基于嵌入式Linux的TFT LCD IP及驱动的设计

文章摘要：系统总体设计方案本系统的总体设计框图如图1所示。图1 系统框图Nios II处理器在SDRAM中开辟帧缓冲(Frame buffer)，可以是单缓冲也可以是双缓冲。以单缓冲为例。处理器将一帧图像数据(640×480×2Bytes，RGB565，16bit)存入帧缓冲，然后将帧缓冲的首地址写入到LCD控制器，并启动LCD控制器。该控制器自动从传来的首地址处开始读取数据，并按照TFT的格式输出。图中各模块由Avalon Bus连接在一起。Avalon Bus是一种简单的总线结构，Nios II处理器和各种外设都是通过Avalon Bus连接在一起。由图1可以看出，作为Slaver的SDRAM Co

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系统总体设计方案

　　本系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统框图

　　Nios II处理器在SDRAM中开辟帧缓冲(Frame buffer)，可以是单缓冲也可以是双缓冲。以单缓冲为例。处理器将一帧图像数据(640×480×2Bytes，RGB565，16bit)存入帧缓冲，然后将帧缓冲的首地址写入到LCD控制器，并启动LCD控制器。该控制器自动从传来的首地址处开始读取数据，并按照TFT的格式输出。图中各模块由Avalon Bus连接在一起。Avalon Bus是一种简单的总线结构，Nios II处理器和各种外设都是通过Avalon Bus连接在一起。由图1可以看出，作为Slaver的SDRAM Controller分别要受到Processor 和LCD Controller的控制，为了解决总线冲突，Avalon Bus自动在有冲突的接口上加入了Arbitrator这样一个仲裁模块，用于合理分配总线时间，用户通过改变每个模块的权值来改变对其分配总线时间的多少。在这个系统中，SDRAM Controller是影响整个系统性能的关键。以SDRAM时钟频率为100MHz计算，16bit的SDRAM其数据总带宽为200MByte/s，640×480×2Bytes×60Hz的TFT LCD要占用36MByte/s左右的带宽，这对于还要处理其他任务的处理器来说是很大的影响。

LCD控制器的FPGA实现

Avalon Bus Slaver从总线接口模块实现

　　Avalon从总线接口负责处理器与LCD控制器的接口控制，LCD控制器在整个系统中作为从设备，NIOS II通过该接口对控制寄存器进行设置，控制LCD。

　　LCD从模块有四个32bit的可读写寄存器，用于控制LCD控制器的工作和指示其工作状态。

Avalon Bus DMA Master主设备接口模块实现

　　Avalon Bus DMA Master负责按照控制模块的指令，读取SDRAM中的数据，并写入到FIFO中，其核心部分是DMA地址累加器。当条件满足时，地址累加器开始在100MHz的时钟下以4为单位开始累加用于生成读取SDRAM的地址。读完一帧的数据后，自动复位到首地址，继续累加。

　　主设备接口采用带延迟的主设备读传输模式，在这种传输模式下，即使没有接收到上一次的有效数据，主设备也可以发起下一次读命令。当waitrequest信号无效(低电平)时，主设备可以连续的发起读命令，当waitrequest信号有效(高电平)时，主设备开始等待，直到其变为低电平。当readdatavalid信号有效(高电平)时，表示读数据有效，此时主设备可以锁存数据口上的有效数据。这里没有使用flush信号，flush信号会清除前面一切未完成的读命令。Avalon总线保证数据的输出顺序与主设备要求的顺序一致(即与主设备地址输出顺序一致)。readdatavalid信号可以作为FIFO的wrreq信号，这样可以直接将读出来的数据写入到FIFO中。当前地址等于尾地址时，则复位累加器，使之重新开始从首地址累加。地址累加器代码模块如图3。

图2 LCD BSF图

图3 设备接口模块BSF图

FIFO模块实现

　　FIFO的作用是对DMA输出的图像数据进行缓存，以匹配时序控制模块的输出速度。FIFO大小暂定为4096×16bit，在实际设计时，再根据系统需要以及资源状况做出适当调整。原则是，在系统资源允许的情况下，将FIFO大小尽量设置大点。

　　FIFO由DMA控制器写入数据，写入时钟为100MHz；由LCD控制器的时序发生模块读出数据，读出时钟为PCLK，即LCD的像素点扫描频率，通常取25MHz。在独立的写时钟和读时钟作用下，FIFO可以提供rdusedw[11:0]信号，用于指示FIFO中已经使用掉的容量。系统可以设置一个上限和一个下限，当FIFO中的数据量高于上限或低于下限时，控制器暂停DMA传输或启动DMA传输，用以保证系统性能。

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