基于FPGA的LCD驅(qū)動顯示電路的設(shè)計與實現(xiàn)

1、論文題目 基于FPGA 的LCD 驅(qū)動顯示電路的設(shè)計與實現(xiàn)姓 名 孫 濤學(xué) 院 寶雞文理學(xué)院專 業(yè) 電子信息工程指導(dǎo)教師 王 春 英2012 年 04月10日基于FPGA 的LCD 驅(qū)動顯示電路的設(shè)計與實現(xiàn)作者姓名： 薛文平 指導(dǎo)教師： 田勇單位名稱： 嵌入式系統(tǒng)工程系專業(yè)名稱： 電子信息工程（集成電路設(shè)計與系統(tǒng)方向）東北大學(xué)東軟信息學(xué)院2011年5月Design and Implementation of LCD DriveDisplay Circuit based on FPGAby Xue WenpingNortheastern University Neusoft Institute

2、of InformationMay 2011Supervisor: Lecturer Tian Yong畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 基于FPGA 的LCD 驅(qū)動顯示電路的設(shè)計與實現(xiàn)摘 要本課題主要任務(wù)是設(shè)計基于FPGA 的LCD 驅(qū)動電路的設(shè)計和實現(xiàn)，兼顧好程序的易用性，以方便之后模塊的移植和應(yīng)用?？刂破鞑糠植捎肰 erilog 語言編寫，主體程序采用了狀態(tài)機(jī)作為主要控制方式。最后實現(xiàn)使用FPGA 在LCD 上顯示任意的英文字符和阿拉伯?dāng)?shù)字，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)，

3、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(jī)之間的交互性，為行業(yè)和我們的生活帶來新的變化。本文中對FPGA ，LCD ，ModelSim ，Xilinx ISE8.2i硬件設(shè)計工具等進(jìn)行了簡單的介紹，對其功能進(jìn)行了簡單的描述，并了解了LCD 液晶顯示器的發(fā)展歷史，日常應(yīng)用以及相對比于其他種類顯示器的優(yōu)缺點，并對基于FPGA 的LCD 液晶顯示器驅(qū)動電路未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：FPGA ，LCD ，狀態(tài)機(jī)，V erilog-Design and Implementation

4、 of LCD Drive DisplayCircuit based on FPGAAbstractIn 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.The program of the controller is written by V erilog language, and the main body o

5、f the program used state machine as the primary control method. displayed picture which was put earlier.In this project, I finally realized the following function. The first one is to display any English and figureon character any position of the display screen. The second one is the display informa

6、tion will instantaneously update as the input data changes.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 same time, it can reduce dramatically on the developing time. In addition, for the c

7、onvenience 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 lives.In this project, FPGA, LCD, ModelSim, Xilinx ISE8.2 I hardware design tools simpl

8、y introduces its functions were a simple description, and understanding the LCD monitor the development history , and relative everyday applications than in other types of monitor based on FPGA advantages and disadvantages, and the LCD monitor driver circuit future development trends are discussed.K

9、ey words:, FPGA, LCD, State Machine, Verilog-目 錄任務(wù)書 ·········································&#

10、183;·················································&#

11、183;·············· I 摘 要 ··································&

12、#183;·······································錯誤！未定義書簽。 ABSTRACT ·······

13、··················································

14、·····································III第1章 緒 論 ···········&

15、#183;·················································&

16、#183;···························11.1 選題背景 ····················

17、83;·················································

18、83;·························11.2 LCD 液晶顯示器的發(fā)展現(xiàn)狀 ·····················&

19、#183;···········································11.3 選題目的 ····

20、83;·················································

21、83;·········································3第2章 關(guān)鍵技術(shù)介紹 ······

22、83;·················································

23、83;···················42.1 FPGA 簡介 ····························&#

24、183;·················································&#

25、183;··············4 2. 2 LCD 簡介 ·································

26、··················································

27、···········42.2.1 LCD 的簡介 ····································

28、83;·················································42.

29、2.2 TC 1602液晶模塊簡介 ···············································

30、·······················52.3 系統(tǒng)軟件圖 ·························&

31、#183;·················································&

32、#183;··················6第3章 系統(tǒng)分析 ·····························

33、83;·················································

34、83;····73.1 FPGA 的設(shè)計方法 ···········································

35、;·······································73.2 V ERILOG HDL 和VHDL 的異同 ······&

36、#183;·················································&

37、#183;····73.3 TC1602液晶模塊的工作方式 ·········································

38、3;······················83.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境··························

39、;··················································

40、;··········· 113.5 系統(tǒng)任務(wù)的可行性分析····································

41、····································12第4章 系統(tǒng)設(shè)計 ············&

42、#183;·················································&

43、#183;···················134.1 系統(tǒng)概述 ····························&#

44、183;·················································&#

45、183;···············134.2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計 ·······························

46、3;···········································134.2.1 接口電路設(shè)計 ····&

47、#183;·················································&

48、#183;·························13- 2 -4.2.2 液晶模塊的內(nèi)部顯示地址 ····················

49、············································134.3流程圖和狀態(tài)機(jī)的設(shè)計···

50、83;·················································

51、83;····················144.3.1 FPGA 向液晶顯示屏控制芯片發(fā)送指令的流程圖 ························&

52、#183;·······144.3.2 狀態(tài)機(jī) ········································&

53、#183;···············································15第5章 系統(tǒng)實現(xiàn) &#

54、183;·················································&#

55、183;·······························175.1 系統(tǒng)硬件開發(fā)環(huán)境介紹···············

56、3;·················································

57、3;······175.2 系統(tǒng)的實現(xiàn) ·········································

58、3;················································175.2.1 電路

59、圖 ·················································

60、3;·······································175.2.2 系統(tǒng)主程序代碼節(jié)選 ·······

61、3;·················································

62、3;············19第6章 系統(tǒng)測試 ····································

63、;··············································236.1 系統(tǒng)測試 ··

64、··················································

65、··········································236.1.1 仿真波形 ······

66、;··················································

67、;······························236.2 對TC1602液晶顯示器進(jìn)行FPGA 驗證 ···············&

68、#183;······························23第7章 結(jié) 論 ·················

69、83;·················································

70、83;···················24 參考文獻(xiàn)·····························&#

71、183;·················································&#

72、183;····················25 致 謝 ····························&

73、#183;·················································&

74、#183;·························27-1-第1章 緒 論1.1 選題背景本課題主要任務(wù)是設(shè)計基于FPGA 的LCD 驅(qū)動顯示電路的設(shè)計與實現(xiàn)。兼顧好程序的易用性，以方便之后模塊的移植和應(yīng)用。最后在FPGA 上的任意位置顯示任意的英文和數(shù)字，另外要能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的變化使LCD 液晶顯示器上顯示的內(nèi)容產(chǎn)生變化。本課題的研究有

75、助于采用FPGA 的系列產(chǎn)品的開發(fā)，特別是需要用到基于FPGA 的LCD 產(chǎn)品的開發(fā)。同時可以大大縮短FPGA 的開發(fā)時間。增加人機(jī)之間的交互性，為行業(yè)和我們的生活帶來新的變化。FPGA 是Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在GAL 、CPLD 、PAL 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC ）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點，又克服了定制電路的不足。我們平時所說的LCD ，它的英文全稱為Liquid Crystal Display，直譯成中文就是液態(tài)晶體顯示器，簡

76、稱為液晶顯示器。液晶是一種幾乎完全透明的物質(zhì)。它的分子排列決定了光線穿透液晶的路徑。到20世紀(jì)60年代，有人發(fā)現(xiàn)給液晶充電會改變它的分子排列，造成光線的扭曲或折射，這個發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們發(fā)明液晶顯示設(shè)備的念頭。1.2 LCD液晶顯示器的發(fā)展現(xiàn)狀早期的時候，技術(shù)還不成熟，LCD 液晶顯示器主要被應(yīng)用于電子表、計算器等領(lǐng)域。 世界第一臺真正意義上的液晶顯示設(shè)備出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初，它被稱之為TN-LCD （扭曲向列）液晶顯示器。雖然是用單色顯示的方式，但它仍然被推廣到了電子表、計算器等領(lǐng)域。和TN 技術(shù)不同的是，TFT 的顯示采用“背透式”的照射方式假想的光源路徑是從下向上，而不是像TN 液晶那樣

77、從上至下。光源路徑設(shè)計成從下向上的作法是在液晶的背部設(shè)置特殊光管，光源照射時通過下偏光板向上透出。由于上下夾層的電極改變成為FET 電極和共通電極，在FET 電極導(dǎo)通時，液晶分子的表現(xiàn)也會改變，可以通過使用遮光和透光的方法來達(dá)到顯示的目的，響應(yīng)時間提高到80ms 左右。因為TFT 具有比TN 更高的對比度，更豐富的色彩和更快的熒屏更新頻率，所以TFT 俗稱“真彩”。相比較于DSTN ，TFT 的主要特點是給每個像素都配置了一個半導(dǎo)-2- 體開關(guān)器件。由于每個像素都可以通過點脈沖來直接控制，因而每個節(jié)點都顯得更獨立，并可以連續(xù)控制。這樣的設(shè)計方法不但提高了顯示屏的反應(yīng)速度，而且也可以精確控制顯示

78、的灰度，這就是TFT 色彩比DSTN 更為逼真的原因。2001年以后LCD 液晶顯示器技術(shù)開始走上成熟發(fā)展之路、但仍然生存在CRT 顯示器陰影下(CRT直譯中文為：陰極射線管，英文名稱為 Cathode-Ray Tube。傳統(tǒng)的CRT 顯示器的發(fā)展歷程為從黑白到彩色和從球面到柱面再到平面直角最后直至純平的發(fā)展。在這段非?？焖偾斑M(jìn)的歷程中，顯示器的視覺效果在跳躍性提高，帶寬、畫質(zhì)、分辨率、刷新和色彩率等各項指標(biāo)均有非常大的提升。目前主流的純平顯示器色彩真實，圖像無扭曲，畫面清晰，視角更廣闊，而且在設(shè)計時還充分考慮到了人類的視覺構(gòu)造，好的純平顯示器在長時間使用之后，眼睛不會感到疲勞等一系列優(yōu)勢。但

79、是 同期的液晶顯示器存在畫面延時，色彩還遠(yuǎn)不夠真實，可視角度削弱等缺點，所以，在2005年以前，LCD 液晶顯示器一直生活在CRT 顯示器的陰影下。不過與此同時我們也對比看到LCD 液晶顯示器寬廣的發(fā)展前景：可以說純平顯示器是CRT 顯示器發(fā)展的最高水平，然而，由于CRT 顯示器的基本工作原理是依靠高電壓激發(fā)的游離電子轟擊顯示屏而產(chǎn)生各種各樣的圖像，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，沒有太多的發(fā)展余地。受限于此，傳統(tǒng)CRT 顯示器在體積、重量、功耗等方面露出自己的劣勢。當(dāng)時，由于液晶面板廠商基本都是第三代以前的生產(chǎn)線，在切割15、17吋等主流尺寸液晶面板的時候成本居高不下，所以，在那個年代，LCD 的售價也自

80、然居高不下，15吋LCD 液晶顯示器售價達(dá)到4000元以上，和當(dāng)時同樣顯示面積的17吋CRT 顯示器2000多元的價格根本沒有任何優(yōu)勢，所以，在那個年代，LCD 液晶顯示器只是一些奢侈玩家的擺設(shè)品。經(jīng)過2003年LCD 液晶顯示器大幅度調(diào)價，消費者發(fā)現(xiàn)LCD 液晶顯示器的價格與CRT 顯示器進(jìn)一步接近了，尤其是大尺寸LCD 液晶顯示器的售價和同尺寸的CRT 顯示器相比甚至有一些尺寸開始有優(yōu)勢。大家在關(guān)注液晶顯示器的同時，開始注意到在液晶顯示器具備一些獨特的優(yōu)勢。1、大大提高桌面利用率2、易于懸掛、拼接3、接口更豐富、DVI 成為標(biāo)準(zhǔn)配置4、分辨率更高，相同尺寸的可視面積更大從2003年開始，各

81、大顯示器廠商開始意識到一個重要的問題，要提高LCD 液晶顯示器的市場地位，他們當(dāng)務(wù)之急是解決LCD 液晶顯示器拖影問題。所以，我們可以注意到，LCD 液晶顯示器響應(yīng)時間技術(shù)從2003年開始飛速發(fā)展，從早期的50ms 到06年的1ms ，這完全是一個質(zhì)的改變。2003年以前，還是有很多40毫秒甚至是50毫秒的產(chǎn)品的，它們充其量只能應(yīng)付一些基本的文本辦公，游戲應(yīng)用根本無從談起。不少早期的用戶有這種體驗，在CRT 上玩慣魔獸之后，突然換成一臺響應(yīng)時間為30ms 的LCD 液晶顯示器上進(jìn)行游戲，感覺自己操作以后技能和任務(wù)遲遲沒有發(fā)生變化，這就是LCD 液晶顯示器早期被游戲玩家嚴(yán)重詬病的一個地方。1.3

82、 選題目的本課題主要任務(wù)是設(shè)計基于FPGA 的LCD 驅(qū)動電路的設(shè)計和實現(xiàn)，兼顧好程序的易用性，以方便之后模塊的移植和應(yīng)用。最后在FPGA 上顯示任意的英文字符和數(shù)字，另外要能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的變化同步變化LCD 液晶顯示器上顯示的內(nèi)容。同時要能將儲存模塊中的數(shù)據(jù)正常地顯示在LCD 液晶顯示器上。第2章 關(guān)鍵技術(shù)介紹2.1 FPGA 簡介FPGA （Field Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL 、GAL 、CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物；它是作為專用集成電路（ASIC ）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服

83、了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。目前主流的FPGA 依然是基于查找表技術(shù)的，它已經(jīng)很大程度上超出了先前版本FPGA 的基本性能，而且還整合了用戶常用功能（如時鐘管理、RAM 和DSP ）的硬核（ASIC 型）模塊。FPGA 芯片主要分成6個部分，他們分別是：基本可編程邏輯單元、可編程輸入輸出單元、完整的時鐘管理、豐富的布線資源、嵌入塊式RAM 、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。其的基本特點主要有：1、FPGA 可以做為其它的半定制或全定制ASIC 電路中的試樣片。2、采用FPGA 設(shè)計的ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能夠得到想要的芯片。3、FPGA 采用高速CHMOS 工藝，

84、功耗低，可以與CMOS 、TTL 電平兼容。4、FPGA 的內(nèi)部有非常豐富的觸發(fā)器和I O 引腳。5、FPGA 是ASIC 電路中開發(fā)費用最低、設(shè)計周期最短、風(fēng)險最小的器件之一2.2 LCD 簡介2. 2.1 LCD 的簡介LCD 顯示器是Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 液晶顯示器的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃之中放入液態(tài)的晶體，兩片玻璃的中間含有很多垂直的和水平的細(xì)小電線，通過為不同的液晶單元供電來控制桿狀水晶分子方向的改變，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。液晶顯示器具備的一些獨特優(yōu)勢：1、大大提高桌面利用率大屏幕液晶顯示器輕薄的機(jī)身對提高桌面利用率是顯而易見的。19英寸的C

85、RT 顯示器其厚度普遍有40cm 之巨，而當(dāng)時相同尺寸的液晶顯示器厚度不超過4cm ，大大節(jié)約了桌面空間。隨著雙頭輸出顯卡的普及，越來越多的用戶需要同時使用兩臺顯示器，笨重碩大的CRT 顯示器顯然不再適合，液晶顯示器才是最佳對象。2、易于懸掛、拼接大屏幕液晶顯示器大多數(shù)均設(shè)有VESA 標(biāo)準(zhǔn)的懸臂接口，可以方便與各種各樣的懸臂支架配合應(yīng)用在特殊的場合中，而液晶顯示器特有的窄邊框設(shè)計使其在拼接成屏幕墻的時候更加完美。而CRT 由于重量及外形原因，懸掛及拼接電視墻相對成本要高很多，且效果并不理想。3、接口更豐富、DVI 成為標(biāo)準(zhǔn)配置傳統(tǒng)的D-Sub 模擬接口和數(shù)字化的DVI 視頻接口已經(jīng)成為當(dāng)時大屏

86、幕液晶顯示器事實上的標(biāo)準(zhǔn)配置。大家不但可以通過數(shù)字化的視頻接口享受無信號失真的干凈畫面和操控的便利性，還可以通過傳統(tǒng)D-Sub 接口兼容舊顯卡讓兩臺主機(jī)共用同一臺顯示器。多數(shù)大屏幕液晶顯示器還配備了其它模擬視頻輸入接口和3.5毫米音頻輸入接口以供多媒體應(yīng)用，部分產(chǎn)品甚至還配備USB Hub。而小屏幕液晶顯示器由于產(chǎn)品普遍定位較低和可供利用空間有限，只有在某些高端型號才配備部分上述接口。4、分辨率更高，相同尺寸的可視面積更大傳統(tǒng)的CRT 顯示器分辨率普遍要比同尺寸的液晶顯示器要低，17英寸CRT 顯示器的分辨率普遍為1024*768，而17英寸普屏LCD 液晶顯示器支持1280×102

87、4，同時它的可視面積相當(dāng)于19英寸CRT 顯示器的可視面積。更高的分辨率可以在屏幕上顯示更多的資訊，即使以后觀看1920×1080的HDTV 節(jié)目源也不至于丟失太多的像素。另外，更大顯示面積令用戶在欣賞電影時候不再只局限于一個視覺效果最佳的“皇帝位”，即便是23人也能同時看到相同質(zhì)量的畫面。2.2.2 TC 1602液晶模塊簡介一、TC 1602液晶模塊是一種用5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等，最常用的為2行16個字。TC 1602液晶模塊的一些主要技術(shù)參數(shù)：1、邏輯工作電壓（VDD ）：+4.5 +5.

88、5V2、LCD 驅(qū)動電壓（VDD - VL）：+4.5 +13.0V3、工作溫度（Ta ）： 0 60°C （常溫）/-20 75 °C （寬溫）4、工作電流： < 2.0mA5、屏幕視域尺寸： 62.5 × 16.1mm二、TC 1602字符液晶模塊特點1、可與8位或者4位微處理器直接連接；2、內(nèi)置字符發(fā)生器ROM 可提供160種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)字符，包括全部大小寫字母、阿拉伯?dāng)?shù)字及日文片假名，以及32個特殊字符或符號顯示；3、內(nèi)置RAM 可根據(jù)用戶需要，自行設(shè)計定義字符或符號；4、+5V單電源供電；5、低功耗。2.3 系統(tǒng)軟件軟件開發(fā)環(huán)境是利用Xilinx 工具

89、，Xilinx 工具是世界領(lǐng)先的可編程邏輯完整的解決方案的供應(yīng)商，研發(fā)，制造并且銷售應(yīng)用范圍廣泛的高級集成電路，軟件設(shè)計工具。并且，能夠定義系統(tǒng)級功能的IP 核（Intellentual Prorerty），Xilinx 工具長期以來一直致力于推動FPGA 產(chǎn)業(yè)技術(shù)的更新和發(fā)展。Xilinx 開發(fā)工具不斷地升級，由早期的Foundation 系列逐步發(fā)展到如今目前的ISE9.1i 系列，工具集成了FPGA 開發(fā)板所需要的所有功能，此次項目設(shè)計我所采用的是Xilinx ISE8.2i 硬件設(shè)計工具。相對容易使用而且有著獨一無二的PLD 設(shè)計環(huán)境。Xilinx ISE8.2i 硬件設(shè)計工具將先進(jìn)的

90、技術(shù)與靈活性，方便使用性的圖形界面結(jié)合一起，使您在短時間設(shè)計出您想要設(shè)計的硬件設(shè)計。Xilinx ISE8.2i，不管您經(jīng)驗如何，都是硬件設(shè)計新手的最佳選擇工具。Mentor 公司的ModeSim 是業(yè)界最優(yōu)秀最可靠的HDL 語言仿真軟件，它能夠提供簡易的仿真環(huán)境，是業(yè)界唯一在單內(nèi)核支持VHDL 和V erilog 混合仿真的仿真軟件。ModelSim 采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)，Tcl/TK技術(shù)和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，使在編譯仿真時候速度快，編譯的代碼與平臺關(guān)系無關(guān)，便于保護(hù)IP 核，個性化的圖形界面和用戶接口，全面支持VHDL 和V erilog 語言對IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確，除眾多優(yōu)勢之外，它還能

91、夠支持C/C+功能調(diào)試和調(diào)用。ModelSim 最大的特點是強(qiáng)大的調(diào)試功能，先進(jìn)數(shù)據(jù)流窗口，可快速追蹤到產(chǎn)生不定或者錯誤狀態(tài)的最終原因，性能分析工具幫助分析性能的上下瓶頸，加速仿真速率，檢查確保測試的完備性能，多種模式下的波形比較功能，先進(jìn)的Signal Spy強(qiáng)化功能，地址訪問VHDL 或者V erilog 和VHDL 混合設(shè)計中的最底層信號，并且支持加密IP ，可與Matlab 的Simulink 的聯(lián)合仿真功能。此外，ModeSim 的特點還有，RTL 級和門級電路的優(yōu)化，具有集成性能分析，對SystemC 的直接編譯可以與HDL 任意混合。所以說，它是目前世界上對系統(tǒng)級別硬件描述語言綜

92、合仿真工具最全面支持的工具。第3章 系統(tǒng)分析3.1 FPGA 的設(shè)計方法一般用到的FPGA 的設(shè)計方法有“自頂向下”和“自下而上”這兩種。到目前為止大規(guī)模FPGA 設(shè)計經(jīng)常所采用的設(shè)計方法是“自頂向下”的設(shè)計方法。所謂“自頂向下”設(shè)計方法就是采用可以完全獨立于芯片廠商以及他們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的描述語言，在功能級設(shè)計上對設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行定義，然后再結(jié)合其功能仿真技術(shù)，最后確保對產(chǎn)品的設(shè)計的正確性，在對其功能定義完成后，利用邏輯綜合技術(shù)，把功能描述轉(zhuǎn)換成某一含有具體結(jié)構(gòu)芯片的網(wǎng)表文件，輸出最后要給廠商的布局布線器再進(jìn)行布局布線。布局布線的結(jié)果還可以返回同一仿真器，進(jìn)行包括時序和功能的后驗證，以此來保證因為

93、布局布線所帶來的門延時和線延時不會影響到設(shè)計的性能。“自頂向下”的優(yōu)越性是比較顯而易見的。第一，因為它的功能描述可以完全獨立于芯片結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行設(shè)計的最初階段，設(shè)計師完全可以不受芯片結(jié)構(gòu)的約束，集中全部精力對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，因此可以避免了傳統(tǒng)設(shè)計方法所帶來的重新再設(shè)計風(fēng)險，在最大限度上縮短了設(shè)計周期。第二，設(shè)計的再利用得到了保證。目前的電子產(chǎn)品正在向著模塊化方向發(fā)展。所謂模塊化就是對以往設(shè)計得成果進(jìn)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”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(jìn)行存檔，方便將來的重新利用。第

94、三，在設(shè)計規(guī)模上大大提高。簡單的語言描述就可以完成復(fù)雜的功能，且不需要手工繪圖。最后，在芯片的選擇上更加靈活。設(shè)計師可在較短的時間內(nèi)采用所能見到的各種結(jié)構(gòu)芯片來完成同一功能描述，從而在設(shè)計規(guī)模、速度、芯片價格及系統(tǒng)性能要求等方面進(jìn)行平衡，選擇最佳結(jié)果。目前最為常用的功能描述方法是采用均已成為國際標(biāo)準(zhǔn)的兩種硬件描述語言VHDL 和V erilog HDL。本課題使用的為V erilog HDL。3.2 Verilog HDL和VHDL 的異同V erilog HDL和HDL 都是用于邏輯設(shè)計的硬件描述語言，并且都已成為IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。VHDL 是在1987年成為IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，而V erilog

95、 HDL則是在1995年才正式成為IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。之所以VHDL 比V erilog HDL更早成為IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，是因為VHDL 是美國軍方組織開發(fā)的，而V erilog HDL 只是從一個普通的民間公司的私有財產(chǎn)轉(zhuǎn)化而來，基于V erilog HDL 的優(yōu)越性，才成為的IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，因而有更強(qiáng)的生命力。VHDL 其英文全名為VHSIC HARDWARE DESCRIPTION Language，而VHSIC 則是V ery High Speed Integerated CIRCUIT 的縮寫詞，譯為甚高速集成電路，所以VHDL 準(zhǔn)確的中文譯名為甚高速集成電路的硬件描述語言。V erilo

96、g HDL和VHDL 作為描述硬件電路設(shè)計的語言，他們共同的特點在于：可借用高級語言的精巧結(jié)構(gòu)來簡化電路行為的描述、支持邏輯設(shè)計中層次與范圍的描述、能形式化地抽象表示電路的行為和結(jié)構(gòu)、具有電路仿真與驗證機(jī)制以保證設(shè)計的正確性、支持電路描述由高層到低層的綜合轉(zhuǎn)換、硬件描述與實現(xiàn)工藝無關(guān)(有關(guān)工藝參數(shù)可通過語言提供的屬性包括進(jìn)去 、便于文檔管理、易于理解和設(shè)計重用。在這些共同點的基礎(chǔ)上，V erilog HDL和VHDL 又各有其自己的特點。由于V erilog HDL 早在1983年就已推出，至今已有近二十年的應(yīng)用歷史，因而V erilog HDL 擁有更廣泛的設(shè)計群體，成熟的資源也遠(yuǎn)比VHDL

97、 豐富。與VHDL 相比V erilog HDL 的最大優(yōu)點是：它是一種非常容易掌握的硬件描述語言，只要有C 語言的編程基礎(chǔ)，通過一段時間的學(xué)習(xí)，再加上一段實際操作，就可以掌握這種設(shè)計技術(shù)。但是掌握VHDL 設(shè)計技術(shù)就比較困難。這是因為VHDL 不是很直觀，需要有Ada 編程基礎(chǔ)，一般認(rèn)為需要較長時間的專業(yè)培訓(xùn)，才能掌握VHDL 的基本設(shè)計技術(shù)。目前版本的V erilog HDL和VHDL 在行為級抽象建模的覆蓋范圍方面也有所不同。一般認(rèn)為V erilog HDL 在系統(tǒng)級抽象方面比VHDL 略差一些，而在門級開關(guān)電路描述方面比VHDL 強(qiáng)得多。3.3 TC1602液晶模塊的工作方式本課題中使

98、用的TC 1602液晶模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其引腳功能如下： 第1腳：VSS 為電源地，接GND 。第2腳：VDD 為電源，接+5V電源。第3腳：VL 為液晶顯示器對比度調(diào)節(jié)端，接地電源時對比度最高，接正電源時對比度最弱，對比度過高的時候顯示器上會產(chǎn)生“鬼影”，在使用的時侯可以通過一個10K 左右的電位器來調(diào)整其對比度。第4腳：RS 為寄存器選擇端，低電平時選擇為指令寄存器，高電平時選擇為數(shù)據(jù)寄存器。第5腳：RW 為讀寫信號線端，低電平時進(jìn)行得是寫操作，高電平時進(jìn)行的是讀操作。當(dāng)RW 為高電平RS 為低電平時可以讀忙信號，當(dāng)RW 和RS 共同為低電平時可以顯示地址或者寫入指令，當(dāng)RW 為低

99、電平RS 為高電平時可以寫入數(shù)據(jù)。如果不需要讀操作，那么該引腳可直接接地。第6腳：E 端為使能端，當(dāng)E 端由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r，液晶模塊開始執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：BLA 背光電源正極(+5V輸入引腳。第16腳：BLK 背光電源負(fù)極，接GND 。TC 1602液晶模塊內(nèi)部自帶標(biāo)準(zhǔn)字庫，內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM ）存儲了192個5×7點陣字符，32個5×10點陣字符。除此之外還有字符生成RAM （CGRAM ）512字節(jié)，供用戶自定義字符。如表3.1所示，這些字符有：大小寫的英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、日文假名和常用的符號等，每一個字符都

100、固定有一個的代碼相對應(yīng)，例如大寫英文字母“A ”所對應(yīng)的代碼是01000001B （41H ），需要顯示時模塊就把地址41H 中所代表的點陣字符圖形顯示出來，就能在TC 1602液晶顯示器上看到字母“A ”。表3.1 CGROM和CGRAM 中字符代碼與字符圖形對應(yīng)關(guān)系 TC 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表3.2所示。它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）指令1：清顯示。功能：送20H “空代碼”到所有的DDRAM 中，清除所有顯示數(shù)據(jù)，并將DDRAM 地址計數(shù)器（AC ）清零，光標(biāo)返回至原始狀態(tài)，設(shè)置I/D=H，AC 為

101、自動加一的輸入方式。指令2：光標(biāo)復(fù)位。功能：不改變DDRAM 中的內(nèi)容，只將DDRAM 地址計數(shù)器（AC ）清零光標(biāo)返回到原始狀態(tài)，若有滾動效果，撤銷滾動效果，將畫面拉回到home 位。表3.2 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令 指令3：輸入方式設(shè)置。功能：設(shè)置光標(biāo)的移動方向，并且指定整體的顯示有沒有移動，用來設(shè)置需要顯示字符的輸入方式，在計算機(jī)的讀/寫DDRAM 或CGRAM 后，地址指針的修改方式，反映在效果上，寫入字符畫面或光標(biāo)的移動。該子令的兩個參數(shù)位I/D和SH 確定了字符的輸入方式。I/D表示計算機(jī)讀/寫DDRAM 或CGRAM 后，地址的修改方式，也是光標(biāo)的移動方式

102、：I/D=0：光標(biāo)自右往左移動，AC 減一。I/D=1：光標(biāo)自左往右移動，AC 加一。SH 表示在寫入字符時，是否允許顯示畫面的滾動方式：SH=0：允許滾動。SH=1：禁止?jié)L動。指令4：顯示開關(guān)控制。功能：該指令用來控制閃爍，光標(biāo)及畫面的開和關(guān)。有三個狀態(tài)位：B 、C 、D ：B ：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍；C ：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)；D ：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示。指令5：光標(biāo)或顯示整體顯示移位位置。功能： S/C和R/L對應(yīng)操作：0 0：光標(biāo)由右向左移動且AC 減一。顯示不動0 1：光標(biāo)由左向右移動且AC 加

103、一。顯示不動1 0：所有顯示由右向左移動，光標(biāo)跟隨移動，AC 減一1 1：所有顯示由左向右移動，光標(biāo)跟隨移動，AC 加一指令6：功能設(shè)置命令。功能：設(shè)置接口數(shù)據(jù)位數(shù)以及顯示模式。DL ：高電平時為8位數(shù)據(jù)接口模式，DB0到DB7有效，低電平時為4位數(shù)據(jù)接口模式，DB4到DB7有效。在這種模式下傳送的方式為先告4位，后低4位。N ：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F ：低電平時顯示5x7的點陣字符，加光標(biāo)，高電平時顯示5x10的點陣字符，加光標(biāo)。指令7： CGRAM 地址設(shè)置。功能：將CGRAM 地址送入AC 中。隨后計算機(jī)歲數(shù)據(jù)的操作是對CGRAM 的讀/寫操作。指令8：DDRAM 地址

104、設(shè)置。功能：將DDRAM 地址送入AC 中。N 為低電平時，DDRAM 范圍為80H 到FFH ，N 為高電平時，第一行DDRAM 地址范圍為80H 到BFH ，第二行DDRAM 地址范圍為C0H 到FFH 。指令9：讀忙標(biāo)志位及地址。功能：最高位（BF ）為忙信號位，低7位為地址計數(shù)器的內(nèi)容。BF=1：內(nèi)部正在執(zhí)行操作，此時要執(zhí)行下一指令需要等待，到BF=0在繼續(xù)執(zhí)行。指令10：寫數(shù)據(jù)。功能：寫數(shù)據(jù)到CGRAM 或DDRAM 。RS 為高電平，RW 為低電平，為數(shù)據(jù)的寫操作；RS 和RW 均為低電平，為指令的寫操作。執(zhí)行寫操作后，地址自動加/減1（更具輸入方式設(shè)置指令）。指令11：讀數(shù)據(jù)。功

105、能：從CGRAM 或DDRAM 讀出8位數(shù)據(jù)。如果從DDRAM 讀數(shù)據(jù)，則執(zhí)行讀操作后，地址自動加/減1（更具駛?cè)敕绞皆O(shè)置指令）。其中，CLK 、RST 分別是50MHZ 時鐘和復(fù)位輸入信號，RST 低電平有效，RS 、RW 、E 和data 分別為與液晶顯示屏控制芯片連接的控制信號。RS 為寄存器選擇控制輸出信號，當(dāng)RS 為低電平時，表示數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)氖敲羁刂菩盘?，?dāng)RS 為高電平時，表示數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號；RW 為讀/寫控制輸出信號，當(dāng)RW 為低電平時，表示向液晶顯示屏控制芯片寫數(shù)據(jù)，反之，為讀取數(shù)據(jù)；E 為讀/寫操作允許控制脈沖輸出信號，高電平有效；data 為數(shù)據(jù)信號。然后介紹

106、一下FPGA 向液晶顯示屏控制芯片發(fā)送指令的流程，上電后，必須傳送給液晶顯示屏控制芯片初始化命令，初始化結(jié)束后，還要傳輸指定地址、計數(shù)器地址和顯示字符的編碼數(shù)據(jù)，。接通電源后，F(xiàn)PGA 向液晶顯示屏控制芯片發(fā)送指令的流程如下圖所示。3.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境硬件配置：TC1602液晶模塊操作系統(tǒng)： Windows xp仿真工具：ModelSim開發(fā)語言：V erilog3.5 系統(tǒng)任務(wù)的可行性分析在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，要基于高級數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與驗證的指導(dǎo)思想為設(shè)計方法，首先要對本設(shè)計的算法實現(xiàn)有一個整體上的學(xué)習(xí)以及周邊知識的了解，思想上保持統(tǒng)一，實現(xiàn)整體框圖設(shè)計，然后對流程圖設(shè)計，以求最簡化。再由流程圖，準(zhǔn)確提取出數(shù)據(jù)通道和控制單元。在數(shù)據(jù)通道的提取中，規(guī)劃出所需要的單元模塊，模塊之間鏈接的關(guān)系。并且考慮最終生成系統(tǒng)的可行性。控制單元也是系統(tǒng)的一個重要組成部分，控制單元可由