基于Nis II的LCD控制器IP核设计.doc

1 概 述 1.1 课题概述 本文所要进行描述的设计是运用VHDL语言和Verilog HDL语言，通过分析LCD 控制器的硬件结构和控制时序，使用SoPC技术，把Nios CPU和LCD控制器放在同一个FPGA中。并通过对相应变量的参数化，实现有一定通用性的LCD IP核设计。目的是解决在利用Quartus Ⅱ 进行Nios系统开发时，由于内部没有可用LCD的IP，影响产品开发的问题。 1.2 LCD控制器软核设计 所要设计的LCD控制器是要求符合Avalon总线规范的。FPGA中集合了NiosⅡ CPU、DMA和LCD控制器模块，以及三态桥（连接Flash）、SDRAM控制器。LCD控制器的位置如图（1-1）所示，一端连接Avalon总线，一端连接LCD接口（LCD屏幕标准接口）。LCD控制器负责从SDRAM中提取显示数据，经处理符合LCD时序规范，送至LCD接口，实现显示图像。 图1－1系统总貌图 Fig. 1-1 System Summarization 2 相关技术介绍 本小节主要介绍本论文中所涉及的关键理论和技术，包括LCD显示技术，SOPC技术，SOPC技术特点，Nios II处理器，Avalon总线，DMA技术。 2.1 LCD显示技术 在1970年，Ferguson制造了第一台具有实用性的LCD。LCD 使用液晶屏幕显示图象，液晶屏幕以电压供应的改变而改变光线的折射来产生色彩的变化LCD 显示屏一般都应用在便携电脑或多媒体放映机上。大部分桌面电脑的纯平LCD显示器就是采用了LCD 技术。 利用液晶制成的显示器称为液晶显示器，英文称 LCD（Liquid Crystal Display）。其种类可分为依驱动方式之静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。而其中，单纯矩阵型又俗称的被动式（Passive），可分为扭转向列型（Twisted Nematic，简称 TN）和超扭转式向列型（Super Twisted Nematic，简称STN）两种； 而主动矩阵型则以薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor；TFT）为目前主流。 LCD因具有工作电压低、功耗小、显示信息量大、寿命长、易集成、方便携带和电磁辐射污染小等优点，在显示技术中异军突起,被广泛应用于手机、PDA产品、手持式仪器仪表等便携式电子产品与设备中。LCD驱动电路是液晶显示系统的重要组成部分，是一种计算机(或MCU)和液晶屏之间的接口电路，其主要功能是通过调制输出到液晶显示器件电极上的电位信号的相位、峰值、频率等参数来建立交流驱动电场。由于LCD的规格相差较大，常规的方法是针对每一种LCD开发专门的驱动电路，这样的设计浪费时间，而且复用性较差。为此，设计一种可用于多数小规模LCD驱动电路的IP核，通过复用该IP核来解决这个问题是非常必要的。 目前，国际上只有I-Shou大学的Yu-Jung Huang等人设计了可驱动不同规模LCD的驱动电路IP核，通过在系统中植入嵌入式微处理器来实现这一功能。但是，这种嵌入式微处理器使系统更复杂，而且成本更高。本文设计的可驱动不同规模LCD的驱动电路IP核是采用FPGA来实现的，能有效克服电路系统复杂和高成本这两个缺点。 2.2 SOPC技术 SoPC（System n a Program Chip，片上可编程系统）Programmable Logic Device，可编程逻辑器件）取代ASIC（Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路），更加灵活、高效的SoC（System On Chip）解决方案。它最早是美国Altera公司于2000年提出的，并同时推出了相应的开发软件Quartus ⅡField Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）解决方案的SoC，与ASIC的SoC解决方案相比，SoPC系统及其开发技术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，具有更多的特色，构成SoPC的方案也有如下多种途径。 2.2.1基于FPGA嵌入IP硬核的SoPC系统 即在FPGA中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用嵌入式系统大多采用了含有ARM的32位知识产权处理核的器件。但通常这种系统还须配置许多接口器件才能构成一个完整的应用系统，如除配置常规的SRAM、DRAM、Flash外，还须配置网络通信接口、USB接口、VGA接口、PS/2接口或其他专用接口等。这样会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将ARM或其他知识产权核，以硬核方式植入FPGA中，利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP软核，直接利用F