原创 基于SOPC的液晶屏接口组件设计

1 引言
      传统的外设操作使用I/O接口方式，在硬件工程中，需要设计与外设相连的I/O接口，在软件工程中，需要用户编写I/O接口程序对外设进行初始化，设置相应的外设寄存器，这样的工作在每次新建一个工程后，都得重复进行，因此增加了开发的成本。
        利用Altera公司提供的Component Editor工具可以设计符合时序要求的外设接口，并且可以将用户开发驱动程序与Nios II HAL（硬件抽象层）系统库集成在一起，形成Nios II的接口组件，在系统生成的时候，对外设进行初始化设置。这样在建立新工程时，只需将接口组件添加到系统就可以了，对组件的访问也变得轻松，使得代码可重复利用。
         Nios II HAL系统库是一个轻量级实时环境，提供一个组件驱动接口，使得程序与底层硬件通信。HAL API（应用程序接口）与ANSI C标准库集成在一起，允许用户通过类C库函数访问设备和文件，例如printf()、fopen()和fwrite()等，这样其他开发者无需知道底层硬件结构就可以对组件进行操作。
     2 硬件设计
       在SOPC Builder中打开Component Editor，在HDL Files标签下添加硬件描述语言编写的文件，将其设定为顶层模块，该文件描述了组件与Avalon总线的接口以及组件与液晶屏的接口，系统自动对文件进行分析和模拟。
点击Signals标签，系统自动读取硬件描述语言文件中的信号，用户只需设置接口信号和信号类型。接口信号包括主端信号和从端信号，主端信号与Avalon总线相连，包括iDATA、iADDRESS、iWR_N和iCS_N等，信号类型依次为writedata、address、write_n和chipselect_n等，从端信号与LCD相连，包括LCD_DATA、LCD_ADDRESS、LCD_RD_N、LCD_WR_N和LCD_CS_N等，信号类型均为export。
　　从端信号与主端信号的连接用硬件描述语言描述：
　　assign LCD_DATA = iDATA;
　　assign LCD_ADDRESS = iADDRESS;
　　assign LCD_RD_N = 1;
　　assign LCD_WR_N = iWR_N;
　　assign LCD_CS_N = iCS_N;
由于始终对液晶屏进行写操作，不进行读操作，所以信号LCD_RD_N置1。
点击Interfaces标签，将接口设置为从类型，地址选择Registers类型，Avalon Slave Timing可以设置接口的时序，如图1所示。



图1 液晶屏写时序
点击SW Files标签，添加系统所需要的文件，包括两个头文件，一个C文件，选择文件类型，将它们包含在不同的文件夹下，这样就可以通过标准的C语言函数来访问组件了。
最后一步点击Component Wizard，为组件取名，点击Finish完成设计。
3 软件设计　
组件生成后，组件文件夹的结构如图2所示。
 
图2 液晶屏接口组件
lcd_3224\inc文件夹下包含_regs.h文件，该文件定义硬件接口，例如：
　　#define IOWR_ LCD_DATA(base, data) IOWR(base, 0, data)
写参数有三个，base为组件的基地址，0表示地址偏移量，data为要写入的数据，重新定义后在源代码中可以使用自定义的名字对组件进行操作。
lcd_3224\hdl文件夹下包含.v文件，该文件描述组件的接口信号。
lcd_3224\HAL\inc文件夹下包含.h文件，该文件描述组件的结构、函数声明和驱动程序与标准C函数的接口等，示例如下：
　　#include sys/alt_dev.h //包含定义组件结构的头文件
　　typedef struct alt_LCD_dev alt_LCD_dev; //定义组件结构
　　struct alt_LCD_dev
　　{
　　alt_dev dev;
　　int base;
　　};
　　……
　　void alt_lcd_init(alt_LCD_dev * dev); //声明初始化函数
　　int? alt_lcd_write(alt_fd * fd, const char* ptr, int len); //声明写函数
　　……
　　#define ALTERA_AVALON_LCD_INSTANCE(name, device)
　　static alt_LCD_dev device =
　　{
　　{
　　ALT_LLIST_ENTRY,
　　name##_NAME,
　　NULL, /* open */ //fopen可以访问lcd
　　NULL, /* close */
　　NULL, /* read */
　　alt_lcd_write, //fprintf将调用写函数访问液晶屏
　　NULL, /* lseek */
　　NULL, /* fstat */
　　NULL, /* ioctl */
　　},
　　name##_BASE
　　}
　　lcd_3224\HAL\src文件夹下包含源代码，mk文件是自动生成的，源代码主要包括初始化程序、.h文件所声明的alt_lcd_write和一些子程序，例如：
　　static void lcd_write_data(alt_LCD_dev * dev, unsigned char data) //子程序
　　{
　　unsigned int base = dev->base; //基地址由SOPC Builder自动生成
　　IOWR_ LCD_DATA(base, data); //访问底层硬件
　　}

初始化程序和写函数调用这些子程序完成对组件的初始化和各种操作。
4 应用
根据液晶屏的功能及所使用的开发板，应用系统的硬件结构框图如图3所示。



图3 硬件结构框图
在SOPC Builder中添加组件生成硬件系统，将结果下载到开发板。打开Nios II IDE创建软件工程，进行软件的编写，其中部分程序如下：
　　#include
　　int main(void)
　　{
　　FILE * fd;
　　fd = fopen(/dev/lcd”, “w”); //lcd为SOPC Builder中的名字
　　if(fd)
　　{
　　fprintf(fd, “parameter”); //调用alt_lcd_write
　　fclose(fd);
　　}
　　……
　　return 0;
　　}
通过标准C函数访问液晶屏，程序编写简单，可以显示各种图像及字符。如果还有特殊要求，用户可以继续在驱动程序中添加需要的功能。
5 总结
本文详细介绍了液晶屏接口组件的设计方法，核心部分是硬件描述语言文件的编写、时序的设计以及驱动程序的编写。调试成功后，可以把组件文件夹放到系统组件文件夹下，这样就可以重复使用。对于应用程序开发者，不用了解硬件结构就可以使用标准C函数操作组件，使得开发简便快捷，节省了时间和成本，是一种高效、灵活和低成本的开发方法。
          本文作者创新点：和传统的外设接口方式相比，接口组件的使用极大地方便了接口的硬件和软件设计，是高效灵活的接口方式