1. Avalon 總線規(guī)范

　　1.1 總線概述
　　
　　Avalon 總線是Altera 公司為SOPC 系統(tǒng)開發(fā)的一種專用的內(nèi)部連線技術(shù)，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線。它是構(gòu)建在Nios II 軟核的基礎(chǔ)上，由Altera 公司提供SOPC Builder 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具自動生成。
　　
　　Avalon 總線支持多個主外設(shè)，任何一個主外設(shè)都可以直接進(jìn)行存儲器訪問（DMA），而無須Nios II 處理器的干預(yù)。一般的系統(tǒng)總線（如AMBA 總線）都是采用主端總裁機(jī)制，而Avalon 采用DMA 從端仲裁機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的多模塊DMA 并行傳輸，而不相互影響。
　　
　　Avalon 總線允許多個主端口連接到總線模塊，實(shí)現(xiàn)總線的的并發(fā)多主端口傳輸?shù)墓δ?，而總線模塊不需要額外的特殊信號；當(dāng)有多個主外設(shè)試圖同時訪問同一外設(shè)時，由Avalon總線模塊內(nèi)部的從端口仲裁邏輯來處理沖突，對于主端口來說，它并不會感到有另一個主端口也在爭用該外設(shè)，而是簡單的發(fā)現(xiàn)它的等待請求信號一直有效，直到目標(biāo)外設(shè)從端口準(zhǔn)備好來處理自己的請求。因此，多個主外設(shè)只要不是同時訪問同一個從外設(shè)，即可同時進(jìn)行總線傳輸。仲裁的詳細(xì)信息被封裝在總線內(nèi)部，主外設(shè)和從外設(shè)的接口是一致的，與外設(shè)的數(shù)量無關(guān)。

　　1.2 Avalon 總線流傳輸模式
　　
　　Avalon 規(guī)定了各種傳輸模式，這里只介紹本IP 核所使用的流傳輸模式。關(guān)于其他的總線模式讀者可以Avalon 的總線規(guī)范。
　　
　　 流傳輸模式是在流模式主外設(shè)和流模式從外設(shè)之間建立一個開放的信道以供連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。該信道使得只要存在有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)便能在主從端口對之間流動，主外設(shè)不必為了確定從端口是否可用而不斷地訪問從外設(shè)的寄存器。流傳輸模式使得主從端口之間的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到，同時避免了從外設(shè)數(shù)據(jù)溢出。流傳輸模式適合DMA 傳輸。一個只包含簡單的流控制信號和一個計(jì)數(shù)器的DMA 控制器就可以用來在一個從外設(shè)和一個存儲器之間連續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)。

　　由于數(shù)據(jù)流是從Avalon 總線流向LCD 控制器，所以是流模式的從端口寫傳輸。圖1 顯示了流模式從端口寫傳輸?shù)哪Ｐ汀?

　　 除了基本從端口傳輸中使用的信號外，流模式外設(shè)的接口中又引入了readyfordata、dataavailable 和 endofpacket 三個信號。流模式從端口就是指使用了一個或多個上述信號的從端口。readyfordata 有效表示外設(shè)準(zhǔn)備好接受 Avalon 總線模塊的寫傳輸；dataavailable 有效表示能夠?yàn)閬碜?Avalon 總線模塊的讀傳輸提供數(shù)據(jù)。Avalon 總線模塊只在 readyfordata或 dataavailable 有效時才會發(fā)起傳輸行為。endofpacket 信號的含義取決于用戶設(shè)計(jì)。

　　2. Avalone 流模式LCD 控制器IP 核設(shè)計(jì)
　　
　　LCD 控制器按功能可劃分為三個模塊：接口模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和時序產(chǎn)生模塊。接口模塊主要用來對系統(tǒng)進(jìn)行配置，獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息以及從內(nèi)存讀出將要顯示的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)系統(tǒng)的配置信息，對讀入控制器的內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以符合用戶設(shè)置的顯示要求；時序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生顯示時序信號，使得系統(tǒng)在不同的配置下都能產(chǎn)生與之相應(yīng)的時序，以保證圖象的正確顯示。
　　
　　在具體實(shí)現(xiàn)時，這三個部分又可以劃分為不同的功能模塊來完成系統(tǒng)的總體功能。整個模塊包括配置寄存器接口模塊、DMA 接口模塊組成和異步FIFO 模塊，時序產(chǎn)生部分由時序產(chǎn)生模塊構(gòu)成。

　　2.1 DMA 接口模塊
　　
　　一般情況下，LCD 顯示需要進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)傳送。在標(biāo)準(zhǔn) VGA（640×480 60Hz）模式下，每個像素點(diǎn)的掃描周期只有40ns。如此高速的數(shù)據(jù)傳輸，如果直接通過CPU 來操作，將會消耗大量的CPU 時間。為了提高CPU 的工作效率，我們在Nios II 下利用DMA（Direct Memory Access,直接存儲器訪問）來完成。利用DMA 控制器在LCD 控制器和顯示存儲器SDRAM 之間建立一條專用的DMA 傳輸通道，通過DMA 控制器自動的讀去圖象數(shù)據(jù)，不需要CPU 干預(yù)。

　　在DMA 傳輸時，首先需要由CPU 對DMA 進(jìn)行初始化，設(shè)置顯示存儲器的基地址和長度以及LCD 控制器輸入寄存器的地址，然后打開DMA 傳輸通道，使DMA 在沒有CPU 干預(yù)的情況下直接從顯示存儲器讀取顯示數(shù)據(jù)傳送到LCD控制的FIFO中。Nios II 可以在DMA暫停傳輸?shù)钠陂g操作SDRAM 中的顯存，完成LCD 顯示圖像的更新。

　　DMA 接口采用Avalon 主設(shè)備端口來實(shí)現(xiàn)。

　　2.2 配置積存器接口模塊

　　系統(tǒng)可以通過配置寄存器接口模塊對LCD 顯示控制器進(jìn)行各種功能配置;LCD 控制器也可以通過接口模塊向系統(tǒng)反饋所需的狀態(tài)信息,從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測和控制。通過針對不同種類的LCD 屏幕和不同的顯示模式提供相應(yīng)寄存器，可以保證對于各種LCD 顯示屏的兼容。 
　　
　　2.3 異步FIFO 模塊
　　
　　由于總線接口模塊和LCD 控制器工作在不同的時鐘域，如果直接傳送數(shù)據(jù)將會使電路進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，無法正常工作。所以使用異步FIFO 做為接口在兩個時鐘之間傳遞數(shù)據(jù)。典型的異步FIFO 由異步雙端口RAM 和控制邏輯構(gòu)成。

　　2.4 LCD 時序產(chǎn)生模塊
　　
　　通過讀取配置寄存器獲得像素時鐘，行周期，幀周期，同步頭寬度以及時鐘分頻系數(shù)等信息后，LCD 時序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生LCD 顯示需要的行同步信號、幀同步信號以及復(fù)合消隱信號。圖7 描述了LCD 接口時序發(fā)生模塊的接口信號
　　3. LCD 控制器IP 核的仿真調(diào)試與安裝

　　3.1 LCD 控制器IP 核的仿真調(diào)試
　　
       本IP 核使用Verilog HDL 來編寫，首先在Modelsim6.1 下先進(jìn)行RTL 級的功能仿真，當(dāng)所有功能都滿足要求時，就可以使用綜合工具綜合后加入延時信息進(jìn)行進(jìn)行時序仿真。如果時序仿真也滿足電路的設(shè)計(jì)要求，就可以當(dāng)做一個NiosII 系統(tǒng)自定義的組件加到Nios II 系統(tǒng)中去。

      3.2 LCD 控制器IP 核的安裝
　　
　　Avalon 流模式的 LCD 控制器需要安裝到 SOPC Builder 中，以便將其加入到NiosII 系統(tǒng)中。
　　
　　這里的LCD 控制器是一個典型的流模式自定義外設(shè)。啟動DMA 傳輸后，DMA 控制器將批量數(shù)據(jù)送往LCD 控制器，因此也可將LCD 控制器看成 FIFO 類型的存儲器外設(shè)。選擇Avalon Components->Legacy Components->Interface to User Logic，加入LCD 控制器的IP 核。