基于FPGA的SOC外部組件控制器IP的設計

控制電路（Control Circuit）是lcd_fct 的核心。它控制數據輸入寄存器（Data_in Register）、數據輸出寄存器（Data_out Register）、狀態寄存器（State Register）、控制寄存器（Control Register）和時間常數寄存器（Time Constant Register）。控制電路根據指令標志和時序來操作不同的寄存器，實現lcd_fct 的管理和運行。

數據輸入寄存器接受來自MP 的數據并根據需要送數據到數據輸出寄存器。數據輸出寄存器把數據通過數據線lcd_db 送到LCD 模塊的數據總線上。這個數據既可能是要顯示的數據，也可能是指令。

控制寄存器產生操作LCD 的控制信號，如LCD 中選信號（lcd_e）、LCD 內部寄存器選擇信號（lcd_rs）和LCD 讀寫信號（lcd_r_w）。

狀態寄存器在LCD 處于工作下，會產生LCD 繁忙信號（lcd_busy）。這意味著，LCD 此時不會接受其它指令。與其它信號不同，lcd_busy 是發送給MP 的。

實際上lcd_fct 的運行操作主要是對各種控制、狀態和數據信號進行管理。

4 FPGA 設計和仿真

在 lcd_fct 的FPGA 設計中，主要采用的VHDL 語言的程序設計［7］、MAX Plus－II 仿真以及SOC 和LCD 的實際連接調試。lcd_fct 的HVDL 設計框架如下：
Library
Entity lcd_fct is
Port( );
End lcd_fct;
Architecture struct of lcd_fct is
Signal
Constant
Begin
Res: process;
Clk :clk_div;
LCD: process;
Begin
If init then
Initialization;
Elsif clr then
Clear LCD;
Elsif addr then
Write address to LCD RAM;
Elsif data then
Write data to LCD RAM;
End if;
End process;
Us: ustimer;
Ms: mstimer;
End struct;
LCD 控制器IP 模塊lcd_fct 的仿真結果如圖3 所示。在圖中左側的信號就是lcd_fct 的輸入／
輸出信號。

圖 3 lcd_fct 的功能仿真

當把write_e 設置成高電平時，指令寫入lcd_fct。對于讀寫控制信號lcd_r_w 來說，低電平為寫操作，高電平為讀操作。由于該仿真都是lcd_fct 對LCD 進行寫操作，lcd_r_w 始終為低電平。圖中通過addrin 的變化來代表不同的指令。

在addrin 等于7FFF 時，lcd_db 被賦值01。這意味著LCD 被清屏。當addrin 等于7FFE，且data_in 送入31 時，lcd_db 被賦值31，LCD 就會顯示“1”。 Addrin 被設置成7FFD，且data_in 等于8 時，被顯示的字符將出現在顯示屏的第8 個字符的位置，實現了定位顯示功能。

當addrin 被賦值7FFC 時，LCD 被初始化。初始化包括功能設置、關閉顯示、打開顯示、清屏、顯示移位和工作方式設置等操作。

由此可見，只要在SOC 的MP 中加入適當的指令，可以對addrin 進行控制，SOC 就可以完成對LCD 的管理。由于本設計中SOC 的MP 是可重配置MP，添加或修改指令是不存在問題的。仿真表明，lcd_fct 的設計達到了設計目標，操作結果是令人滿意的。一般的LCD 程序控制完成一項操作（如初始化）需要執行多條軟件指令。用FPGA 設計的lcd_fct 只要一條指令就能完成相應的操作，而且是硬件運行，效率提高了許多倍。

5 結論

組件控制器的設計是SOC 設計的重要組成部分。采用FPGA 是完成組件控制器設計的有效手段。通過LCD 控制器的設計和仿真，說明基于FPGA 的組件控制器可以用一條指令完成原來許多條指令才能完成的操作，可以大大提高系統的運行效率。因此，這是一項有意義的工作。

本文作者創新點在于把FPGA 設計和SOC 的組件控制器聯系起來，并通過一個具體例子介紹了如何設計單指令驅動的組件控制器。