基于Nios嵌入式软核处理器的液晶显示屏的设计方案

Altera公司的Nios嵌入式软核处理器以其成本低廉，设计灵活等特点，在嵌入式应用领域得到了广泛的应用，同时LCD也越来越多地在各种仪器仪表和测控系统中作为人机界面和显示模块。本文利用SOPC技术实现了一种基于Nios嵌入式软核处理器的液晶显示屏的设计方案，并给出了对该液晶屏进行控制的硬件接口电路、软件编写流程以及相应程序。

0 引言

LCD液晶显示满足嵌入式系统日益提高的要求，特别在工业控制和消费电子领域，具有稳定可靠、成本低、功耗小、控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑、体积小和重量轻等优点。Nios Ⅱ是一种可配置的16/32位RISC处理器，它结合丰富的外设专用指令和硬件加速单元可以低成本地提供极度灵活和功能强大的SOPC 系统，开发者根据实际需要自行整合。Altera 公司所有主流FPGA 器件都支持Nios Ⅱ。将LCD驱动与Nios Ⅱ相结合可以得到一个扩展性强、通用的IP核，从而解决不同型号液晶屏之间的驱动差异问题。

1 NiosⅡ软核处理器和SOPC

设计NiosⅡ核用占用不到一半的FPGA 资源，可计算增加1 倍以上的信息。NiosⅡ嵌入式处理器性能超过200 DMIPS,32 位数据和地址、采用32 位指令、32 个外部中断源和32位通用寄存器;Nios Ⅱ支持几十个外设选项，开发者能够选择合适的外设，获得最合适的处理器、外设和接口组合。

现在，在一片FPGA芯片上可以实现如MCU、DSP、PCI总线控制和各种控制算法等复杂的功能。FPGA芯片密度已达到百万门级，由于FPGA芯片密度的提高和EDA开发工具的不断更新，利用FPGA器件实现SOC已成为可能，这项技术称为嵌入式SOPC技术。SOPC技术既具有基于ASIC 的系统级芯片设计的特征，又具有基于模板级设计的特征，具有了可重构性、高效自动化的设计方法。Altera推出的Nios Ⅱ为设计者提供了FPGA优化的嵌入式处理器，以及为SOPC设计了一套综合解决方案。

Nios Ⅱ处理器具有完善的软件开发套件，包括集成开发环境(IDE)、编译器、MC调试器、TCP/IP协议栈和实时操作系统(RTOS)。设计者能够用Altera Quartus Ⅱ开发软件中的SOPC Builder系统开发工具创建用户定制的CPU 和外设电路，获得设计需要的处理器系统。

利用SOPC Builder开发工具创建专用的处理器系统，需要进行SOPC 的嵌入式处理器芯片内部资源的选择和软件设计。SOPC Builder工具通过加载Nios Ⅱ软核和外围接口的定义来配置一个高集成度的SOPC 系统的嵌入式处理器芯片。

图1 是一个液晶显示的SOPC 系统的Nios Ⅱ处理器，主要端口包括复位信号、全局输入时钟和一些I/O端口。因Nios Ⅱ是在FPGA芯片内实现的，那么它既可以通过FPGA的引脚连到外部设备，也可以直接连到FPGA芯片内的其他电路上。FPGA 片内未被使用的资源仍然同样可以被配置成为其他的模块使用，从而实现系统的SOC集成。

2 液晶屏控制器的选择

这里使用的是一块YM12864J的液晶显示模块，它已集成了SED1330作为液晶显示屏的控制器，与同类产品相比其主要特点有：

(1)有较强功能的I/O控制器;

(2)指令简单;

(3)8位并行I/O口;

(4)文本和图形方式混合显示。

YM12864J的I/O接口见表1.