兼容WHISHBONE總線的LED數(shù)碼管顯示控制器設(shè)計(jì)

1 引言

顯示器件是電子設(shè)備中不可缺少的部分，從燈泡，陰極射線管(CRT，cathode-ray tube)顯示器，到發(fā)光二級(jí)管(LED，light-emitting diode)，液晶顯示屏(LCD，Liquid CrystalDisplay)，顯示器件的發(fā)展伴隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展。目前，在小型便攜式電子設(shè)備中，LED和LCD顯示器件成為主要的顯示器件，其中發(fā)光二級(jí)管和IJED數(shù)碼管，主要用于狀態(tài)指示和數(shù)字字符顯示，LCD主要用于文字和圖形顯示。LED數(shù)碼管是用發(fā)光二級(jí)管組成字符筆畫或點(diǎn)
陣，用于顯示簡單字符和圖形。最常用的是七段LED數(shù)碼管，它用發(fā)光二級(jí)管組成數(shù)字字符8的七段筆畫，至少可以顯示十六進(jìn)制數(shù)字的十六個(gè)字符，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示，常用于在電子設(shè)備上顯示數(shù)字字符串。其特點(diǎn)主要在于使用簡單，價(jià)格低廉，顯示亮度高，功耗小。器件可靠性很高。 在中小規(guī)模集成電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有專用的IED譯碼集成電路可以使用。在片上系統(tǒng)(SOC，System OnChip)的設(shè)計(jì)過程中，也會(huì)經(jīng)常用到LED顯示控制器，但都是根據(jù)應(yīng)用需求單獨(dú)設(shè)計(jì)，可重用性差。本文設(shè)計(jì)的LED數(shù)碼管顯示控制器就是用于控制多位LED數(shù)碼管進(jìn)行掃描顯示的一個(gè)IP核，并且兼容WISHBONE總線，提高了IP核設(shè)計(jì)的可重用性，可以方便移植到任何使用WISHBONE總線的系統(tǒng)中。

2 WISHBONE總線簡介

WISHBONE總線［1］，全稱WISHBONE片上系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，是一種主要用于片上系統(tǒng)(SOC，Sys-tem 0n Chip)的總線標(biāo)準(zhǔn)。最初是由Silicore公司提出的?，F(xiàn)在已被移交給開源組織OpenCores維護(hù)。它因結(jié)構(gòu)極其簡單、靈活、可移植性好，又完全公開、完全免費(fèi)，在SOC設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得眾多支持，在開源社區(qū)有大量可以免費(fèi)使用的兼容WISHBONE總線的IP核。

WISHBONE總線采用的是Master／Slave的構(gòu)架，主、從部件通過內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，由Master來發(fā)起每次與Slave之間的數(shù)據(jù)傳輸。從設(shè)備只能響應(yīng)總線周期。它只定義了一種總線結(jié)構(gòu)--高速總線。如果是一個(gè)低速外部設(shè)備連接到總線上，則主設(shè)備或從設(shè)備可以在總線周期中插入若干等待周期來協(xié)調(diào)設(shè)備之間的速度。這樣要比設(shè)計(jì)兩個(gè)不同的總線接口簡單。Wishbone著重定義了IP核的接口信號(hào)和總線周期標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)IP核的重用，對于主從部件的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)(point-to-point)、數(shù)據(jù)流(dataflow)、共享總線(shared bus)、交叉開關(guān)(crossbarswitch)四種不同結(jié)構(gòu)形式。用戶必須根據(jù)具體情況對協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展和詳細(xì)設(shè)計(jì)，定義數(shù)據(jù)和地址寬度，數(shù)據(jù)順序和標(biāo)簽的意義。其它的許多特性都可以由用戶自行添加，從這個(gè)意義上說，Wishbone更像是給出了一個(gè)框架，等待用戶提出具體的實(shí)現(xiàn)方法和規(guī)范。Wishbone總線的主要特征概括如下：

所有應(yīng)用使用一個(gè)總線體系結(jié)構(gòu)：

簡單、緊湊的體系結(jié)構(gòu)；

支持多控制器：

64位地址空間：

8～64位數(shù)據(jù)總線(可擴(kuò)展)；

支持三種總線周期：單次讀寫，塊讀寫和RMW(READ-MODIFY-WRITE)總線周期；

支持重試：

提供為慢速設(shè)備使用而扼制數(shù)據(jù)流的機(jī)制：

用戶自定義標(biāo)簽，確定數(shù)據(jù)傳輸類型；

用戶自定義仲裁方式。

3 LED數(shù)碼管顯示控制器設(shè)計(jì)

3．1功能及其主要特點(diǎn)

LED數(shù)碼管的顯示控制方式有掃描控制和獨(dú)立控制兩種方式。前者用于多位LED數(shù)碼管并列顯示的情況下，共用段控信號(hào)，通過掃描位控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)顯示。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，形成多位LED數(shù)碼管同時(shí)并列顯示的效果。這種方式的實(shí)現(xiàn)有軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩種，軟件實(shí)現(xiàn)是由程序控制掃描過程，硬件實(shí)現(xiàn)是由專用芯片或邏輯電路控制掃描過程，程序只需向掃描控制電路寫入控制字和各位數(shù)碼管的段碼或字符的BCD(Binary CodedDecimal)碼即可。獨(dú)立控制方式用于單獨(dú)一位或位數(shù)較少的情況，由主控設(shè)備獨(dú)立控制每一個(gè)數(shù)碼管的段控信號(hào)和位控信號(hào)。前一種控制方式下，對于多位數(shù)碼管的情況，可以有效減少連線數(shù)量，但控制過程相對復(fù)雜。后一種控制方式下顯示控制方式相對簡單，但不適合多位并列顯示的情況。

IED數(shù)碼管的段碼排列如圖1所示。

其編碼順序?yàn)锳 B C D E F G Dp。

本文設(shè)計(jì)的LED顯示控制IP核是一個(gè)LED數(shù)碼管掃描顯示控制模塊。這個(gè)IP核可以同時(shí)控制8位LED數(shù)碼管并列顯示，每一位都可以獨(dú)立控制打開或關(guān)閉，當(dāng)某一位關(guān)閉時(shí)，該位將不再顯示。可以接共陰或共陽的數(shù)碼管，只需向IP核寫入數(shù)碼管類型控制位即可。為了實(shí)現(xiàn)顯示字符的靈活性，每位顯示的字符直接由段碼控制。

3．2結(jié)構(gòu)

該IP核的結(jié)構(gòu)如圖2所示。IP核包括WISHBONE總線接口，寄存器組和顯示掃描控制邏輯。

寄存器緩包括段碼寄存器和控制寄存器，段碼寄存器存儲(chǔ)相應(yīng)位的顯示段碼數(shù)據(jù)，控制寄存器存儲(chǔ)掃描控制數(shù)據(jù)。顯示掃描控制邏輯在總線時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)控制寄存器內(nèi)容，分時(shí)輸出位控信號(hào)和段控信號(hào)，形成8位LED數(shù)碼管的掃描顯示效果。

WISHBONE總線接口支持16位地址總線，8位數(shù)據(jù)總線，支持單次讀寫，塊讀寫，RMW總線周期。地址總線采用部分譯碼，取最低四位，使用16B地址空間。

3．3寄存器

IP核內(nèi)部寄存器包括八個(gè)段碼寄存器和兩個(gè)掃描控制寄存器。寄存器列于表1。

表中WO表示該寄存器的讀寫方式為只寫。

LED顯示段碼寄存器x(LED-Dx)存儲(chǔ)一位LED數(shù)碼管的段碼數(shù)據(jù)(A B C D E F G Dp)。LED-Dx(n)=l，表示該段顯示，LED-Dx(n)=0，表示該段熄滅。總線復(fù)位時(shí)，其內(nèi)容清零，要在某位顯示某一字符，需要通過總線把段碼寫入相應(yīng)位的段碼寄存器。

LED顯示控制寄存器1(LED-CTRLl)存儲(chǔ)8位LED數(shù)碼管的顯示開關(guān)數(shù)據(jù)，其中每一位對應(yīng)一位數(shù)碼管。LED-CTRLl(n)=1，表示該位顯示，LED-CTRLl(n)=0，表示該位不顯示，掃描控制電路會(huì)跳過該位?？偩€復(fù)位后其內(nèi)容清零，要顯示某位，應(yīng)首先在該寄存器相應(yīng)位寫入1。

LED顯示控制寄存器2(LED-CTRL2)只使用一位，存儲(chǔ)IED數(shù)碼管的類型，控制8位數(shù)碼管的顯示。LED-CTRL2(0)=1，表示LED數(shù)碼管是共陽的，LED-CTRL2(0)=0，表示LED數(shù)碼管為共陰的?？偩€復(fù)位后其內(nèi)容清零，開始進(jìn)行顯示前，應(yīng)首先在該寄存器寫入數(shù)碼管類型控制位。

3．4輸入輸出接口

IP核全部寄存器為只寫。復(fù)位后全部清零，所以缺省情況下，IJED數(shù)碼管為共陰型，8位全部不顯示，每位數(shù)碼管的段顯示都處于熄滅狀態(tài)。在開始進(jìn)行顯示操作前，應(yīng)首先寫LED數(shù)碼管類型控制位，然后根據(jù)外接數(shù)碼管的個(gè)數(shù)和顯示需要，通過總線寫控制寄存器LED-CTRLl，打開要顯示的位。隨后只需更新段碼寄存器，就可以顯示相應(yīng)的字符了。

在總線頻率為10MHz情況下，該IP核的顯示刷新頻率為52Hz，沒有閃爍感覺。如果使用中，總線頻率與此不同，可以修改IP核參數(shù)，使刷新頻率保持在50Hz以上即可。

4仿真與綜合

4．1功能仿真

通過總線，在LED-CTRL2中寫入0x01，設(shè)定LED數(shù)碼管的類型為共陽。在LED一CTRLl中寫入0xFF.8位數(shù)碼管全部打開。然后在段碼寄存器LED DO一7中分別寫入字符O一7的段碼(小數(shù)點(diǎn)不顯示)：OxFC，Ox6O，OxDA，OxF2，Ox66，OXB6，OxBE，OXEO。在上述條件下對LED顯示控制IP核進(jìn)行功能仿真。仿真使用ModelSim 6．1f。

總線讀寫時(shí)序仿真結(jié)果如圖3所示。

4．2綜合

在Ahera Quartus 74l上對該IP核進(jìn)行綜合，目標(biāo)器件選擇Altera的Cyclone II EP2C70F672C6。綜合結(jié)果如下：

占用資源：邏輯單元224；

寄存器94；

估計(jì)頻率：279．4 MHz。

5總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的LED數(shù)碼管顯示控制器IP核，已經(jīng)在我們設(shè)計(jì)的采控系統(tǒng)中成功應(yīng)用，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在SOC的設(shè)計(jì)過程中，以IP核為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為主流，IP核的重用是一個(gè)不可輕視的問題，而采用統(tǒng)一的總線接口規(guī)范是解決IP核重用問題的重要途徑［3］_。本文的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循了WISH-BONE Rev．B．3規(guī)范，在任何采用該規(guī)范設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，可以直接使用。本文的設(shè)計(jì)對可復(fù)用IP核和SOC的設(shè)計(jì)起到一定借鑒作用。