基于FPGA的LCD控制器設(shè)計

1、基于FPGA的LCD控制器設(shè)計 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計基于FPGA的LCD控制器設(shè)計基于FPGA的LCD控制器設(shè)計【摘要】本課題主要任務(wù)是設(shè)計基于FPGA的LCD控制器，兼顧好程序的易用性，以方便之后模塊的移植和應(yīng)用。本課題的設(shè)計采用了帶ST7920驅(qū)動的12864-12液晶模塊，并使用Altera公司的cycloneII系列的EP2C5T144C8來作為核心的控制器?？刂破鞑糠植捎肰HDL語言編寫，主體程序采用了狀態(tài)機作為主要控制方式。該控制器分為字符顯示模塊和圖片顯示模塊兩個主要部分。在字符的顯示功能上采用顯示控制模塊與字符調(diào)用RAM相結(jié)合的方式，使使用者能方便地調(diào)用液晶自帶的字庫來顯示字

2、符；而圖片顯示模塊則通過特殊的處理算法解決了圖像顯示緩沖區(qū)X地址不斷移位以及上下半屏分開的問題，通過讀取圖片ROM來顯示圖片。最后實現(xiàn)使用FPGA在LCD上的任意位置顯示任意的16*16像素的中文字符以及16*8的英文字符，另外要能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的變化同步變化LCD上顯示的內(nèi)容。同時要能將儲存模塊中的圖片數(shù)據(jù)正常地顯示在LCD上。 該課題的研究將有助于采用FPGA的系列產(chǎn)品的開發(fā)，特別是需要用到LCD的產(chǎn)品的開發(fā)。同時可以大大縮短FPGA的開發(fā)時間。另外，由于模塊的易用性，也將使得更多的采用FPGA的產(chǎn)品之上出現(xiàn)LCD，增加人機之間的交互性，為行業(yè)和我們的生活帶來新的變化?！娟P(guān)鍵詞】12864-

3、12，VHDL，LCD，F(xiàn)PGA，狀態(tài)機- 1 - 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計Design of the LCD Control Module Based on FPGA【Abstract】In this project, the main object is to design a LCD controller based on FPGA, and at the same time emphasize on the convenience for the later application and migration. In this project, I used 12864-12 L

4、CD module with the ST7920 driver. For the controller part, I chose the Cyclone II serial FPGA, the EP2C5T144C8, which developed by the Altera Cooperation. The program of the controller is written by VHDL language, and the main body of the program used state machine as the primary control method. In

5、this LCD controller, there are two major parts, which are the character display module and the picture display module. The character display module put the Character Calling Ram and the display control module together to enable the user to call the embedded character library easily to display the in

6、formation he/she needed. For the picture display module, the module, through specific algorithm, solved the problems that the x address of the picture display buffer kept stepping forward after every 16 times and the display screen are divided into 2 section by the buffer. And this module, by readin

7、g a picture ram, displayed picture which was put earlier.In this project, I finally realized the following function. The first one is to display any 16*16 pixels Chinese character and 16*8 pixels English character on any position of the display screen. The second one is the display information will

8、instantaneously update as the input data changes. The last function is that any given picture data can be displayed properly on the LCD screen.The research of this project will contribute to the developing process of those products which use FPGAs, especially those products also use LCD. And at the

9、same time, it can reduce dramatically on the developing time. In addition, for the convenience of this controller, more and more FPGA based products will come out with LCD screen. This change will enhance the interaction between human and the machine, and bring innovation to the industry and our liv

10、es. 【Key Words】12864-12，VHDL，LCD，F(xiàn)PGA，State Machine.- 2 - 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計目錄第1章 緒論 51.1 選題的背景與意義 51.2 LCD的控制，應(yīng)用和市場的發(fā)展現(xiàn)狀 51.3 課題的主要研究本課題主要研究本課題的主要難點： 71.4 課題研究預期目標 71.4.1 課題研究預期理論目標 71.4.2 課題研究預期技術(shù)目標 8第2章 現(xiàn)代LCD技術(shù) 92.1 現(xiàn)代LCD技術(shù)簡介 92.2 STN-LCD技術(shù)的顯示原理 102.3 動態(tài)STN-LCD驅(qū)動方法 11第3章 現(xiàn)代FPGA技術(shù) 143.1 FPGA的發(fā)展歷程 143

11、.2 FPGA的基本原理 153.2.1 查找表的基本原理 153.2.2 基于乘積項的FPGA的邏輯實現(xiàn)原理 153.3 FPGA的設(shè)計方法 163.4 VHDL硬件描述語言 163.5 Quartus II簡介 173.6 核心控制芯片選擇 183.7 FPGA的設(shè)計流程 19第4章 總體系統(tǒng)設(shè)計及資源 224.1 系統(tǒng)設(shè)計要求 224.2 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖 224.3 系統(tǒng)開發(fā)選用資源 224.3.1 液晶模塊選用 224.3.2 FPGA的選擇 283 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計4.4 硬件設(shè)計 30第5章 系統(tǒng)各部分模塊的設(shè)計 315.1 初始化模塊設(shè)計 315.1.1 LCD模

12、塊初始化原理 315.1.2 時鐘模塊的設(shè)計 325.1.3 字符顯示前初始化模塊的設(shè)計 335.1.4 圖片顯示前初始化模塊的設(shè)計 365.2 寫入數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計 385.2.1 英文字符部分的數(shù)據(jù)模塊 385.2.2 中文字符部分的數(shù)據(jù)模塊 405.2.3 圖片部分的數(shù)據(jù)模塊 415.3 顯示控制模塊的設(shè)計 415.3.1 字符顯示控制模塊的設(shè)計 415.3.2 動態(tài)數(shù)據(jù)的顯示控制 435.3.3 圖像數(shù)據(jù)的顯示控制 445.4 字符顯示及圖片顯示整體模塊 495.5 本章小結(jié) 50第6章 模塊測試與使用方法 516.1 模塊的使用方法 516.1.1 字符顯示模塊的使用 516.1.2

13、圖片顯示模塊的使用 526.2 測試測試結(jié)果 576.3.1 字符顯示 576.3.2 圖片顯示 586.4小結(jié) 60 結(jié)束語 61 參考文獻 63 致謝 624 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計第1章 緒論1.1 選題的背景與意義液晶，是一種在一定溫度范圍LCD的控制，應(yīng)用和市場的發(fā)展現(xiàn)狀在技術(shù)方面，因集成式的控制芯片具有包括了縮小了IC的體積、低功率消耗、降低封裝5 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計的成本、節(jié)省電路板的數(shù)量及體積等優(yōu)點，并使材料成本及LCD后段組裝成本得以降低，因此許多廠商紛紛朝向高集成度控制芯片發(fā)展，并積極開發(fā)視訊應(yīng)用的控制芯片。而最新趨勢Smart Panel，在制程上則有

14、簡化流程、減少材料成本等優(yōu)點。根據(jù)相關(guān)資料顯示，Smart Panel可降低約10%15%的成本，這也是國外一些大廠所鐘愛的方式。為降低控制IC 成本，眾多IC廠商紛紛推出集成式的單芯片控制IC。美國的Genesis最早推出集成式IC，將ADC、Scaler、OSD （內(nèi)置菜單）與PLL(鎖相環(huán))為一顆單芯片控制IC。接著更進一步集成入DVI 組件，形成LCD 雙模控制IC。其組件集成數(shù)量持續(xù)增多，并漸漸添加Video 的功能。當前Genesis 最高集成度的產(chǎn)品，集成入的組件已經(jīng)包括ADC、Scaler、PLL、OSD、TCON 與DVI，僅剩Video 的功能以及SDRAM 的組件尚未集成

15、。隨著市場競爭的加劇，液晶顯示器廠商的成本壓力越來越大，必須采用更簡單的線路設(shè)計實現(xiàn)液晶顯示器的功能，以期降低成本，才能在市場競爭中立于不敗之地。 LCD控制IC必將向高集成度方向發(fā)展，以滿足市場需要。而在LCD的應(yīng)用以及市場方面，雖然 仍然是中小尺寸液晶顯示屏(LCD)的最主要應(yīng)用設(shè)備，但便攜導航設(shè)備(PND)、數(shù)碼相框和MP3/便攜媒體播放器(PMP)等新型設(shè)備，正在該市場的銷售額中占有越來越大的份額。由于這些產(chǎn)品所使用的顯示屏大于 所用的顯示屏，因此在供應(yīng)商的工廠中同樣需要更多的面板，這對于LCD面板生產(chǎn)商來說是個絕好的機會。各種中小尺寸LCD的產(chǎn)能擴張和價格下降，促進了其應(yīng)用領(lǐng)域的多元

16、化。這又進一步刺激了需求，并吸引許多其它產(chǎn)品來采用中小型LCD，如白色家電和零售標牌。大多數(shù)行業(yè)內(nèi)的公司認為，為了利用 市場和新興產(chǎn)品，中小尺寸顯示屏供應(yīng)商必須相應(yīng)地平衡和調(diào)整策略，否則就可能錯失整個市場。導航設(shè)備PND的主要功能是顯示GPS信息，因此能否顯示詳細并準確地圖影像非常關(guān)鍵。這使得許多PND制造商把目光轉(zhuǎn)向了更加精確的小型LCD。這方面出現(xiàn)的需求促使iSuppli公司把2011年P(guān)ND顯示屏市場的出貨量預測提高到了6,050萬部。2006年的出貨量為1,080萬部，2006-2011年出貨量的年復合增長率是41.3%。iSuppli以前預測2011年出貨量是5,400萬部。盡管中小

17、尺寸LCD價格下降，但2011年P(guān)ND顯示屏的營業(yè)額將從2006年的3.24億美元上升到7.76億美元，年復合增長率為19.1%。2007年一年，PND顯示屏銷售額將比2006年的3.24億美元增長近一倍，達到6.35億美元。媒體播放器但PND不是推動中小尺寸顯示屏市場繁榮的唯一消費電子產(chǎn)品。MP3/PMP目前是使此類顯示屏出貨量增長最快的領(lǐng)域之一。iSuppli公司預測，2011年底MP3/PMP單位出貨量將達到2.05億，而2007年預計為1.63億。6 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計這相當于2011年顯示屏銷售額將達到16億美元，略低于2007年的17億美元，這主要是因為中小型LCD價格

18、隨著產(chǎn)能擴張和制造工藝改進而不斷下降。推動顯示屏單位出貨量增長的因素包括：消費電子公司蘋果和它的iPod產(chǎn)品線，以及距蘋果最近的競爭對手緊追不舍，從而推動MP3/PMP市場整體增長。MP3音樂播放器變身進入了PMP領(lǐng)域。有源矩陣LCD供應(yīng)商正在緊盯這個市場，以防止AMOLED供應(yīng)商染指。因為PMP是消費電子產(chǎn)業(yè)中增長最快的領(lǐng)域之一，而且隨著更多的產(chǎn)品涌現(xiàn)，將需要更多的LCD來滿足需求。數(shù)碼相框和便攜DVD播放器等其它應(yīng)用每年需要的顯示屏越來越多。這些應(yīng)用需要較大的顯示屏(約7.0英寸)，因此它們的需求增長可能對產(chǎn)能分配和供需平衡造成較大的影響。1.3 課題的主要研究本課題主要研究本課題的主要難

19、點：1. 12864-12的液晶模塊指令集較為復雜，采用FPGA設(shè)計需要定義的變量和狀態(tài)將會很多；2. 中英文字符的顯示部分程序要考慮到程序的易用性，方便將來移植后的使用； 3. 圖形顯示部分，由于12864-12課題研究預期目標本課題研究預期目標主要包括采用FPGA控制LCD在任意位置顯示任意中文以及英文字符，和在LCD上顯示儲存模塊中的圖像數(shù)據(jù)。1.4.1 課題研究預期理論目標1. 掌握FPGA對LCD的控制方法，為課題研究做好理論準備；2. 通過FPGA對LCD的控制，使得任何開發(fā)者都可以較為容易地通過此顯示控制模塊，在液晶上顯示所需的內(nèi)容。；3.算法實現(xiàn)：對于12864-12的特殊圖形

20、RAM對應(yīng)LCD的顯示方式，采用特定算法，使得7 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計 取模后的圖像所對應(yīng)的數(shù)組，無需經(jīng)過處理便可以通過FPGA (Filed-Programmable Gate Array)在LCD上顯示。1.4.2 課題研究預期技術(shù)目標1. 中文字符在LCD上的正常顯示；2. 英文字符在LCD上的正常顯示；3. 輸入變動的數(shù)據(jù)能在LCD上的同步刷新顯示； 4. 圖像數(shù)據(jù)在LCD上的正常顯示； 8基于FPGA的LCD控制器設(shè)計第2章 現(xiàn)代LCD技術(shù)2.1 現(xiàn)代LCD技術(shù)簡介在七十年代初液晶開始作為一種顯示媒體使用以來，液晶的應(yīng)用范圍被逐漸拓寬，到目前已涉及游戲機， / 機，電視，筆

21、記本電腦/掌上電腦，DC/DV以及液晶顯示器等領(lǐng)域。在1984年，歐美提出了STN-LCD，而同時TFT-LCD技術(shù)也被提出，但仍不成熟，在80年代末，日本掌握了STN-LCD的生產(chǎn)技術(shù)，在93年，日本又掌握了TFT-LCD生產(chǎn)技術(shù)，液晶顯示器開始向廉價低成本的方向發(fā)展，隨后DSTN-LCD誕生；另一方面向高端的薄膜式晶體管TFT-LCD發(fā)展，97年，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代TFT-LCD生產(chǎn)線。在此期間，韓國和我國臺灣開始介入液晶顯示器生產(chǎn)領(lǐng)域，我國內(nèi)地企業(yè)也引進生產(chǎn)線，生產(chǎn)TN-LCD，東亞地區(qū)逐漸發(fā)展成為世界液晶顯示器的主要生產(chǎn)地，第三代半及第四代TFT-LCD生產(chǎn)線開始建立，

22、日本，韓國和中國（含臺灣?。┰谝壕э@示器生產(chǎn)及技術(shù)上開始走在世界最前列。大家知道，液晶是一種具有規(guī)則性分子排列的有機化合物，它即不是固體也不是液體，它是介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，把它加熱時它會呈現(xiàn)透明的液體狀態(tài)，把它冷卻時它則會出現(xiàn)結(jié)晶顆粒的混濁固體狀態(tài)。液晶按照分子結(jié)構(gòu)排列的不同分為三種：粘土狀的Smectic液晶，細柱形的Nematic液晶和軟膠膽固醇狀的Cholestic液晶。這三種液晶的物理特性各不相同，而第二類的細柱形的Nematic液晶最適于用來制造液晶顯示器。按物理結(jié)構(gòu)常見的液晶顯示器可分為以下幾種： 表2.1 常見液晶顯示器大家從上面就可看出TN、STN、DSTN三種液晶都屬于

23、無源矩陣LCD，它們的原理基本相同，不同之處只是各個液晶分子的扭曲角度略有差異而已，其中DSTN（俗稱“偽彩”）在早期的筆記本電腦顯示器及掌上游戲機上廣為應(yīng)用，但由于其必須借用外界光源來顯像所以其有很大的應(yīng)用局限性，但這些早期的反射型單色或彩色沒有背光設(shè)計的LCD可以做得更薄、更輕和更省電，如果能在技術(shù)上對其進行革新這些東東對于掌上型電腦和游戲機來說還是非常有用的。而STN超扭曲向列型無源矩陣LCD則是我們今天小型液晶顯示器上應(yīng)用的主9 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計流，它具有屏幕反應(yīng)速度快，對比度好，亮度高，可視角度大等優(yōu)點。 圖2.1 液晶原理圖最早的液晶顯示器TN它由玻璃板，偏光器，IT

24、O膜，配向膜組成兩個夾層等組成，它是所有液晶顯示器技術(shù)原理的鼻祖。而TFT液晶顯示器同TN系列液晶顯示器一樣由玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等部分組成，它也同樣采用兩夾層間填充液晶分子的設(shè)計，只不過把TN上部夾層的電極改為FET晶體管，而下層改為共同電極。 2.2 STN-LCD技術(shù)的顯示原理傳統(tǒng)的TNI CD(扭曲向列液晶顯示器件)具有電光響應(yīng)速度緩慢，閾值特性很不明顯的弱點，這給多路驅(qū)動造成了困難，使其在大信息量的視頻顯示上受到了限制。通過將TNLCD液晶分子的扭曲角度由90。加大到180。至360。之問就可以制成STNI CD(超扭曲STN I CD 大大提高了顯示特性，目前幾乎所有

25、的點陣圖形和大部分點向列液晶顯示器件)。陣字符LCD均已采用了STN 模式，STNI CD技術(shù)在液晶產(chǎn)業(yè)中已處于逐漸成熟和完善的階段。將涂有透明導電層的玻璃上光刻形成特定的透明電極，在兩片這種玻璃授板問夾上一層STNI CD 材料，四周密封，形成一個厚度僅為微米量級的扁平液晶盒。由于玻璃內(nèi)表面涂有定向?qū)幽げ⑦M行了定向處理，盒內(nèi)液晶分子沿玻璃表面平行排列，如果兩片玻璃內(nèi)表面定向?qū)犹幚淼姆较虺室欢ǖ膴A角，則液晶分子在這兩片玻璃之間以角度扭曲由于STN-LCD 液晶分子在盒中的扭曲螺旋距比可見光波長大得多，所以當垂直于玻璃表面一側(cè)的直線偏振光入射后，其偏光方向在通過整個赦晶層后會被扭曲角度另一側(cè)射出

26、，因此此液晶盒具有在成角度偏振片間透光的作用和功能。10 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計如果在液晶盒上施加一個電壓并達到一定值后，液晶分子長軸將開始沿電場方向傾斜，當電壓達到2倍閾值電壓后，除電極表面的分子外，所有的赦晶盒動態(tài)STN-LCD驅(qū)動方法STNLCD 的顯示效果是由于在顯示像素上施加了電場的緣故，而這個電場是由顯示像素前后兩個電極上的電壓信號差所產(chǎn)生的。在顯示像素上建立直流電場并不困難，但直流電場將導致液晶材料的化學反應(yīng)和電極老化。從而迅速降低液晶材料的壽命，因此必須建立交流電場，并要求這個電場中的直流分量盡可能小，通常要求小于50 mV。因此STNLCD必須采用交流驅(qū)動。STNLC

27、D顯示驅(qū)動方法有很多種，常用的有靜態(tài)驅(qū)動法和動態(tài)驅(qū)動法。當STNLCD顯示像素眾多時，若使用靜態(tài)驅(qū)動法將會產(chǎn)生眾多的引腳以及龐大的驅(qū)動電路，實現(xiàn)起來有困難，因此常用動態(tài)驅(qū)動法。11 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計 圖2.3 液晶驅(qū)動示意圖動態(tài)驅(qū)動法中STN LCD 電極的制作和排布為矩陣型結(jié)構(gòu)，即把水平一組顯示像素的電極連接在一起引出 稱之為行電極，用COM 符號表示，把縱向一組顯示像素的電極連在一起引出，稱之為列電極，用符號SEG 表示。每個STN-LCD顯示像素都由其所有行和列的位置唯一確定。上圖為N 行、M 列STN-LCD電極連接示意圖，顯示圖形為字符“R”。點陣型STN-L CD 和

28、字符型STN-LCD 的電極連接略有不同，但它們均可以由上圖來表示。動態(tài)驅(qū)動法就是采用逐行、循環(huán)地給行電極施加選擇脈沖，同時所有的列電極給出該行像素對應(yīng)的選擇或非選擇脈沖從而實現(xiàn)一行所有顯示像素的驅(qū)動，循環(huán)一次稱為一幀。這種掃描是逐行順序進行的，循環(huán)周期很短，使得STN-LCD顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖象效果。一幀中每一行的選擇時間是相等的，若一幀的掃描行數(shù)是N，則一行所占用的掃描時間為一幀的1N，該值稱為占空比系數(shù)。在特定電壓下，掃描行數(shù)的增加將使占空比下降，從而引起液晶像素上交變電場有效值的下降，降低了顯示質(zhì)量，因此隨著顯示像素的增多就需要適度地提高電場電壓的有效值來保證顯示質(zhì)量。動態(tài)驅(qū)動方式下

29、，某一液晶像素呈顯示效果是由施加在行電極上的選擇電壓與施加在列電極上的選擇電壓的臺成來實現(xiàn)的。與該像素不在同一行及同一列上的像素都處于非選擇狀態(tài)下，而與該像素在同一行或同一列的像素均有選擇電壓加入，稱為半選擇點。當半選擇點的電壓接近液晶的闊值電壓時屏上將出現(xiàn)不應(yīng)該有的半顯示現(xiàn)象，這會使得對比度下降，這種現(xiàn)象叫做“交叉效應(yīng)”，在動態(tài)驅(qū)動法中可采用偏壓技術(shù)來解決這一問題。12 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計平均電壓法是解決“交叉效應(yīng)”的有效辦法，其原理是把半選擇點和非選擇點上的電壓平均化。若顯示點電壓為，則半選擇點和非選擇點電壓為 ，其中為整數(shù)稱為偏壓比。平均電壓法適度提高非選擇點上的電壓來抵消半

30、選擇點上的電壓，從而擴大選擇點和半選擇點的電壓之間的差距，提高顯示對比度，又使非選擇和半選擇點的顯示更均勻一致。對比度是衡量液晶顯示質(zhì)量的重要標志。只要驅(qū)動電壓的有效值足夠大液晶就可以實現(xiàn)顯示，且選通時的透過率與有效值成正比，而對比度是透過率之比，所以只要確定了選通電壓有效值與非選通電壓有效值之比就能預測出顯示對比度的好壞。13 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計第3章 現(xiàn)代FPGA技術(shù)3.1 FPGA的發(fā)展歷程作為一種可編程邏輯器件，現(xiàn)場可編程門陣列的出現(xiàn)是可編程邏輯器件發(fā)展變化的必然，它的出現(xiàn)推動著可編程邏輯器件的進一步發(fā)展。因此說，了解了可編程邏輯器件的的發(fā)展歷程，也就了解了FPGA的發(fā)展歷

31、程。可編程邏輯器件(FPGA)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型期間。它的應(yīng)用不僅簡化了電路設(shè)計，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方式帶來了革命性的變化。可編程邏輯器件的發(fā)展是以微電子創(chuàng)作技術(shù)的不斷進步為基礎(chǔ)的，其結(jié)構(gòu)和工藝的變化經(jīng)歷了一個不斷發(fā)展變革的過程。20世紀70年代，早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲器，紫外線可擦除制度儲存器和電可擦除只讀儲存器3種。隨后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)稍微復雜的可編程芯片，即可編程邏輯陣列(PLA)。PLA在結(jié)構(gòu)上由一個可編程的與陣列和可編程的或陣列構(gòu)成，陣列規(guī)模小，編程過程復雜繁瑣。PLA既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。在這之后出現(xiàn)

32、了可編程陣列邏輯(PAL)器件，它由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，是現(xiàn)場可編程的。它的實現(xiàn)工藝由反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)3種。在PLA的基礎(chǔ)上，又發(fā)展除了一種通用陣列邏輯(GAL)，如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了輸出邏輯宏單元結(jié)構(gòu)和EEPROM工藝，實現(xiàn)了電可擦除、電可改寫，由于其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而其設(shè)計具有很強的靈活性，至今仍有許多應(yīng)用。 這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但由于其結(jié)構(gòu)過于簡單，因此，只能用于實現(xiàn)較小規(guī)模的電路設(shè)計為了彌補這一缺陷，20世紀80年代中期，著名的可編輯邏輯器

33、件廠商Altera和Xilinx分別推出了擴展型的復雜可編程邏輯器件(CPLD)和類似于標準門陣列的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。CPLD和FPGA的功能基本相同，只是芯片的內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu)有些差別。這兩種器件兼容了PAL和GAL器件的優(yōu)點，具有體系結(jié)構(gòu)靈活、邏輯資源豐富、集成度高以及適用范圍廣等特點，可用于實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計，編程也很靈活，所以，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和小批量生產(chǎn)之中。幾乎所有使用PAL、GAL和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用CPLD和FPGA器件。如今，F(xiàn)PGA器件已成為當前主流的可編輯邏輯器件之一。經(jīng)過近20年的發(fā)展，可編輯邏輯器件已經(jīng)取得了長足的進步，資源

34、更加豐富，使用越來越方便。將來的可編程邏輯器件，密度會更高、速度會更快、功耗會更低，同時還會增加更多新的功能，向著集成了可編程邏14 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計輯、CPU、儲存期等組件的可編程單片系統(tǒng)(SOPC)方向發(fā)展。3.2 FPGA的基本原理對于可編程邏輯器件，從實現(xiàn)原理上講，一般分為兩種：基于查找表加寄存器結(jié)構(gòu)和SRAM工藝的FPGA，集成密度高，寄存器資源豐富，適合做時序邏輯設(shè)計，多用于上萬門以上的設(shè)計，如數(shù)字信號處理和各種算法的實現(xiàn)等；基于乘積項結(jié)構(gòu)和EEPROM工藝的FPGA，集成密度低，乘積項資源豐富，適合做組合邏輯設(shè)計，多用于5000門以下的設(shè)計，如編碼、譯碼電路等。3.

35、2.1 查找表的基本原理查找表本質(zhì)上就是一個RAM。目前FPGA中多使用四輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的161的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入RAM。這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。3.2.2 基于乘積項的FPGA的邏輯實現(xiàn)原理以一個簡單的電路為例,具體說明FPGA是如何利用以上結(jié)構(gòu)實現(xiàn)邏輯的，電路如下圖： 圖3.1 電路圖假設(shè)組合邏輯的輸出(AND3的輸出)為f，則f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D

36、+ B*C*!D (以!D表示D的“非”）FPGA將以下面的方式來實現(xiàn)組合邏輯f: 圖3.2 電路圖2A,B,C,D由FPGA芯片的管腳輸入后進入可編程連線陣列（PIA)，在內(nèi)部會產(chǎn)生A,Af= f1 反,B,B反,C,C反,D,D反8個輸出。圖中每一個叉表示相連（可編程熔絲導通），所以得到：+ f2 = (A*C*!D) + (B*C*!D) 。這樣組合邏輯就實現(xiàn)了。 圖3電路中D觸發(fā)器的實現(xiàn)比較簡15 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計單，直接利用宏單元中的可編程D觸發(fā)器來實現(xiàn)。時鐘信號CLK由I/O腳輸入后進入芯片F(xiàn)PGA的設(shè)計方法FPGA的常用設(shè)計方法包括“自頂向下”和“自下而上”。目前大

37、規(guī)模FPGA設(shè)計一般選擇“自頂向下”的設(shè)計方法。所謂“自頂向下”設(shè)計方法，簡單地說，就是采用可完全獨立于芯片廠商及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的描述語言，在功能級對設(shè)計產(chǎn)品進行定義，并結(jié)合功能仿真技術(shù)，以確保設(shè)計的正確性，在功能定義完成后，利用邏輯綜合技術(shù)，把功能描述轉(zhuǎn)換成某一具體結(jié)構(gòu)芯片的網(wǎng)表文件，輸出給廠商的布局布線器進行布局布線。布局布線結(jié)果還可反標回同一仿真器，進行包括功能和時序的后驗證，以保證布局布線所帶來的門延時和線延時不會影響設(shè)計的性能。“自頂向下”設(shè)計方法的優(yōu)越性是顯而易見的。首先，由于功能描述可以完全獨立于芯片結(jié)構(gòu)，在設(shè)計的最初階段，設(shè)計師可不受芯片結(jié)構(gòu)的約束，集中精力進行產(chǎn)品設(shè)計，進而避免了

38、傳統(tǒng)設(shè)計方法所帶來的重新再設(shè)計風險，大大縮短了設(shè)計周期。其次，設(shè)計的再利用得到保證。目前的電子產(chǎn)品正向模塊化方向發(fā)展。所謂模塊化就是對以往設(shè)計成果進行修改、組合和再利用，產(chǎn)生全新的或派生設(shè)計。而“自頂向下”設(shè)計方法的功能描述可與芯片結(jié)構(gòu)無關(guān)。因此，可以以一種IP(Intelligence Property 知識產(chǎn)權(quán))的方式進行存檔，以便將來重新利用。第三，設(shè)計規(guī)模大大提高。簡單的語言描述即可完成復雜的功能，而不需要手工繪圖。第四，芯片選擇更加靈活。設(shè)計師可在較短的時間VHDL硬件描述語言VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware

39、Description Language,誕生于1982年。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體(可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng))分成外部(或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部(或稱不可視部分)，既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計的基16 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計本點。應(yīng)用VHD

40、L進行工程設(shè)計的優(yōu)點是多方面的。1. 與其他的硬件描述語言相比，VHDL具有更強的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計域最佳的硬件描述語言。強大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。2. VHDL豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計早期就能查驗設(shè)計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設(shè)計進行仿真模擬。3. VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，高速的完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實現(xiàn)。4. 對于用VHDL完成的一個確定的設(shè)計，可以利用EDA工具進行邏

41、輯綜合和優(yōu)化，并自動的把VHDL描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。5. VHDL對設(shè)計的描述具有相對獨立性，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨立的設(shè)計3.5 Quartus II簡介Quartus II軟件是Altera公司在MAX+PLUS II軟件基礎(chǔ)上推出的一種更佳的設(shè)計軟件。對于一個高性能、價格合理、盡快面市的方案，結(jié)合使用Quartus II軟件和Altera FPGA將是非常好的選擇。Quartus II軟件比所有競爭產(chǎn)品具有更佳的集成設(shè)計環(huán)境(例如綜合、仿真、邏輯分析和布局布線)。Quartus II平面配置器在輸入引腳至所有連接邏輯的信號追蹤上，表

42、現(xiàn)出色。集成的Signal Tap II邏輯分析器非常易于使用，不像MAX+PLUS II那樣，還要購買第三方開發(fā)工具。Quartus II軟件比MAX+PLUS II更加可靠，用戶界面更加友好，特別是在仿真，節(jié)點發(fā)現(xiàn)和引腳分配等方面。同樣，圖形激勵生成器比第三方的仿真工具更快、更有效。轉(zhuǎn)換設(shè)計一直非常簡單，在很短的時間內(nèi)，就可以適用到目標器件中。在MAX+PLUS II軟件的基礎(chǔ)上，Quartus II軟件具有一些重要的優(yōu)點：1. 支持器件：支持MAX 3000A、7000AE、MAX 7000B 和 MAX 7000S系列以及新的MAX II系列。 支持 FLEX 10KE、FLEX 10

43、K、FLEX 10KA、ACEX、FLEX 6000系列，以及最新的Cyclone、Stratix 和 Stratix II 系列FPGA。2. 性能：對于MAX 3000A、MAX 7000AE、MAX 7000B、MAX 7000S、FLEX 10K 和ACEX設(shè)計，比MAX+PLUS II 10.2版本提供更好的平均性能表現(xiàn)。(1) 對MAX設(shè)計，平均設(shè)計性能快15;(2) 對給定的MAX設(shè)計，所需器件資源平均少5。17 基于FPGA的LCD控制器設(shè)計3. 綜合：(1)一體化RTL綜合不僅支持AHDL，還支持最新的VHDL和Verilog語言標準。(2)在綜合和設(shè)計實施之前，RTL瀏覽器提供VHDL或者Verilog設(shè)計的圖形表示(僅限于Quartus II軟件)。(3)支持所有的主要第三方綜合流程。4. 高級功能：高級功能支持MAX II CPLD和最新的FPGA器件系列：(1)PowerGauge 功率分析功能支持MAX 3000A, MAX 7000AE和MAX 7000B設(shè)計和最新的FPGA器件(即將支持MAX II CPLD器件)。(2)LogicLock 基于模塊的設(shè)計流程(3)SOPC Builder： 同IP輕松集成5. 編譯：(1)物理綜合優(yōu)化(2)時序收斂平面配置編輯器6. 驗證