SOPC" title="SOPC">SOPC(System On Programmable Chip)技術(shù)是美國Altera" title="Altera">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" title="NiosⅡ">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" title="數(shù)碼管">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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)前狀態(tài)值,，從display_data_reg寄存器中選擇4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,。例如，當(dāng)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(dāng)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(dāng)前狀態(tài)值count為2，則選擇寄存器display_data_reg[11..8]的4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,，若計數(shù)器的當(dāng)前狀態(tài)值count為3,，則選擇寄存器display_data_reg[15..12]的4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jī)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)bit_control為1111110時,，seg7_out輸出字符碼為0x4F,，對應(yīng)顯示“3”;當(dāng)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(dāng)bit_control為1110111時,，seg7_out輸出字符碼為0xED(即二進(jìn)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(jìn)制字符,，并通過實驗驗證了其功能的正確性,。