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摘要: 本文介紹了一種基于片上可編程系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)萬年歷的方法。在FPGA 芯片上，通過配置NIOS 軟核處理器和相關(guān)接口模塊，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)用液晶模塊顯示萬年歷等漢字字符，用8 個(gè)七段數(shù)碼管顯示電子鐘的日期和時(shí)間，并可通過按鍵對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。具有高集成度、設(shè)計(jì)靈活和可移植性較好等特點(diǎn)。 1 引言 SOPC代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，它可以將處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口、硬件協(xié)處理器和普通的用戶邏輯等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊都集成到一個(gè)FPGA芯片里，構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。它具有軟硬件可重構(gòu)、剪裁和編程等功能，由于同時(shí)涉及底層的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)優(yōu)化方面有了前所未有的自由度。 現(xiàn)在的電子萬年歷多數(shù)采用基于單片機(jī)的控制技術(shù)，可移植性較差，集成度較低，本文以杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48-PK 系統(tǒng)的64×64 點(diǎn)陣型液晶顯示模塊LCD GDM12864A 為例，利用NIOSⅡ軟核在Altera公司的CycloneEP1C6Q240C8 芯片中，既能實(shí)現(xiàn)用戶定制的處理器，又能對(duì)液晶顯示模塊和數(shù)碼管顯示進(jìn)行編程控制。本文在軟、硬件開發(fā)過程中，通過利用SOPC技術(shù)，縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，優(yōu)化性能和資源。 本文以萬年歷設(shè)計(jì)為例，使讀者初步了解SOPC的開發(fā)過程。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA 內(nèi)部各模塊設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。FPGA 內(nèi)部各模塊是利用ALTERA 公司的Quartaus Ⅱ開發(fā)軟件中的SOPC builder 工具對(duì)CPU 進(jìn)行定制，包括CPU 的數(shù)據(jù)和指令Cache 的大小、CPU 寄存器數(shù)量（NIOS Ⅱ 最多可以有512 個(gè)寄存器）等。用戶可以增加新的外設(shè)，新的指令，分配外設(shè)的地址等進(jìn)行定義，完成SOPC 開發(fā)的集成過程。將這些設(shè)計(jì)在Quartaus Ⅱ中編譯并生成sof 格式文件后，下載到FPGA 芯片中就形成了SOPC 的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)。 對(duì)萬年歷設(shè)計(jì)來說，需要將本設(shè)計(jì)所需要的外設(shè)添加到NIOS 軟核中。NIOS Ⅱ自帶的各種IP Core 如按鍵、七段數(shù)碼管、LED 等可以直接添加進(jìn)來。對(duì)于LCD，由于SOPC builder 自帶的IP 庫(kù)中并不包含LCD 配置接口模塊，所以該模塊需要設(shè)計(jì)者根據(jù)要配置的芯片的寄存器特點(diǎn)和功能要求進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的LCD 液晶屏顯示器驅(qū)動(dòng)接口在設(shè)計(jì)時(shí)作為普通的外部設(shè)備PIO 進(jìn)行操作，因此液晶屏顯示器的數(shù)據(jù)以及讀、寫和片選信號(hào)等都包括在PIO 總線上。液晶屏顯示器以7 個(gè)PIO 的形式添加進(jìn)來，如圖1 所示利用SOPC builder 開發(fā)工具創(chuàng)建用戶定制的NIOSⅡ配置及其地址映射。 然后，用SOPC Builder 將定制轉(zhuǎn)化成為具體的元件，即用戶定制的NIOS Ⅱ處理器模塊，如圖2 所示。最后加入增強(qiáng)時(shí)鐘穩(wěn)定性的鎖相環(huán)和復(fù)位輸入端最終形成頂層結(jié)構(gòu)，除此之外，SOPC builder 還根據(jù)定制的結(jié)果，自動(dòng)生成針對(duì)特定硬件環(huán)境的C 語言和匯編語言的頭文件以及函數(shù)庫(kù)，這在軟件設(shè)計(jì)中會(huì)極大的減少軟件開發(fā)人員的工作量。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件是在ALTERA 公司提供的軟件集成開發(fā)工具NIOS Ⅱ IDE 中，以C 語言形式，在硬件抽象層（HAL ）函數(shù)支持下設(shè)計(jì)的。它可完成整個(gè)軟件工程的編輯、編譯、調(diào)試和下載等過程，極大地提高了軟件的開發(fā)效率。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：液晶顯示模塊和萬年歷模塊。 （１）液晶顯示模塊 在GDM12864A 液晶屏顯示器的應(yīng)用時(shí)，顯示屏被分為左右兩個(gè)區(qū)，上下一共八頁(yè)，在進(jìn)行訪問時(shí)，由于縱坐標(biāo)不好控制，而橫坐標(biāo)自動(dòng)加一，因此選擇由page0—page7 逐行寫入數(shù)據(jù)。即對(duì)于32×32 的“萬年歷”三個(gè)字將分4 次寫入。而“作者：劉雅斌”這幾個(gè)16×16 的字符將分兩次寫入。每個(gè)漢字在液晶屏上是以點(diǎn)陣字模形式顯示的，每個(gè)點(diǎn)用一個(gè)二進(jìn)制位表示。關(guān)鍵算法是利用NIOSⅡ函數(shù)控制液晶屏顯示器寫命令和寫數(shù)據(jù)。寫命令和寫數(shù)據(jù)程序如下所示：void LCD_Write_Command(alt_u8 m_Command) // 寫命令{ if (!BUSY) { IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 0);// 選擇命令 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RW_BASE, 0); // 寫信號(hào)有效 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff); 數(shù)據(jù)總線：輸出 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE, m_Command); 寫命令字 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 1); // 使能信號(hào)置1 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 0); // 使能信號(hào)置0 }} void LCD_Write_Data(alt_u8 m_Data) //寫數(shù)據(jù){ if (!BUSY) { IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 1);// 選擇數(shù)據(jù) IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RW_BASE, 0); // 寫信號(hào)有效 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff); // 數(shù)據(jù)總線：輸出 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE, m_Data);// 寫入數(shù)據(jù) IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 1);// 使能信號(hào)置1 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_E_BASE, 0);// 使能信號(hào)置0 }} （２）萬年歷模塊 這一部分主要實(shí)現(xiàn)了萬年歷的基本功能，即能夠顯示日期與時(shí)間，并具有調(diào)整日期和時(shí)間的功能。Nios 提供了關(guān)于LED、七段數(shù)碼管和按鍵進(jìn)行讀寫的函數(shù)，通過這些函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)日期和時(shí)間的顯示。例如： 在LED 上輸出顯示data 數(shù)據(jù)的語句格式為： IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE,data)； 在七段數(shù)碼管上輸出顯示data 數(shù)據(jù)的語句格式為： IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEVEN_SEG_PIO_BASE,data); 用變量key 讀取按鍵BUTTON 上的數(shù)據(jù)的語句格式為： Key=IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BUTTON_PIO_BASE); 以上程序經(jīng)過在杭州康芯公司的開發(fā)板上進(jìn)行了軟、硬件調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液晶模塊的萬年歷和作者信息等漢字字符顯示，并在LED 上實(shí)現(xiàn)了萬年歷的功能，并能夠進(jìn)行日期和時(shí)間的調(diào)整。 3 結(jié)論 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是采用NIOS Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境提供的快捷開發(fā)手段，在Cyclone 1C6Q240C8 芯片上創(chuàng)建了一個(gè)用戶定制CPU 和外設(shè)的片上系統(tǒng)，同時(shí)完成對(duì)液晶顯示器和LED 的編程控制。整個(gè)系統(tǒng)充分體現(xiàn)了SOPC 設(shè)計(jì)方法的靈活性，設(shè)計(jì)時(shí)只定制系統(tǒng)需要的外設(shè)器件接口，避免過多的外圍電路和器件造成體積、功耗的增多和可靠性的下降。由于采用軟核結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展，而不必硬件改版，節(jié)約了成本，加快開發(fā)進(jìn)度，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。 綜上所述，萬年歷的設(shè)計(jì)思想新穎獨(dú)特，有很多創(chuàng)新之處，具有良好的推廣前景和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域.。 |
