基于NiosⅡ軟核處理器的七段數(shù)碼管動態(tài)顯示

SOPC(System On Programmable Chip)技術(shù)是美國Altera公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應(yīng)的開發(fā)軟件Quartus II。SOPC是基于FPGA解決方案的SOC(System On Chip)，構(gòu)成SOPC的方案也有多種。第一種是基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)，即在FPGA中事先植入嵌入式系統(tǒng)處理器，目前最常用的嵌入式處理器大多采用了含有ARM的32位知識產(chǎn)權(quán)處理器核的器件。第二種是基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)，目前最有代表性的軟核處理器分別是Altera公司的Nios II核，以及Xilinx公司的MicroBlaze核。第三種是基于HardCopy技術(shù)的SOPC系統(tǒng)，HardCopy就是利用原有的FPGA開發(fā)工具，將成功實現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向ASIC轉(zhuǎn)化。

1 基于Altera公司NiosⅡ軟核處理器的SOPC系統(tǒng)

Altera公司Nios II軟核是目前使用最為廣泛的一種軟核處理器。值得一提的是，利用Matlab和Altera公司的DSP Builder，用戶可以為Nios II軟核處理器設(shè)計各類DSP硬件加速器，并以指令的方式加入Nios II的指令集，從而可以構(gòu)建自己的DSP處理器系統(tǒng)。

1.1 基于NiosⅡ軟核處理器的SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示的一個基本的基于NiosⅡ軟核的SOPC系統(tǒng)，除NiosⅡ核、定時器和片上存儲器以外，還需要在FPGA器件中添加一些接口元件。這些元件一方面通過片上的Avolon總線與NiosⅡ軟核相連，另外一方面又提供了外設(shè)與NiosⅡ軟核通信的接口界面。

Altera公司QuartusⅡ軟件中的SOPC Builder工具提供了許多常用的外設(shè)接口元件，如UART接口元件、PIO接口元件等，通過這些接口元件可以連接諸如RS232、LED、數(shù)碼管和按鍵等輸入輸出設(shè)備。在相對復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計當中，還可以通過Avalon三態(tài)總線橋外接大容最的SRAM和FLASH，以提供更大的程序和數(shù)據(jù)存儲空間。從圖1中，還可以注意到，通過使用系統(tǒng)提供的用戶自定制外設(shè)接口元件的功能，用戶可以在系統(tǒng)中添加一個符合Avalon總線規(guī)范的外設(shè)接口元件，以連接用戶特定功能的外部設(shè)備。

1.2 自定制Avalon用戶外設(shè)接口元件簡介

對于自定制的Avalon外設(shè)接口元件按照Avalon總線操作的不同可以分為兩類：Avalon Slave外設(shè)接口元件型的自定制的Avalon Slave外設(shè)接口元件框圖。從圖2中可以看到寄存器的定義是自定制外設(shè)接口元件很重要的一部分，必須根據(jù)設(shè)計的需要確定寄存器的個數(shù)和種類。圖2中的Avalon Slave接口提供了自定制外設(shè)接口元件與NiosⅡ處理器之間數(shù)據(jù)交換的界面，其接口信號類型也必須根據(jù)設(shè)計的需要合理地進行選擇。常用的Avalon Slave接口信號類型有：clk，chipselect，address，write，writedata，byteenable，reset等。圖2中的任務(wù)邏輯具體說明了自定制外設(shè)接口的功能，并給出了與外設(shè)連接的接口信號。

自定制Avalon Slave外設(shè)接口元件的方法：可以利用SOPC Builder提供的元件編輯器在圖形用戶界面下將用硬件描述語言(Verilog或VHDL)描述的用戶邏輯封裝成一個SOPC Builder元件。相應(yīng)的硬件描述語言文件給出了自定制外設(shè)接口元件的內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)，使用到的Avalon Slave接口信號和自定制外設(shè)接口的邏輯功能。一旦定制成功后，用戶自定制的外設(shè)接口就可以象SOPCBuilder中其他元件一樣被調(diào)用。

2 基于NiosⅡ軟核處理器的七段數(shù)碼管動態(tài)顯示設(shè)計

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，用數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)結(jié)果是常用的一種方法。利用Altera的SOPC Builder工具進行Nios Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計時，并沒有提供專門的數(shù)碼管顯示接口元件，但可以使用PIO元件驅(qū)動數(shù)碼管顯示，不足之處是占用器件引腳數(shù)目過多。本文當中以自定制Avalon Slave外設(shè)接口元件的方式，給出了一種基于NiosⅡ軟核的七段數(shù)碼管動態(tài)顯示設(shè)計方案。該設(shè)計可以用來驅(qū)動1～8個共陰極(或共陽極)數(shù)碼管的顯示，可以根據(jù)需要選擇小數(shù)點顯示的位置，每個數(shù)碼管可以顯示0～F之間的十六進制字符。

圖3為自定制的數(shù)碼管動態(tài)顯示接口元件邏輯結(jié)構(gòu)圖，其中定義了2個寄存器display_data_reg和controlreg。display_data_reg是個一個32位二進制的數(shù)據(jù)寄存器，其數(shù)據(jù)每4位可以譯碼得到1個數(shù)碼管的七段顯示所需的字符碼，因此，display_data_reg同時最多可以給出8個數(shù)碼管所需要的顯示數(shù)據(jù)。control_reg是一個8位二進制的控制寄存器，但只定義了0～2位和第4位的含義。0～2位的數(shù)據(jù)給出了小數(shù)點顯示的位置，數(shù)值范圍在“000”～“111”之間，對應(yīng)著8個數(shù)碼管最低位到最高位的小數(shù)點的位置。第4位是數(shù)碼管顯示的啟動停止位，當該數(shù)據(jù)位為1時，可使自定制接口元件所驅(qū)動的數(shù)碼管正常顯示結(jié)果；當該數(shù)據(jù)位為0時，停止顯示，所有被驅(qū)動的數(shù)碼管熄滅。

參數(shù)n定義了循環(huán)加法計數(shù)器的模數(shù)，同時也決定了驅(qū)動數(shù)碼管顯示的個數(shù)，其取值范圍在1～8之間。clkdisplay是循環(huán)加法計數(shù)器的時鐘輸入，他決定了計數(shù)器的計數(shù)頻率，同時也決定了數(shù)碼管顯示的動態(tài)掃描頻率。參數(shù)pos用于決定驅(qū)動數(shù)碼管的類型，其值可設(shè)定為0或1。當其值為0時，seg_out字符碼輸出高電平有效，bit_control數(shù)碼管位選控制輸出低電平有效，此時輸出結(jié)果用于驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示；當pos值為1時，seg_out字符碼輸出低電平有效，bit_control數(shù)碼管位選控制輸出高電平有效，此時輸出結(jié)果用于驅(qū)動共陽極數(shù)碼管顯示。

seg_out為自定制元件的字符碼輸出，用于驅(qū)動數(shù)碼管顯示(包括小數(shù)點位)。其中，最高一位seg_out[7]用于驅(qū)動對應(yīng)數(shù)碼管的小數(shù)點顯示，低7位seg_out[6..0]用于驅(qū)動數(shù)碼管的七段寧符顯示。圖3中數(shù)碼管七段譯碼器根據(jù)循環(huán)加法計數(shù)器的當前狀態(tài)值，從display_data_reg寄存器中選擇4位二進制數(shù)據(jù)進行譯碼。例如，當前驅(qū)動的數(shù)碼管的個數(shù)為5個(即n=5)，循環(huán)加法計數(shù)器的當前狀態(tài)值用count表示，則count在0～4范圍內(nèi)變化；若計數(shù)器的當前狀態(tài)值count為2，則選擇寄存器display_data_reg[11..8]的4位二進制數(shù)據(jù)進行譯碼，若計數(shù)器的當前狀態(tài)值count為3，則選擇寄存器display_data_reg[15..12]的4位二進制數(shù)據(jù)進行譯碼，即總是選擇寄存器display_data_reg[(count+1)×4-1..count×4]的4位二進制數(shù)據(jù)進行譯碼。寄存器control_reg的低3位指明了小數(shù)點顯示的位置，如control_reg[2..0]的值為“000”，則第0位數(shù)碼管的小數(shù)點點亮，若control_reg[2..0]的值為“010”，則第2位數(shù)碼管的小數(shù)點點亮。因為，循環(huán)計數(shù)器的狀態(tài)值count反應(yīng)了數(shù)碼管動態(tài)顯示過程中當前數(shù)碼管顯示的位皆，因此，數(shù)碼管小數(shù)點譯碼器只要比較control_reg[2..0]與count的值，若兩者相等，seg_out[7]輸山有效值(共陰極輸出為高電平，共陽極輸出為低電平)即可驅(qū)動對應(yīng)數(shù)碼管的小數(shù)點點亮。

bit_control為自定制元件的位選控制輸出，其數(shù)據(jù)寬度為n位二進制，與要驅(qū)動的數(shù)碼管的個數(shù)是一致的。上面已經(jīng)提到，循環(huán)加法計數(shù)器的狀態(tài)值count反應(yīng)了當前數(shù)碼管顯示的位置。因此，只要根據(jù)count的值，使得bit_control對應(yīng)位輸出有效值即可。例如，n取值為5，pos取值為0(即驅(qū)動共陰極數(shù)碼管)，若計數(shù)器的當前狀態(tài)值count為2，則bit_control的輸出結(jié)果為“11011”，若count為4，則bit_control的輸出結(jié)果為“01111”。

自定制元件的設(shè)計采用的是VHDL語言，其實體描述如下面程序所示：

從上面的程序可以看到：n和pos定義成了類屬變量，當完成接口元件的定制以后，類屬變量在自定制元件的設(shè)置窗口中將以用戶參數(shù)的形式出現(xiàn)，如圖4所示，用戶可以設(shè)置其值。

實體描述當中除定義了自定制元件與外部設(shè)備的接口信號clk_display，seg7_out，bit_control信號以外，還定義了 Avalon Slave接口信號，NiosⅡ軟核通過這些信號訪問自定制元件中定義的寄存器。前面介紹的兩個寄存器display_data_reg和control_reg是在程序的結(jié)構(gòu)體說明部分定義的，具體語句如下：

signal display_data_reg：std_logic_vector(31downto 0)；
signal control_reg：std_logic_vector(7 downto 0)；

結(jié)構(gòu)體中還完成了所定義的兩個寄存器的數(shù)據(jù)寫入操作。圖3中所示的模n循環(huán)加法計數(shù)器、七段譯碼器、小數(shù)點譯碼器和位譯碼器也在結(jié)構(gòu)體中按上面所介紹的功能設(shè)計完成。

3 實驗結(jié)果

為了驗證用于驅(qū)動七段數(shù)碼管動態(tài)顯示的自定制元件功能，實驗中使用SOPC Builder建立了一個最簡單的NiosⅡ系統(tǒng)。該NiosⅡ系統(tǒng)添加了3個元件，名稱為cpu_0的NiosⅡ軟核處理器；名稱為seg7的自定制元件，用于完成數(shù)碼管的顯示驅(qū)動；名稱為onchip_RAM的片上隨機存儲器，存放調(diào)試時的程序代碼以及用作程序運行空間。生成的NiosⅡ系統(tǒng)的圖形符號如圖5所示，clk是系統(tǒng)工作時鐘輸入；reset_n是系統(tǒng)復(fù)位輸入，低電平有效；clk_display_to_the_seg7是數(shù)碼管掃描時鐘輸入，他決定了數(shù)碼管動態(tài)顯示的掃描速度；bit_control_from_the_seg7是位選控制輸出，決定了動態(tài)過程中哪一個數(shù)碼進行顯示；seg7_out_from_the_seg7是數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)輸出，決定了數(shù)碼管顯示的內(nèi)容。

新建頂層原理圖，調(diào)用該NiosⅡ系統(tǒng)，為其添加輸入輸出引腳，并定義引腳號，選擇目標器件型號為EP1C6Q240C8，編譯生成配置文件，并通過下載電纜下載到目標器件中。接下來利用NiosⅡIDE建立用戶程序。

實驗建立NiosⅡ系統(tǒng)時，添加驅(qū)動七段數(shù)碼管顯示的自定制元件seg7時的參數(shù)n和pos(如圖4所示)設(shè)置成了兩種測試情況，分別用來驗證其驅(qū)動共陰極和共陽極數(shù)碼管顯示的情況。第一種測試情況將n設(shè)置成7，pos設(shè)置成0，用來驅(qū)動7個共陰極數(shù)碼管顯示。NiosⅡIDE建立的用戶測試程序如下：

程序編譯通過后，可以在硬件中調(diào)試運行程序。為了便于觀察測試結(jié)果，在ModelSim中運行仿真結(jié)果，得到仿真波形如圖6所示。仿真分析時系統(tǒng)工作時鐘(clk)設(shè)置為了50 MHz，數(shù)碼管動態(tài)顯示掃描頻率(clk_display)設(shè)置為1 kHz。圖6(a)給出了寄存器內(nèi)容的寫入過程，3個write高電平期間完成了 3次寄存器的寫入操作。第一次write高電平將0x00寫入address為1的寄存器(即控制寄存器，該定義是在自定制元件的硬件描述語言設(shè)計中完成的)；第二次write高電平將0xAF05163寫入address為0的寄存器(即數(shù)據(jù)寄存器)；第三次write高電平將0x13又寫入address為1的控制寄存器。當控制寄存器的內(nèi)容為0x00時，數(shù)碼管是停止顯示的，因此，在共陰極顯示的情況下bit_control的輸出全為高電平，直到控制寄存器的內(nèi)容寫入0x13后，bit_control才有輸出為低電平的情況(如圖6所示)。圖6(b)給出了寫入寄存器內(nèi)容以后的工作情況，當數(shù)據(jù)寄存器寫入0xAF05163、控制寄存器寫入0x13后，bit_control將從1111110到0111111循環(huán)變化，同時將數(shù)碼管顯示所需要的字符碼從seg7_out輸出。如當bit_control為1111110時，seg7_out輸出字符碼為0x4F，對應(yīng)顯示“3”；當bit_control為1111101時，seg7_out輸出字符碼為0x7D，對應(yīng)顯示“6”。由于控制寄存器寫入的內(nèi)容為0x13，即第三位數(shù)據(jù)管的小數(shù)點會亮起，因此當bit_control為1110111時，seg7_out輸出字符碼為0xED(即二進制的“11101101”)，數(shù)碼管對應(yīng)顯示“5”，而最高一位的“1”會讓該數(shù)碼管的小數(shù)點點亮。

以上是第一種測試情況。第二種測試情況是將seg7的參數(shù)n設(shè)置成5，pos設(shè)置成1，用來驅(qū)動5個共陽極數(shù)碼管顯示。NiosⅡ IDE建立的用戶測試程序如下：

程序編譯通過后，同樣在Modelsim中運行仿真結(jié)果，得到仿真波形如罔7所示。仿真分析時系統(tǒng)工作時鐘(clk)設(shè)置為了50 MHz，數(shù)碼管動態(tài)顯示掃描頻率(clkdisplay)設(shè)置為1 kHz。

與第一種共陰極顯示情況相比，第二種共陽極顯示時的寄存器寫入過程是大體一樣的。不同之處在于共陽極顯示時的bit_control和seg7_out和輸出極性正好與共陰極顯示時的相反。

通過以上的實驗，驗證了自定制七段數(shù)碼管動態(tài)顯示接口元件功能的正確性。

4 結(jié) 語

在用Altera公司的SOPC Builder工具完成NiosⅡ軟核SOPC系統(tǒng)設(shè)計時，可以用SOPC Builder中提供的元件來構(gòu)建整個系統(tǒng)。但對于有些外部設(shè)備，SOPC Builder并沒有提供對應(yīng)的接口元件，此時，就可以使用SOPC Build-er工具的自定制用戶元件功能來創(chuàng)建特定功能的接口元件。在本文中，針對數(shù)碼管的顯示，定制了一個七段數(shù)碼管動態(tài)顯示接口元件，可以用來驅(qū)動1～8個共陰極(或共陽極)數(shù)碼管的顯示，可以根據(jù)需要選擇小數(shù)點顯示的位置，每個數(shù)碼管可以顯示0～F之間的十六進制字符，并通過實驗驗證了其功能的正確性。