1  引言
傳統(tǒng)的外設(shè)操作使用I/O接口方式，在硬件工程中，需要設(shè)計與外設(shè)相連的I/O接口，在軟件工程中，需要用戶編寫I/O接口程序?qū)ν庠O(shè)進行初始化，設(shè)置相應(yīng)的外設(shè)寄存器，這樣的工作在每次新建一個工程后，都得重復(fù)進行，因此增加了開發(fā)的成本。

利用Altera公司提供的Component Editor工具可以設(shè)計符合時序要求的外設(shè)接口，并且可以將用戶開發(fā)驅(qū)動程序與Nios II HAL（硬件抽象層）系統(tǒng)庫集成在一起，形成Nios II的接口組件，在系統(tǒng)生成的時候，對外設(shè)進行初始化設(shè)置。這樣在建立新工程時，只需將接口組件添加到系統(tǒng)就可以了，對組件的訪問也變得輕松，使得代碼可重復(fù)利用。

Nios II HAL系統(tǒng)庫是一個輕量級實時環(huán)境，提供一個組件驅(qū)動接口，使得程序與底層硬件通信。HAL API（應(yīng)用程序接口）與ANSI C標準庫集成在一起，允許用戶通過類C庫函數(shù)訪問設(shè)備和文件，例如printf()、fopen()和fwrite()等，這樣其他開發(fā)者無需知道底層硬件結(jié)構(gòu)就可以對組件進行操作。

2  硬件設(shè)計
在SOPC Builder中打開Component Editor，在HDL Files標簽下添加硬件描述語言編寫的文件，將其設(shè)定為頂層模塊，該文件描述了組件與Avalon總線的接口以及組件與液晶屏的接口，系統(tǒng)自動對文件進行分析和模擬。

點擊Signals標簽，系統(tǒng)自動讀取硬件描述語言文件中的信號，用戶只需設(shè)置接口信號和信號類型。接口信號包括主端信號和從端信號，主端信號與Avalon總線相連，包括iDATA、iADDRESS、iWR_N和iCS_N等，信號類型依次為writedata、address、write_n和chipselect_n等，從端信號與LCD相連，包括LCD_DATA、LCD_ADDRESS、LCD_RD_N、LCD_WR_N和LCD_CS_N等，信號類型均為export。

從端信號與主端信號的連接用硬件描述語言描述：

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;

由于始終對液晶屏進行寫操作，不進行讀操作，所以信號LCD_RD_N置1。

點擊Interfaces標簽，將接口設(shè)置為從類型，地址選擇Registers類型，Avalon Slave Timing可以設(shè)置接口的時序，如圖1所示。

圖1  液晶屏寫時序

點擊SW Files標簽，添加系統(tǒng)所需要的文件，包括兩個頭文件，一個C文件，選擇文件類型，將它們包含在不同的文件夾下，這樣就可以通過標準的C語言函數(shù)來訪問組件了。

最后一步點擊Component Wizard，為組件取名，點擊Finish完成設(shè)計。

3  軟件設(shè)計
組件生成后，組件文件夾的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液晶屏接口組件

lcd_3224inc文件夾下包含_regs.h文件，該文件定義硬件接口，例如：

#define    IOWR_ LCD_DATA(base, data)           IOWR(base, 0, data)

寫參數(shù)有三個，base為組件的基地址，0表示地址偏移量，data為要寫入的數(shù)據(jù)，重新定義后在源代碼中可以使用自定義的名字對組件進行操作。

lcd_3224hdl文件夾下包含.v文件，該文件描述組件的接口信號。

lcd_3224HALinc文件夾下包含.h文件，該文件描述組件的結(jié)構(gòu)、函數(shù)聲明和驅(qū)動程序與標準C函數(shù)的接口等，示例如下：

#include  "sys/alt_dev.h"              //包含定義組件結(jié)構(gòu)的頭文件

typedef    struct      alt_LCD_dev   alt_LCD_dev;         //定義組件結(jié)構(gòu)

struct      alt_LCD_dev

{

  alt_dev        dev;

  int            base;

};

……

void        alt_lcd_init(alt_LCD_dev * dev);          //聲明初始化函數(shù)

int          alt_lcd_write(alt_fd * fd, const char* ptr, int len);              //聲明寫函數(shù)

……

#define ALTERA_AVALON_LCD_INSTANCE(name, device)

static alt_LCD_dev device =

{

  {

    ALT_LLIST_ENTRY,

    name##_NAME,

    NULL, /* open */          //fopen可以訪問lcd

    NULL, /* close */

    NULL, /* read */

    alt_lcd_write,         //fprintf將調(diào)用寫函數(shù)訪問液晶屏

    NULL, /* lseek */

    NULL, /* fstat */

    NULL, /* ioctl */

  },

  name##_BASE

}

lcd_3224HALsrc文件夾下包含源代碼，mk文件是自動生成的，源代碼主要包括初始化程序、.h文件所聲明的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自動生成

  IOWR_ LCD_DATA(base, data);      //訪問底層硬件

}

初始化程序和寫函數(shù)調(diào)用這些子程序完成對組件的初始化和各種操作。

4  應(yīng)用
根據(jù)液晶屏的功能及所使用的開發(fā)板，應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

在SOPC Builder中添加組件生成硬件系統(tǒng)，將結(jié)果下載到開發(fā)板。打開Nios II IDE創(chuàng)建軟件工程，進行軟件的編寫，其中部分程序如下：

#include 

int    main(void)

{

FILE * fd;

fd = fopen(/dev/lcd”, “w”);              //lcd為SOPC Builder中的名字

if(fd)

{

fprintf(fd, “parameter”);        //調(diào)用alt_lcd_write

fclose(fd);

}

……

return 0;

}

通過標準C函數(shù)訪問液晶屏，程序編寫簡單，可以顯示各種圖像及字符。如果還有特殊要求，用戶可以繼續(xù)在驅(qū)動程序中添加需要的功能。

5  總結(jié)
本文詳細介紹了液晶屏接口組件的設(shè)計方法，核心部分是硬件描述語言文件的編寫、時序的設(shè)計以及驅(qū)動程序的編寫。調(diào)試成功后，可以把組件文件夾放到系統(tǒng)組件文件夾下，這樣就可以重復(fù)使用。對于應(yīng)用程序開發(fā)者，不用了解硬件結(jié)構(gòu)就可以使用標準C函數(shù)操作組件，使得開發(fā)簡便快捷，節(jié)省了時間和成本，是一種高效、靈活和低成本的開發(fā)方法。

本文作者創(chuàng)新點：和傳統(tǒng)的外設(shè)接口方式相比，接口組件的使用極大地方便了接口的硬件和軟件設(shè)計，是高效靈活的接口方式。

參考文獻

[1]   任愛芬、初秀琴、常存等，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，西安：西安電子科技大學出版社，2004
[2]   郭書軍、王玉花、葛紉秋，嵌入式處理器原理及應(yīng)用，北京：清華大學出版社，2004
[3]   李洋洋，基于CPLD的DSP和液晶模塊接口設(shè)計，微計算機信息，2004年，第1期