基于Nios II的非一般模式類設備設計與集成

　　液晶顯示器按其功能可分為筆段式和點矩陣式液晶顯示器，后者又可以分為字符點陣式和圖形點陣式液晶顯示器。圖形點陣式液晶顯示器不僅可顯示數字、字符等內容，還能顯示漢字和任意圖形。但此類液晶顯示屏屬于非一般模式類設備，在Nios II中不能直接開發使用。

　　對于一個全新的外部設備，Nios II有更好的解決方案快速的掌握它的控制方法。按照設備的電器要求，使用Nios II的已有的基本控制設備(例如通用輸入輸出端口PIO)掌握新設備的控制特性與方法。當充分理解新設備的特性后就可以按照Nios II的硬件抽象層(HAL)的定義方法，編寫新設備的驅動將其集成到Nios II中。這樣在今后的開發中在SOPC Builder中就可以像其他設備一樣增添這個新設備，Nios II軟核生成后會自動加載此設備的設備驅動。這樣提高了新設備的二次使用時的開發效率。

　　以下是液晶屏顯示模塊接口的設計與集成過程。

　　液晶顯示模塊的設計

　　液晶顯示簡介

　　GM12864A 是帶顯示存儲器的圖形液晶顯示器。它的內部是由兩塊KS0108B作為列顯示控制器和一片KS0107B作為行顯示控制器組成。顯示屏上各像素點的顯示狀態與顯示存儲器的各位相互對應，顯示存儲器的數據直接作為圖形顯示的驅動信號。顯示數據為“1”，相應的像素點變亮。液晶屏結構如圖1所示。

　　圖1 液晶屏GM12864A的結構圖

　　PIO類的介紹

　　設計初始階段主要的目的在于充分了解新設備的特性與控制方法，為之后的設備集成打好基礎。因此采用通用的輸入輸出控制接口(PIO)直接對液晶屏的引腳進行控制。

　　Nios II中PIO分為三大類：輸入(I)、輸出(O)和三態(Tri)。PIO通過Avalon總線與Nios II相連接。如圖2所示。

　　圖2 通用輸入輸出接口與Nios II的連接

　　接口的設計

　　在Quartus II中新建一個工程，芯片類型選擇Cyclone 1C6Q240C8。設置畫面如圖3所示。

　　圖3 芯片設置界面

　　工程創建完成后在SOPC Builder中定制Nios II處理器。液晶屏顯示器驅動接口在設計初步作為普通的外部設備，用PIO進行操作。所以為系統增添所需要的PIO接口。設計完成后如圖4所示。

　　圖4 定制的Nios II處理器結構

　　定制結束后生成Nios II處理器模塊。生成后回到Quartus II中進行系統頂層結構的設計。通過SOPC Builder生成的Nios II模塊需要一個時鐘和一個復位輸入端，輸出與定制時所設計的一致。增添相應的輸入輸出引腳。頂層結構如圖5所示。

　　圖5 液晶屏控制系統頂層結構

　　將控制系統編譯，液晶屏與芯片的接口連接電路如圖6所示。

　　圖6 液晶屏與FPGA的接口電路

　　液晶屏顯示模塊的HAL集成

　　為了更好的對新外設進行高效二次開發，通過編寫外設驅動并集成到HAL中是最好的方法。這樣可以更加方便的再次構件系統，有效降低開發周期，提高開發效率，降低開發難度。

　　開發外設并集成的開發流程如圖7所示。

　　圖7 新設備集成HAL流程

　　對于新外部設備的HAL集成流程是從設備功能角度出發并劃分控制單元模塊，因此使控制程序代碼對設備無關，即外部設備細節控制對開發者是透明的，從而使代碼具有更好的規范性和可移植性。當此設備處于不同的硬件配置的Nios II系統時仍能正常工作。

　　結語

　　在Altera FPGA中使用軟核處理器Nios II可以將外部存儲器、液晶顯示屏、以太網控制器等外部設備連接在一起，進行外設的協調工作和數據共享。從而具有較高靈活性并且能適應變化較多的技術領域。

　　一個新的外部設備只要根據Nios的內部規范編寫驅動就可以集成到HAL中，加強新設備的運行穩定性和二次使用的效率。

　　另外，可以根據系統的需要添加多個Nios II處理器實現“多內核”系統或者在Nios II核中加入實時操作系統(RTOS)，實現多任務的調度。運用 Altera的SOPC技術可以高效快速的開發一個用戶定制的片上系統。并且具有外圍電路少，控制靈活方便，研發周期短等特點。