SoPC在参数化TFT-LCD控制器IP核设计的应用-设计应用

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System-on-a-Programmable-Chip,即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC.可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪ChipScopeILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具。

本文中提出一种基于SoPC的参数化TFT-LCD控制器IP核设计，用硬件描述语言实现控制器的逻辑功能，这种参数化的组件设计具有很强的通用性和兼容性。

1通用册LCD控制器总体设计

在嵌入式系统中，LCD控制器是非常重要的片上外围设备，处理器通过LCD控制器来完成对显示驱动器的控制，终实现LCD屏的点亮操作。由于LCD显示驱动器只是一个被动系统，还需要有控制电路提供驱动系统所必须的扫描时序信号和显示数据。处理器通过对LCD控制器的操作，实现对LCD显示扫描时序的设置和显示数据的写入，从而完成对LCD的显示操作，其原理图如图1所示。

在SoPCBuilder中以自定义组件的形式对LCD控制器进行设计，该控制器组件具有Avalon总线接口，可以很容易地将其与其他标准IP核一起构建以。NiosⅡCPU为的片上系统。NiosⅡ处理器通过Avalon从端口对LCD控制器的寄存器组进行配置，针对设计中帧缓存读操作的特点，选择以Avalon主端口接口的形式对帧缓存中的显示数据进行主动读取，并实现IP核参数化设计，提高控制器对于其他不同规格TFT液晶屏的复用性。该控制器还包含硬件光标功能，为添加外部鼠标设备接口提供了方便。LCD控制器的具体设计思路是在SDRAM中开辟一段存储空间，用来存放屏幕图像数据，称之为帧缓存。通过设计适当的硬件逻辑来建立帧缓存与屏幕图像像素之间一一对应的关系，并配合LCD显示所需的行、场时序信号，将帧缓存中的数据不断地输给LCD,用以完成终的显示刷新。LCD控制器总体结构如图2所示。

LCD控制器的具体工作流程为刷新周期开始时，主端口模块根据帧缓存地址生成逻辑所产生的地址完成主端口的读操作，实现帧缓存中数据的读取，并将该数据输送给输出缓冲模块。同时，时序信号生成模块依据LCD屏的时序规范生成行、场同步信号，以及与像素数据同步的相关显示点的横、纵坐标。

设计的LCD控制器包含硬件光标显示模块，所以在进行屏幕显示时，像素输出控制逻辑有两部分的数据，一部分为从帧缓存中读取的屏幕数据；另一部分为硬件光标的显示数据。，像素输出控制逻辑根据从端口模块中各个系统寄存器内的信息向LCD屏幕发送将要显示的图像数据。

2硬件光标模块设计

硬件光标模块为LCD控制器设计带鼠标光标的显示功能，为系统开发中添加鼠标接口提供了方便。光标显示的实现方式有硬件方式和软件方式，软件方式比较复杂，且占用大量的CPU处理时间；硬件方式用硬件逻辑资源来实现，处理速度快，不占用CPU时间。硬件方式的设计思路是为光标的图像数据设置单独的存储空间（RAM）用以保存，当LCD屏幕需要对光标进行显示时，由硬件逻辑负责在输出光标和背景图像之间做出选择。而软件部分只需简单地修改光标坐标寄存器的值，就可以完成光标在屏幕上的显示操作。采用这种方法，大大提高了系统性能。硬件光标RAM模块是通过MegWizardPlug-InManager编辑器生成的，终生成的存储光标图像数据的双口RAM如图3所示。

3LCD控制器组件设计

LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比CRT要好的多，但是价钱较其贵。生命周期设计（LifeCycleDesign）又称生态设计（Eco-Design）。它是从产品性能、环境保护、经济可行性的角度，考虑产品开发全生命周期（包括产品设计、原材料的提取、产品的制造、包装、销售和使用、用后的回收与处置全过程）的污染预防要求，多级使用资源与能源，以降低产品生产和消费过程对环境的影响，使其与地球的承载能力相一致。

将LCD控制器按总体设计要求编写相应的硬件描述语言代码，其端口定义的程序主要有系统时钟、LCD时钟、Avalon从端口、Avalon主端口和LCD输出的定义。程序的主要内容有各种寄存器和连线的定义，行场参数的设定，行扫描状态机、场扫描状态机、Avalon主端口读控制逻辑状态机、帧缓存地址生成逻辑、LCD有效显示数据信号生成逻辑、硬件光标模块和两个例化模块的调用等。终生成的元件符号如图4所示。

组件编辑器是SoPCBuilder的一个重要组成部分，可以使用该工具将用户定制逻辑封装成组件，并在SoPCBuilder环境中像其他标准组件一样使用。在SoPCBuilder环境下，启动组件编辑器，按照组件编辑图形用户界面的提示，做相应的操作。主要有导入硬件HDL代码LCD-INTERFACE,为硬件逻辑代码中的信号指定Avalon信号类型、Avalon接口设计和设置添加组件的界面向导等，就生成了用户自定义的组件

LCD_INTERFACE.它以IP核的形式存放在SoPCBuilder的组件库中供设计使用，把液晶显示控制器设计成Avalon总线的slave设备。由于该控制器是参数化的，可以很容易地修改TFT_LCD液晶的时序参数，具有很强的通用性。通过Terasic公司的TRDB_LTM彩色液晶显示开发板进行设计验证。TRDB_LTM采用Toppoly公司的TFT_LCD模块TD043MTEAl,4.3英寸屏。时序参数中，横向时序参数为：时钟频率（NCLK）33.2MHz;横向有效数据为800点；H_LINE=1056;Hsync_Blank=216;Hsync_Front_Porch=40.纵向时序参数为：纵向有效数据为480点；V_LINE=525;Vsync_Blank=35;Vsync_Front_Porch=10.

按上面的时序参数在SoPC系统中配置TFT_LCD液晶IP核后，设置屏幕背景为白屏，并在上面用黑线画一个矩形，显示结果如图5所示。如果将时序参数中的数据做如下调整，将横向有效显示数据设置为480点，纵向有效显示数据设置为360点，做同上的验证，显示结果如图6所示。由这两个图可见，该控制器具有很好的通用性。

4结语

介绍一种通用TFT-LCD控制器的设计，用HDL语言对各模块进行描述，包括内部控制器、Avalon总线主从接口、液晶时序数据输出接口等的逻辑描述。在SoPCBuilder工具里以自