集成化圖像控制引擎的研究與實現(xiàn)

李奇，劉宇紅，金海陸

（貴州大學 理學院，貴州 貴陽 550025）

SOPC是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SOC解決方案，它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)SOC；其次它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁剪、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。NIOS II是由硬件描述語言編寫的基于FPGA的軟核CPU。NIOS II嵌入式處理器不僅提供更高的性能、更低的成本，還提供了齊全的軟件開發(fā)工具以及系統(tǒng)靈活性設(shè)計。本文將結(jié)合Nios II處理器的總線架構(gòu)，分析SD卡的接口協(xié)議和驅(qū)動程序設(shè)計方法；由于FPGA片內(nèi)的存儲資源可能滿足不了系統(tǒng)的設(shè)計需求，在設(shè)計中使用了片外SDRAM作為程序存儲和數(shù)據(jù)存儲器。通過SOPC中的Avalon總線接口與Nios II處理器和SDRAM控制器通信，構(gòu)建了基于Nios II的SOPC，使之能顯示圖片格式為JPEG的圖像 ，并實現(xiàn)各種控制操作，能較好的模擬類似于引擎的操作，并給出基于Nios II處理器的設(shè)計實例。

1 NIOS II處理器的Avalon總線架構(gòu)

Avalon總線模塊是系統(tǒng)模塊的主干，是SOPC設(shè)計中外設(shè)之間通信的主要通道。Avalon總線模塊由各類控制、數(shù)據(jù)和地址信號以及仲裁邏輯組成，它將系統(tǒng)模塊的外設(shè)連接起來，并描述了主從構(gòu)件的端口連接關(guān)系，以及構(gòu)件間通信的時序關(guān)系。以構(gòu)成可編程片上系統(tǒng)（SOPC）[1]，Avalon總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Avalon總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Avalon-bus system architecture

Avalon總線模塊是一種可配置的總線結(jié)構(gòu)，它可以隨著用戶的不同互聯(lián)要求而改變。Nios II處理器的片內(nèi)系統(tǒng)互聯(lián)主要靠的就是Avalon總線，Nios II處理器和各外設(shè)之間都是通過Avalon總線進行交互。Avalon定義了5種不同的傳輸方式，包括從端口傳輸、主端口傳輸、流水線讀傳輸、流傳輸控制和三態(tài)傳輸。本文僅分析和討論SD卡設(shè)備所使用的從端口傳輸方式。

一個Nios II處理器系統(tǒng)可以說是包含了一個可配置CPU軟核、FPGA片上存儲器和片外存儲器、外設(shè)以及外設(shè)接口等的一個片上可編程系統(tǒng)，所有的Nios II處理器系統(tǒng)都用同一的指令和編程模式[6]。一個典型的Nios II處理器系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 NIOS II處理器系統(tǒng)Fig.2 NIOS II processor system

Nios II處理器系統(tǒng)[2]根據(jù)不同用戶的要求，其設(shè)計類型也不同，在設(shè)計中，CPU為主要部件，需要強大的性能，除了實現(xiàn)Nios II處理器系統(tǒng)外，剩下的邏輯資源可以用作粘貼和邏輯使用；而在另一些設(shè)計中，Nios II處理器系統(tǒng)只占FPGA一小部分資源，性能要求不高，剩下的邏輯資源可實現(xiàn)主要的邏輯功能。在這些系統(tǒng)中，如果用戶邏輯需要和Nios II處理器系統(tǒng)相互通信，用戶邏輯可以直接掛在片內(nèi)的Avalon總線上。Nios II是一個可靈活配置的軟核處理器，是用戶根據(jù)自己設(shè)計的性能或成本要求，靈活的增加或裁剪一些系統(tǒng)特性和外設(shè)。用戶甚至可以在系統(tǒng)中放置多個Nios II處理器內(nèi)核，以滿足應用的要求。本設(shè)計中由于要處理圖片信息，故選用的是快速型內(nèi)核“Nios II/f”。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 system architecture

本設(shè)計中根據(jù)Nios II處理器系統(tǒng)配置的SOPC系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 SOPC系統(tǒng)Fig.4 SOPC system

由此產(chǎn)生的設(shè)計原理圖模塊如圖5所示。

圖5 原理圖模塊Fig.5 Schematic module

2 SD卡讀寫控制設(shè)計

SD卡（SecureDigitalMemoryCard）是一種常見的存儲器件，以FlashMemory為存儲體，SD卡允許兩個可選的通信協(xié)議：SD模式和SPI模式。文中所研究的是SPI協(xié)議下的SD卡設(shè)計。

2.1 SD卡的接口-SPI協(xié)議分析

在SPI模式下，SD卡支持單塊的或是多塊的寫操作，在接收到一個合法的寫指令時，SD卡件響應一個應答標記的等待主控制器發(fā)送這個數(shù)據(jù)塊。

圖6 單個塊的讀取操作Fig.6 Single block read operation

在SPI模式下，SD卡支持單塊的或是多塊的寫操作[3]，在接收到一個合法的寫指令時，SD卡將響應一個應答標記和等待主控制器發(fā)送這個數(shù)據(jù)塊。

圖7 單個塊的寫入操作Fig.7 Single block write operation

SPI模式下SD卡引腳定義如表1所示。

表1 SD卡引腳定義Tab.1 SD card pin configuration

SPI總線允許通過 DI（數(shù)據(jù)輸入）和 DO（數(shù)據(jù)輸出）兩個通道傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為串行模式，每8位數(shù)據(jù)為一組。輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿是鎖存。SD卡的復位、初始化、寫操作和讀操作等都是通過DI端口發(fā)送SPI命令進行控制的，SPI命令由 6個字節(jié)組成，其格式如表2所示。

表2 SPI命令格式Tab.2 SPI command format

字節(jié)1由“命令號+0x40”組成。例如，CMD55，55的16進制為 0x37，0x37+0X40=0X77，二進制為 01110111。

字節(jié)2-5為命令參數(shù)，共32為寬度。有些命令有參數(shù)，有些命令沒有參數(shù)。對于沒有參數(shù)的命令可以直接置0x00、0x00、0x00、0x00、0x00。

字節(jié)6為“CRC校驗位+停止位”，對于SPI模式下的命令不需要進行CRC校驗，可直接置為0xff。

本設(shè)計中使用到的命令如下：

2.2 SPI內(nèi)核

SPI內(nèi)核集成在SOPC Builder內(nèi)部，SPI內(nèi)核的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 SPI內(nèi)核結(jié)構(gòu)Fig.8 SPI core construction

由圖可知，SPI內(nèi)核的接口信號有兩條數(shù)據(jù)線、一條同步時鐘和一條控制線，它們分別表示如下。

Master Out Slave In（mosi）:主設(shè)備輸出數(shù)據(jù)到從設(shè)備的數(shù)據(jù)線。

Master In Slave Out（miso）:從設(shè)備輸出數(shù)據(jù)到主設(shè)備的數(shù)據(jù)線。

Serial Clock（SCLK）:主設(shè)備與從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)同步時鐘。

Slave Select（SS_n）：主設(shè)備驅(qū)動選擇從設(shè)備的選擇信號，低電平時有效。

SPI內(nèi)核有 5 個存儲器應像的寄存器：rxdata、txdata、status、control和slaveselect。寄存器提供了用戶與SPI內(nèi)核的設(shè)計接口，SPI內(nèi)核支持流傳輸，設(shè)計中與DMA控制器相連接。

在 Nios II中，Alter提供了一個函數(shù) int alt_avalon_spi_command（），該函數(shù)提供了對配置為主設(shè)備的SPI內(nèi)核的通用接口訪問，該函數(shù)原型為[4]：

int alt_avalon_spi_command（alt_u32 base， alt_u32 slave，alt_u32 write_length， const alt_u8 * write_data，alt_u32 read_length， alt_u8*read_data，alt_u32 flags）；

調(diào)用該函數(shù)可以寫一個或多個字節(jié)的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并通過mosi端口發(fā)送，然后從miso端口讀回一個或多個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

函數(shù)的參數(shù)說明如下。

alt_u32 base：選擇主設(shè)備

alt_u32 slave：選擇從設(shè)備，0為第一個從設(shè)備，1為第二個從設(shè)備，以此類推。

alt_u32 write_length：設(shè)置主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

const alt_u8*write_data：待發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)，函數(shù)將數(shù)組中的數(shù)據(jù)依次發(fā)出。

alt_u32 read_length：設(shè)置主設(shè)備接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

alt_u8*read_data：接收的數(shù)據(jù)緩沖。

alt_u32 flags：如果從不連續(xù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，可以多次調(diào)用該函數(shù)，每次指明訪問的合并標志（merge flag），則訪問從設(shè)備之后不會釋放從設(shè)備，即SS_n為低電平。如果flag=0，則訪問從設(shè)備之后會釋放從設(shè)備，即SS_n為高電平。

3 SOPC中TFT LCD控制器核與驅(qū)動設(shè)計

本設(shè)計中使用Nios II軟核對TFT-LCD進行驅(qū)動時，片內(nèi)的存儲器資源滿足不了系統(tǒng)的設(shè)計需求，因此在設(shè)計中將使用片外SDRAM作為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。

3.1 SDRAM控制器內(nèi)核

SDRAM控制器內(nèi)核為FPGA片外的SDRAM提供了一個Avalon_MM接口，可以使用SDRAM控制器將片外的SDRAM芯片連接到自定制的Nios II系統(tǒng)中。如圖9所示為SDRAM控制器內(nèi)核與片外SDRAM芯片連接的框圖。

圖9 SDRAM控制器內(nèi)核與外設(shè)的連接Fig.9 SDRAM controller core and peripherals connection

3.2 TFT-LCD組件設(shè)計

LCD控制器主要由Avalon總線接口、寄存器組、控制模塊，DMA、FIFO以及時序生成模塊組成。每個寄存器獨立編址。處理器通過Avalon總線讀寫寄存器，從而完成對LCD控制器工作狀態(tài)的設(shè)定與控制。控制器啟動后，DMA Master通過Avalon總線讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，然后存入FIFO中，外部的SDRAM控制器在每一場的開始都會清空FIFO，然后保持FIFO中有數(shù)據(jù)（但不溢出）可供當前顯示。在每次FIFO讀請求信號有效后，相應的FIFO輸出數(shù)據(jù)也會送到該模塊內(nèi)部進行鎖存。時序生成模塊按照TFT時序要求從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后送出去顯示。由于DMA讀取的速度與TFT時序發(fā)生器輸出的速度不一致，所以在DMA與TFT時序發(fā)生器之間加入FIFO用來緩沖數(shù)據(jù)，DMA由控制模塊控制其工作，控制器不斷檢測FIFO狀態(tài)，當FIFO快滿是，暫停DMA，當FIFO快空時，重新啟動DMA，如此循環(huán)，保證顯示畫面的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

3.3 TFT-LCD控制的實現(xiàn)

設(shè)計中利用取模軟件將圖片格式為JPEG的圖像轉(zhuǎn)化成從上到下、從左到右的RGB像素點色彩數(shù)據(jù)[5]，然后將這些數(shù)據(jù)以并行的方式傳遞給LCD顯示，器驅(qū)動原理如圖10所示。

圖10 LCD驅(qū)動原理Fig.10 LCD drive

本設(shè)計中使用的LCD有一個16位的數(shù)據(jù)接口，設(shè)定要顯示的點的XY坐標，以及顯示什么顏色。觸摸屏為4線式觸摸觸摸屏，四線觸摸屏包含兩個阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線，為了在X軸方向進行測量，將左側(cè)總線偏置為0 V，右側(cè)總線偏置為VREF。將頂部或底部總線連接到ADC，當頂層和底層相接觸時即可作一次測量。為了在Y軸方向進行測量，將頂部總線偏置為VREF，底部總線偏置為0 V。將ADC輸入端接左側(cè)總線或右側(cè)總線，當頂層與底層相接觸時即可對電壓進行測量。

設(shè)計中使用軟件編程的方法實行控制，利用C程序在觸摸屏中的相應的位置畫上相應的控制圖標。

4 結(jié)束語

基于NIOS II軟核處理器的設(shè)備驅(qū)動設(shè)計方案具有良好的穩(wěn)定性與靈活性，可以按照設(shè)計者的需要去設(shè)計每個細節(jié)，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明朗，設(shè)計比較靈活，設(shè)計中深刻的理解了FPGA的體系結(jié)構(gòu)與各部件協(xié)同的工作方式。設(shè)計中成功的實現(xiàn)的圖片格式為JPEG圖像的顯示與控制。并對SD卡的接口協(xié)議與LCD顯示有了較深刻的理解。

[1]孫愷，程世恒.NiosⅡ系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計與實例》[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]赫建國，倪德克，鄭燕.基于Nios II內(nèi)核的FPGA電路系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]王黎明，陳雙嬌，閆曉玲，等.ARM9嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]Altera Corporation.Nios II softerware developer’Handbook[S].2009.

[5]吳厚航.愛上FPGA開發(fā)-特權(quán)同學和你一起學NIOS II[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6]Altera Corporation.Nios II processor reference handbook[S].2009.