摘要：高速處理器與慢速設(shè)備之間的接口是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問題。以液晶顯示器為例，提出了一種以FPGA為基礎(chǔ)的快速接口電路設(shè)計(jì)方案。該方案可有效地減小慢速設(shè)備對(duì)高速處理器的影響。
關(guān)鍵詞：可編程器件 DSP 液晶顯示器 微指令 快速接口
隨著器件集成工藝的發(fā)展和Soc器件的出現(xiàn)，現(xiàn)在的數(shù)字系統(tǒng)正在越來(lái)越多地采用可編程器件設(shè)計(jì)。這樣，不僅開發(fā)周期短，而且在價(jià)格和使用難易度上也顯示了很大的優(yōu)勢(shì)。更為重要的是，還能利用器件的現(xiàn)場(chǎng)可編程特性，根據(jù)應(yīng)用的要求對(duì)器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，簡(jiǎn)便易行地完成功能的添加或變化。
在高速的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，要涉及到大量的計(jì)算，為了提高運(yùn)算速度，正大量使用DSP器件。目前的可編程器件，其時(shí)鐘頻率可以很高，在高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。因此，DSP+FPGA的方案正越來(lái)越多地被電子工程師們采用。
在很多的實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)中，往往需要良好的用戶界面，其中LCD是被大量采用的顯示器件。由于LCD是典型的慢速設(shè)備（相對(duì)于DSP來(lái)講），在與高速微處理器接口時(shí)，會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，這在高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是不允許的。如果DSP有不太富裕的處理余量，如何利用它對(duì)LCD完成控制呢？?jī)H僅在兩者之間加入鎖存器之類的簡(jiǎn)單接口電路，往往不能對(duì)LCD完成控制。不過，有了FPGA，就可以在不增加成本的情況下，在DSP和LCD之間設(shè)計(jì)一條雙向的快速通道。
圖1 DSP時(shí)序較（對(duì)I/O空間的操作）
1 DSP和LCD的時(shí)序
TI公司是DSP在全球的主要供應(yīng)商，其低價(jià)位的TMS320VC54x系列DSP深受廣大電子工程師的青睞。下面以TMS320VC5416為例介紹DSP的時(shí)序。TMS320VC5416將尋址范圍分為存儲(chǔ)器空間、程序空間和I/O空間。其中，對(duì)I/O空間的操作由地址線、數(shù)據(jù)線和三根信號(hào)線IOSTRB、R/W和IS來(lái)完成，其時(shí)序圖如圖1所示。
讀操作和寫操作由R/W信號(hào)線上的高低電平?jīng)Q定。如果不采用外部插入等待周期的方法，僅靠?jī)?nèi)部的等待周期設(shè)置寄存器，訪問外部I/O空間時(shí)最多可以插入14個(gè)等待周期。如果DSP運(yùn)行在100MHz的主頻上（實(shí)際上TMS320VC16可以運(yùn)行在最高160MHz的主頻上），也只有0.14μs。這對(duì)于LCD來(lái)說來(lái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
圖2 LCD時(shí)序圖（寫操作）
常見的192×64點(diǎn)陣的LCD（FM19264）實(shí)際上是由3塊獨(dú)立的64×64點(diǎn)陣LCD構(gòu)成的，共享地址線和數(shù)據(jù)線，可由CS1、CS2和CS3分別選中。每小塊LCD都有各自獨(dú)立的指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，由控制線D/I上的高低電平選擇。數(shù)據(jù)的鎖存或出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上由E信號(hào)決定。LCD主要控制管腳的功能如表1所示。對(duì)LCD寫操作的時(shí)序圖如圖2所示。LCD的每次讀寫操作最少要1μs。如果能使DSP對(duì)LCD的訪問象對(duì)高速設(shè)備訪問一樣，就能夠最大限度地減小DSP資源的浪費(fèi)，并且能夠減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，這就需要在FPGA中添加一個(gè)DSP與LCD之間的高速雙向通道。
表1 LCD主要控制管腳功能
| 管腳名稱 | 功能描述 |
| CS1 | 選中左邊LCD，低有效 |
| CS2 | 選中中間LCD，低有效 |
| CS3 | 選中右邊LCD，低有效 |
| D/I | 高：對(duì)數(shù)據(jù)寄存器操作 低：對(duì)指令寄存器操作 |
| R/W | 高：讀操作 低：寫操作 |
| E | R/W為低（寫操作）時(shí)，E信號(hào)的下降沿鎖存數(shù)據(jù) R/W為高（讀操作）、E為高時(shí)、LCD的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上 |
| RESET | 復(fù)位信號(hào)，低有效 |
| D7～D0 | 數(shù)據(jù) |
對(duì)每塊LCD的控制，是通過操作指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器實(shí)現(xiàn)的。在屏幕指定位置寫入數(shù)據(jù)，要分三步(①寫入行地址，②寫入列地址，③寫入數(shù)據(jù))才能完成，不但耗時(shí)而且增加了軟件編程的復(fù)雜程度。如果能夠?qū)⒅噶詈蛿?shù)據(jù)合在一起作為一條指令，那么設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單的指令譯碼電路執(zhí)行電路就可完成這項(xiàng)任務(wù)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
硬件框圖如圖3所示。LCD的原始控制指令如表2所示。
表2 LCD原始控制指令
