系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
Nios II處理器在SDRAM中開辟幀緩沖(Frame buffer)，可以是單緩沖也可以是雙緩沖。以單緩沖為例。處理器將一幀圖像數(shù)據(jù)(640×480×2Bytes，RGB565，16bit)存入幀緩沖，然后將幀緩沖的首地址寫入到LCD控制器，并啟動(dòng)LCD控制器。該控制器自動(dòng)從傳來的首地址處開始讀取數(shù)據(jù)，并按照TFT的格式輸出。圖中各模塊由AvalON Bus連接在一起。Avalon Bus是一種簡單的總線結(jié)構(gòu)，Nios II處理器和各種外設(shè)都是通過Avalon Bus連接在一起。由圖1可以看出，作為Slaver的SDRAM Controller分別要受到Processor 和LCD Controller的控制，為了解決總線沖突，Avalon Bus自動(dòng)在有沖突的接口上加入了Arbitrator這樣一個(gè)仲裁模塊，用于合理分配總線時(shí)間，用戶通過改變每個(gè)模塊的權(quán)值來改變對(duì)其分配總線時(shí)間的多少。在這個(gè)系統(tǒng)中，SDRAM Controller是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。以SDRAM時(shí)鐘頻率為100MHz計(jì)算，16bit的SDRAM其數(shù)據(jù)總帶寬為200MByte/s，640×480×2Bytes×60Hz的TFT LCD要占用36MByte/s左右的帶寬，這對(duì)于還要處理其他任務(wù)的處理器來說是很大的影響。
本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
LCD控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)
Avalon Bus Slaver從總線接口模塊實(shí)現(xiàn)
Avalon從總線接口負(fù)責(zé)處理器與LCD控制器的接口控制，LCD控制器在整個(gè)系統(tǒng)中作為從設(shè)備，NIOS II通過該接口對(duì)控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，控制LCD。
LCD從模塊有四個(gè)32bit的可讀寫寄存器，用于控制LCD控制器的工作和指示其工作狀態(tài)。
Avalon Bus DMA Master主設(shè)備接口模塊實(shí)現(xiàn)
Avalon Bus DMA MaSTer負(fù)責(zé)按照控制模塊的指令，讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，并寫入到FIFO中，其核心部分是DMA地址累加器。當(dāng)條件滿足時(shí)，地址累加器開始在100MHz的時(shí)鐘下以4為單位開始累加用于生成讀取SDRAM的地址。讀完一幀的數(shù)據(jù)后，自動(dòng)復(fù)位到首地址，繼續(xù)累加。
主設(shè)備接口采用帶延遲的主設(shè)備讀傳輸模式，在這種傳輸模式下，即使沒有接收到上一次的有效數(shù)據(jù)，主設(shè)備也可以發(fā)起下一次讀命令。當(dāng)waitrequest信號(hào)無效(低電平)時(shí)，主設(shè)備可以連續(xù)的發(fā)起讀命令，當(dāng)waitrequest信號(hào)有效(高電平)時(shí)，主設(shè)備開始等待，直到其變?yōu)榈碗娖健．?dāng)readdatavalid信號(hào)有效(高電平)時(shí)，表示讀數(shù)據(jù)有效，此時(shí)主設(shè)備可以鎖存數(shù)據(jù)口上的有效數(shù)據(jù)。這里沒有使用flush信號(hào)，flush信號(hào)會(huì)清除前面一切未完成的讀命令。Avalon總線保證數(shù)據(jù)的輸出順序與主設(shè)備要求的順序一致(即與主設(shè)備地址輸出順序一致)。readdatavalid信號(hào)可以作為FIFO的wrreq信號(hào)，這樣可以直接將讀出來的數(shù)據(jù)寫入到FIFO中。當(dāng)前地址等于尾地址時(shí)，則復(fù)位累加器，使之重新開始從首地址累加。地址累加器代碼模塊如圖3。
圖2 LCD BSF圖
圖3 設(shè)備接口模塊BSF圖
FIFO模塊實(shí)現(xiàn)
FIFO的作用是對(duì)DMA輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以匹配時(shí)序控制模塊的輸出速度。FIFO大小暫定為4096×16bit，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，再根據(jù)系統(tǒng)需要以及資源狀況做出適當(dāng)調(diào)整。原則是，在系統(tǒng)資源允許的情況下，將FIFO大小盡量設(shè)置大點(diǎn)。
FIFO由DMA控制器寫入數(shù)據(jù)，寫入時(shí)鐘為100MHz；由LCD控制器的時(shí)序發(fā)生模塊讀出數(shù)據(jù)，讀出時(shí)鐘為PCLK，即LCD的像素點(diǎn)掃描頻率，通常取25MHz。在獨(dú)立的寫時(shí)鐘和讀時(shí)鐘作用下，F(xiàn)IFO可以提供rdusedw[11:0]信號(hào)，用于指示FIFO中已經(jīng)使用掉的容量。系統(tǒng)可以設(shè)置一個(gè)上限和一個(gè)下限，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)量高于上限或低于下限時(shí)，控制器暫停DMA傳輸或啟動(dòng)DMA傳輸，用以保證系統(tǒng)性能。
在本例應(yīng)用中，將wrclk接系統(tǒng)時(shí)鐘(100MHz)，wrreq接master_readdatavalid，data接writedata，即可完成DMA的數(shù)據(jù)寫入操作；將rdclk接12.5MHz(因?yàn)門FT的時(shí)鐘為25MHz，數(shù)據(jù)寬度為16bit，而FIFO的寬度為32bit，所以用一半的時(shí)鐘12.5MHz去讀取FIFO，然后依次輸出32bit的高16bit和低16bit)，rdreq由時(shí)序發(fā)生模塊控制，即可在每個(gè)rdclk的上升沿讀出一個(gè)數(shù)據(jù)到q。aclr接~reset_n，可以完成復(fù)位操作。當(dāng)然，所有信號(hào)都受controller_GoBit的控制。
FIFO設(shè)計(jì)采用了Quartus II自帶的fifo宏模塊，自動(dòng)生成所需要的模塊，供調(diào)用。
LCD 時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)
時(shí)序發(fā)生器用于產(chǎn)生TFT所需的時(shí)序，將圖像數(shù)據(jù)按特定的時(shí)序輸出。每種控制器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是時(shí)序設(shè)計(jì)，本文專門針對(duì)三菱公司的AA084VC05液晶屏，圖4，圖5是其時(shí)序圖。
圖4 水平時(shí)序圖
圖5 垂直時(shí)序圖
LCD時(shí)序發(fā)生器以DCLK為時(shí)鐘基準(zhǔn)，該DCLK即上面所說的PCLK，也就是像點(diǎn)時(shí)鐘，每個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)以該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)進(jìn)入LCD。圖4為AA084VC05的水平掃描時(shí)序，其中，DATA為18位數(shù)據(jù)信號(hào)(本設(shè)計(jì)中只用其中的16位)，DENA為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，高電平使能，其有效寬度THA為640個(gè)DCLK；HD為水平同步信號(hào)，低電平有效，其有效寬度TWHL為96個(gè)DCLK。一行640個(gè)象素掃描完畢之后，控制器將驅(qū)動(dòng)HD有效，在HD有效之前插入THFP(Horizontal Front Porch)為16個(gè)DCLK，有效之后插入THBP(Horizontal Back Porch)為144個(gè)DCLK，然后再開始下一行的掃描。如此一來，行掃描信號(hào)的頻率FH典型值為31.5KHz。而讀FIFO信號(hào)要提前DENA信號(hào)一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍到來，提前一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍結(jié)束，因?yàn)樵揊IFO有一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的延遲。
AA084VC05的垂直掃描時(shí)序與水平掃描時(shí)序類似，該時(shí)序以HD為時(shí)鐘基準(zhǔn)，其中，VD為垂直同步信號(hào)(幀同步)。每掃描完一幀(480行)，控制器將驅(qū)動(dòng)VD有效(低電平)，有效寬度TWVL為2個(gè)HD。同樣，在VD有效之前插入TVFP(Vertical Front Porch)為10個(gè)HD，有效之后插入TVBP(Vertical Back Porch)為35個(gè)HD，如此一來，垂直掃描信號(hào)頻率FV的典型值為60Hz。
時(shí)序發(fā)生器采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于該控制器的參數(shù)比較大，為了便于觀察仿真結(jié)果，本文對(duì)這些參數(shù)做了一些處理(成倍減少)。
結(jié)語
本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的基于Avalon總線的TFT LCD控制器，能實(shí)現(xiàn)640×480，顏色深度為16bit的彩色圖形顯示，可應(yīng)用于各種TFT LCD，亦可改寫為VGA控制器，有較大的靈活性。根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制器編寫了相應(yīng)的Linux下的FrAME buffer驅(qū)動(dòng)程序。很好的實(shí)現(xiàn)了界面環(huán)境的開發(fā)，可以用于很多手持設(shè)備的電子產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是有很強(qiáng)的可移植性，不論是控制器的設(shè)計(jì)還是Frame buffer驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)都很靈活。