(jié)構(gòu)就可以使用標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)操作組件，使得開發(fā)簡便快捷，節(jié)省了時(shí)間和成本，是一種高效、靈活和低成本的開發(fā)方法。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：和傳統(tǒng)的外設(shè)接口方式相比，接口組件的使用極大地方便了接口的硬件和軟件設(shè)計(jì)，是高效靈活的接口方式。

參考文獻(xiàn)

[1]   任愛芬、初秀琴、常存等，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004
[2]   郭書軍、王玉花、葛紉秋，嵌入式處理器原理及應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，2004
[3]   李洋洋，基于CPLD的DSP和液晶模塊接口設(shè)計(jì)，微計(jì)算機(jī)信息，2004年，第1期