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基于NiosII的LCD控制器IP核設計說明.doc

'基于NiosII的LCD控制器IP核設計說明.doc'
?1 概 述1.1 課題概述本文所要進行描述的設計是運用VHDL語言和Verilog HDL語言,通過分析LCD 控制器的硬件結構和控制時序,使用SoPC技術,把Nios CPU和LCD控制器放在同一個FPGA中。并通過對相應變量的參數化,實現有一定通用性的LCD IP核設計。目的是解決在利用Quartus Ⅱ 進行Nios系統開發時,由于部沒有可用LCD的IP,影響產品開發的問題。1.2 LCD控制器軟核設計所要設計的LCD控制器是要求符合Avalon總線規的。FPGA中集合了NiosⅡ CPU、DMA和LCD控制器模塊,以及三態橋(連接Flash)、SDRAM控制器。LCD控制器的位置如圖(1-1)所示,一端連接Avalon總線,一端連接LCD接口(LCD屏幕標準接口)。LCD控制器負責從SDRAM中提取顯示數據,經處理符合LCD時序規,送至LCD接口,實現顯示圖像。圖1-1系統總貌圖Fig. 1-1 System Summarization2 相關技術介紹本小節主要介紹本論文中所涉及的關鍵理論和技術,包括LCD顯示技術,SOPC技術,SOPC技術特點,Nios II處理器,Avalon總線,DMA技術。2.1 LCD顯示技術在1970年,Ferguson制造了第一臺具有實用性的LCD。LCD 使用液晶屏幕顯示圖象,液晶屏幕以電壓供應的改變而改變光線的折射來產生色彩的變化LCD 顯示屏一般都應用在便攜電腦或多媒體放映機上。大部分桌面電腦的純平LCD顯示器就是采用了LCD 技術。利用液晶制成的顯示器稱為液晶顯示器,英文稱 LCD(Liquid Crystal Display)。其種類可分為依驅動方式之靜態驅動(Static)、單純矩陣驅動(Simple Matrix)以及主動矩陣驅動(Active Matrix)三種。而其中,單純矩陣型又俗稱的被動式(Passive),可分為扭轉向列型(Twisted Nematic,簡稱 TN)和超扭轉式向列型(Super Twisted Nematic,簡稱STN)兩種; 而主動矩陣型則以薄膜式晶體管型(Thin Film Transistor;TFT)為目前主流。LCD因具有工作電壓低、功耗小、顯示信息量大、壽命長、易集成、方便攜帶和電磁輻射污染小等優點,在顯示技術中異軍突起,被廣泛應用于手機、PDA產品、手持式儀器儀表等便攜式電子產品與設備中。LCD驅動電路是液晶顯示系統的重要組成部分,是一種計算機(或MCU)和液晶屏之間的接口電路,其主要功能是通過調制輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號的相位、峰值、頻率等參數來建立交流驅動電場。由于LCD的規格相差較大,常規的方法是針對每一種LCD開發專門的驅動電路,這樣的設計浪費時間,而且復用性較差。為此,設計一種可用于多數小規模LCD驅動電路的IP核,通過復用該IP核來解決這個問題是非常必要的。目前,國際上只有I-Shou大學的Yu-Jung Huang等人設計了可驅動不同規模LCD的驅動電路IP核,通過在系統中植入嵌入式微處理器來實現這一功能。但是,這種嵌入式微處理器使系統更復雜,而且成本更高。本文設計的可驅動不同規模LCD的驅動電路IP核是采用FPGA來實現的,能有效克服電路系統復雜和高成本這兩個缺點。2.2 SOPC技術SoPC(System On a Program Chip,片上可編程系統)是以PLD(Programmable Logic Device,可編程邏輯器件)取代ASIC(Application Specific Integrated Circuits,專用集成電路),更加靈活、高效的SoC(System On Chip)解決方案。它最早是由美國Altera公司于2000年提出的,并同時推出了相應的開發軟件Quartus Ⅱ。SoPC是基于FPGA(Field Programmable Gate Array,現場可編程門陣列)解決方案的SoC,與ASIC的SoC解決方案相比,SoPC系統及其開發技術具有靈活的設計方式,可裁減、可擴充、可升級,并具備軟硬件在系統可編程的功能,具有更多的特色,構成SoPC的方案也有如下多種途徑。2.2.1基于FPGA嵌入IP硬核的SoPC系統即在FPGA中預先植入嵌入式系統處理器。目前最為常用嵌入式系統大多采用了含有ARM的32位知識產權處理核的器件。但通常這種系統還須配置許多接口器件才能構成一個完整的應用系統,如除配置常規的SRAM、DRAM、Flash外,還須配置網絡通信接口、USB接口、VGA接口、PS/2接口或其他專用接口等。這樣會增加整個系統的體積、功耗,而降低系統的可靠性。但是如果將ARM或其他知識產權核,以硬核方式植入FPGA中,利用FPGA中的可編程邏輯資源和IP軟核,直接利用FPGA中的邏輯宏單元來構成該嵌入式系統處理器的接口功能模塊,就能很好的解決這些問題。這樣就能使得FPGA中的硬件設計核硬件實現更與處理器的強大軟件功能有機的相結合,高效的實現SoPC系統。2.2.2基于FPGA嵌入IP軟核的SoPC系統將IP硬核直接植入FPGA的解決方案也存在許多不完美之處。例如硬核多來自第3方公司,導致FPGA器件價格相對偏高;由于硬核是預先植入的,設計者無法根據實際需要改變處理器的結構,如總線規模,接口方式,乃至指令形式,更不能將FPGA邏輯資源構成的硬件模塊以指令的形式置嵌入式系統的硬件加速模塊(如DSP模塊),以適應更多的電路功能要求;無法根據實際設計需求在同一FPGA中使用多個處理器核。以上諸多不利因素可利用軟核嵌入式系統處理器來有效的解決。目前最有代表性的軟核嵌入式系統處理器分別是Altera的Nios和Nios Ⅱ核,及Xilinx的MicroBlaze核。特別是前者,即Nios CPU系統,將很好的解決上述不利因素。Altera的Nios核是用戶可隨意配置和構建的32位/16位總線(用戶可選的)指令集和數據通道的嵌入式系統32位處理器IP核,采用Avalon總線結構通信接口,帶有增強的存、調試和軟件功能(C或匯編程序優化開發功能);含有First Silicon Solutions(FS2)開發的基于JTAG的片設備(OCI)核。此外,基于Quartus Ⅱ平臺的用戶可編程的Nios核含有許多可配置的接口模塊核,包括:可配置高速緩存(包括片ESB、外部SRAM或SDRAM,100MB以上單周期訪問速度)模塊,可配置RS232通信口、SDRAM控制器、標準以太網協議接口、DMA、定時器、協處理器等。在植入FPGA前,用戶可根據設計要求,利用Quartus Ⅱ和SoPC Builder,對Nios及其外圍系統進行構建,使該嵌入式系統在硬件結構、功能特點、資源占有等方面全面滿足用戶系統設計的要求。2.2.3基于HardCopy技術的SoPC系統HardCopy就是利用原有的FPGA開發工具,將成功實現于FPGA器件上的SoPC系統通過特定的技術直接向ASIC轉化,從而克服傳統ASIC技術中普遍存在的問題。HardCopy技術是一種全新的So。省略部分。,即可作為一個Avalon的slave設備添加到系統中了。圖5-19 LCD控制器Fig. 5-19 lcd_controller把lcd_controller集成到了SoPC Builder中形成的Nios II系統。它包括了整個系統的各個組成元件和Avalon總線連接。6. 總結綜合分析各章所述,本論文的主要的工作總結如下:l 簡單介紹了一下LCD顯示技術以及SOPC技術;l 分析了三星公司的S3C2410A液晶顯示器控制器的工作原理;l 分析了LCD屏的接口時序;l 研究了FPGA集成Nios II的方法,了解了Avalon總線技術和規;l 將Nios II軟核集成到FPGA上并進行相應配置;研究了如何使用VHDL和C語言對系統進行編程。袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈l
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