嵌入式處理器Nios II與液晶顯示模塊的介面及應用

    液晶顯示器(LCD)由於具有工作電壓低、功耗低、體積小、顯示信息量大、壽命長、不產生電磁輻射污染、可以顯示複雜的文字及圖形等優點，液晶顯示器已被廣泛應用於各種儀器儀錶、電子設備及控制領域中，成為測量結果顯示和人機對話的重要工具。液晶顯示器按其功能可分為筆段式和點矩陣式液晶顯示器，後者又可以分為字元點陣式和圖形點陣式液晶顯示器。圖形點陣式液晶顯示器不僅可顯示數字、字元等內容，還能顯示漢字和任意圖形。
    本文是以240*128點陣型液晶顯示模塊MGL240128T為例。研究嵌入式Nios II軟核處理器與液晶顯示模塊的介面和圖形顯示的編程技術。

1 Nios II軟核處理器和SOPC設計
    在2004年，Alter推出了Nios II系列32位RSIC嵌入式處理器。Nios II軟核處理器是Alter的第二代FPGA嵌入式處理器，比第一代Nios具有更高水平的效率和性能。Nios II核平均占甩不到50%的FPGA資源，而計算性能增長了1倍。Nios II嵌入式處理器性能超過200 DMIPS，採用32位指令、32位數據和地址、32位通用寄存器和32個外部中斷源;支持用戶的專用指令多達256個，這使得設計者能夠細緻地調整系統硬體以滿足性能目標。Nios II支持60多個外設選項，開發者能夠選擇合適的外設，獲得最合適的處理器、外設和介面組合，而不必支付根本不使用的矽片功能。
    目前。FPGA(現場編程邏輯門陣列)晶元密度已達到百萬門級，在一片FPGA晶元上可以實現如DSP、MCU、PCI匯流排控制和各種控制演算法等複雜的功能。由於FPGA晶元密度的不斷提高和新的EDA開發工具的使用，利用FPGA器件實現SOC已成為可能，這項技術稱為嵌入式SOPC(可編程單晶元系統)。SOPC技術既具有基於模板級設計的特徵，又具有基於ASIC的系統級晶元設計的特徵，具有了可重構性、高效自動化的設計方法。Alter推出的Nios II正是為設計者提供了FPGA優化的靈活的嵌入式處理器，以及為SOPC設計了一套綜合解決方案。
    Nios II處理器具有完善的軟體開發套件．包括編譯器、集成開發環境(IDE)、m C調試器、實時操作系統(RTOS)和TCP/IP協議棧。設計者能夠用Altera Quartus II開發軟體中的SOPC Builder系統開發工具很容易地創建用戶定製的CPU和外設，獲得恰好滿足需求的處理器系統。利用SOPC Builder開發工具創建專用的處理器系統，需要進行SOPC的嵌入式處理器晶元和軟體設計。SOPC Builder工具通過載入NioslI核和外圍介面的定義配置一個高集成度的SOPC系統的嵌入式處理器晶元。
    圖1所示是一個實現液晶顯示的SOPC系統的NioslI處理器，主要埠包括全局輸入時鐘、複位信號、外部設備片選信號、讀使能、寫使能、數據地址匯流排以及和計算機通信的UART埠。由於NioslI是在FPGA片內實現的，因此它既可以通過FPGA的引腳連到外部和其它的設備相連接，也可以直接連到FPGA片內的其他模塊上。同樣，FPGA片內未被使用的資源仍然可以被配置成為其它的模塊使用，從而實現系統的集成，使SOC成為可能。
 

2 Nios II與液晶顯示模塊的介面
    MGLS240128T液晶顯示模塊的引腳說明如表1所示，可顯示各種字元及圖形，該模塊對液晶顯示的控制和驅動都由模塊內部的控制器T6963C晶元及電路來完成，因此它與外部的連接只有8位數據線和6條控制線及電源。外部CPU通過這些數據線和控制線來設置所需要的顯示方式，其它功能均由模塊自動完成。控制器T6963C最大的特點是具有獨特的硬體初始設置功能，初始化在上電時就已基本設置完成。它還具有很強的軟體控制能力，外部的處理器通過介面寫入液晶模塊的指令來實現模塊控制。軟體控制主要集中於顯示功能的設置上。T6963C的控制指令如表2所示。T6963C的指令可帶一個或多個參數，每條指令的執行都是先送入參數(如有參數)，再送入指令。
 
 
    嵌入式處理器NioslI把液晶顯示模塊介面看著普通的外部設備PIO進行操作，因此液晶顯示模塊的數據以及讀寫片選信號都包括在Nios II上的PIO匯流排中。其介面電路如圖2所示。其中LCD_DB[7..0]為8位數據線，負責將控制指令和顯示數據輸入到液晶顯示模塊中;LCD_CD為指令，數據切換;LCD_CS為為片選信號;LCD_RD為讀使能;LCD_WR為寫使能。
 

3 Nios II處理器的軟體開發
    利用SOPC Builder開發工具創建專用的處理器系統的硬體后，SOPC Builder還為編寫操作這些片上硬體的軟體代碼提供了一個Nios II集成開發環境(IDE)，這個軟體開發環境包括語言的頭文件、外圍介面的驅動以及實時操作系統的內核，可完成整個軟體工程的編緝、編譯、調試和下載等過程，極大地提高了軟體的開發效率。
    由於該液晶顯示模塊的控制和驅動都是由模塊內部的控制器T6963C晶元及電路來完成的，因此通過Nios II處理器將數據直接送入T6963C顯示緩衝區RAM的指定地址，控制器T6963C就可以控制液晶屏上相應位置顯示出所需要的數據。Nios II處理器的軟體採用模塊化結構，主要包括顯示初始化、圖形顯示、清屏等模塊。
    在進行顯示之前。先調用顯示初始化模塊，實現對屏幕的初始化，即設置文本和圖形緩衝區的起始地址以及顯示方式。在顯示一屏新的圖形時，需要對屏幕清屏。清屏是將顯示RAM區域中的所有單元清零。它需要用T6963C連續寫的功能，並要先設定RAM區域的首地址。由於RAM 區共有240/8*128=3840個位元組，所以循環清零需執行3840次。在介紹圖形顯示程序之前先給出三函數：寫命令、寫數據和畫點函數。
void LCD_Write_Command(UCHAR m_Command) //寫命令
{ IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff); //數據匯流排：輸出
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CD_BASE,1);//選擇命令
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,0);//片選拉低
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,0);//寫信號有效
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Command);
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,1);//寫信號無效
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,1);//片選無效 1
void LCD_Write_Data(UCHAR m_Data) 寫數據
{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(LCD_DB_BASE,0xff);//數據匯流排：輸出
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CD_BASE,0);//選擇數據
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,0);//片選拉低
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,0);//寫信號有效
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DB_BASE,m_Data);
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE,1);//寫信號無效
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_CS_BASE,1);//片選無效
}
void Draw_Point(UCHAR x,UCHAR y) //畫點
{ unsigned int m_Addr;
unsigned char n,t1,t2,t;
n=x/8 ;m_Addr=GASAH*256+GASAL+y*ZIFU_NUM+n;
t1= m_Addr&0xff;t2=m_Addr/256;
LCD_Write_Data(UCHAR t1);
LCD_Write_Data(UCHAR t2);
LCD_Write_Command(0x24);
If(y>=0x80) n=0xf0;else n=0xf8;
t=x%8;t=(~t)&0x07;t=n|t;
LED_Write_Command(t);
}
    在液晶顯示屏上顯示的各種曲線實際上是由若干段直線組成。所以直線的繪製就是曲線繪製的子程序。直線繪製的演算法有多種多樣，為了避免複雜的浮點運算，這裡採用了Bresenham畫線演算法的整數數字增量分析法。該演算法的基本思路是迴避計算斜率k=(y1-y2)/(x2-x1)過程中的除法運算，應用dy=y1-y2 和dx=x2-x1之間的關係，根據直線的起點和終點的坐標不同，直線的走向和斜率將不同，即k的大小和正負將不同，因此繪製直線時將斜率 的取值分為四種情況進行繪圖。下面給出從點(x1,y1)到點(x2,y2)畫線的Nios II應用程序。
void Draw_Line(UCHAR x1,UCHAR y1,UCHAR x2,UCHAR y2)
{ UCHAR u1,v1,u2,v2;
signed int dx=x2-x1;
signed int dy=y2-y1;
UCHAR k;
If(dx*dy>=0)
{ if (abs(x1-x2)>= abs(y1-y2))
//斜率在[0，1]範圍內
{ k=1; u1=x1;v1=y1;u2=x2;v2=y2;}
else { k=2;u1=y1;v1=x1;u2=y2;v2=x2;}
//斜率在(1，∞)範圍內 }
else { if(abs(x1-x2)>=abs(y1-y2))
//斜率在[-1，0]範圍內
{ k=3;u1=x1;v1=y1;u2=x2;v2=2*y1-y2;}
else {k=4;u1=y1;v1=x1;u2=2*y1-y2;v2=x2;}
//斜率在(-∞,-1)範圍內 }
int u,v,uEnd,p=2*abs(v1-v2)-abs(u1-u2);
int twoDv=2*abs(v1-v2,twoDvDu=2*(abs(v1-v2)-abs(u1-u2));
if(u1>u2) {u=u2;v=v2;uEnd=u1;}
else {u=u1;v=v1;uEnd=u2;}
switch(k)
{
case 1: Draw_Point(u,v);break;
case 2: Draw_Point(v,u);break;
case 3: Draw_Point(u,2*y1-v);break;
case 4: Draw_Point(v,2*y1-u);break;
default :break;}
while(u<uEnd)
{ u++;
if(p<0) {p+=twoDv;}
else {v++;p+=twoDvDu;}
switch(k)
{case 1: Draw_Point(u,v);break;
case 2: Draw_Point(v,u);break;
case 3: Draw_Point(u,2*y1-v);break;
case 4: Draw_Point(v,2(y1-u);break;
default:break;}
}
}

4 結束語
    在FPGA中使用軟核處理器Nios II比硬核的優勢在於：硬核實現沒有靈活性，通常無法適應最新技術的發展;而基於Nios II處理器的方案是基於HDL源碼構建的，可配置的程度很高。Nios II處理器可以將外部存儲器、液晶顯示屏、乙太網控制器、RS-232通信和USB介面等外部設備連接在一起，進行外設的協調工作和數據共享，並能夠根據系統的性能要求添加多個Nios II處理器，實現多CPU內核;還可以在Nios II核中加入實時操作系統，實現多任務的調度。