TFT液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、工作電壓低、使用壽命長、可以顯示復雜的文字及彩色圖像等優點，在嵌入式設備中得到了廣泛的應用，成為人機交互的重要方式。但是TFT液晶顯示器驅動具有數據量大、占用引腳多等特點，采用傳統的單片機驅動方式不僅會耗費大量的系統運行時間，降低系統效率，而且也會占用大量的I／O引腳。針對這種情況，本文提出了一種基于PicoBlaze軟核的TFT液晶顯示控制方案，能夠方便地實現FPGA對TFT液晶的顯示控制，具有較強的通用性和實用性。
1 PicoBlaze的體系結構
8位嵌入式處理器PicoBlaze是Xilinx公司為Virtex系列FPGA、Spartan系列FPGA和CoolRunnerII系列CPLD設計的嵌入式處理器軟核，具有效率高、占用資源少等優點，可以方便地嵌入到硬件系統設計中，實現與其他功能模塊的無縫連接。PicoBlage僅占用Spartan系列FPGA的96個Slice，占用XC3S50器件12.5％的資源，占用XC3S5000器件不到0.3％的資源；具有高達44～100 MIPS的指令執行速度，具體速度取決于所選用的FPGA系列和器件速度等級。
PicoBlaze 8位嵌入式處理器提供了豐富、靈活的I／O口，它的外設也可以通過用戶自己配置，以滿足不同的系統設計要求。由于PicoB-laze提供了可綜合的HDL代碼，可以方便地移植到將來的FPGA架構上，因此完全不用擔心當前使用的器件淘汰后難以尋求替代產品。另外，PicoBlaze完全集成在FPGA中，減少了電路板空間和設計*費。
如圖1所示，PicoBlaze微處理器主要由以下幾個單元組成：16個8位通用寄存器；1 KB程序存儲單元；8位算術邏輯單元，帶有CARRY和ZERO標志位；64字節內部暫存RAM；256個輸入和256個輸出端口，方便擴展應用；中斷控制單元。
圖1 PicoBlaze微處理器結構圖
2 TFT液晶顯示模塊
TFT液晶模塊為320×240像素26萬色彩色圖形點陣式液晶，不僅可以顯示數字、字符等內容，還可以顯示漢字和任意圖形。該模塊的控制芯片為SSD1289，與外部的連接只有16位數據線、5根控制線及電源。液晶模塊引腳功能如表1所列。TFT液晶模塊的讀寫時序滿足標準的8080并行時序，FPGA只要通過這些數據線和控制線按照相應的時序進行讀寫，即可實現對模塊的顯示控制。
表1 液晶模塊引腳功能
3 軟硬件設計
3.1 PicoBlaze匯編程序設計
由于TFT液晶模塊內置了SSD1289控制芯片，并且其讀寫時序滿足標準的8080并行時序，因此，在PicoBlaze程序設計中模擬其讀寫時序即可實現對TFT液晶模塊的控制。要通過軟件模擬8080并行讀寫時序，主要有兩項關鍵技術：一項是對端口的高低電平進行控制；另一項是編寫軟件延時子程序。
對端口的電平控制，可以通過OUTPUT命令方便地實現。比如：
可以向LCD_DATA_H端口輸出數據0xFF。
PieoBlaze沒有提供相應的位操作指令，因此，對PieoBlaze端口的位操作可以通過下列程序實現：
上述程序實現了對LCD_CTRL_PORT的bit0進行置“1”和清“0”操作，且不影響其他位。每次進行端口輸出前，將端口狀態從寄存器sF中讀出；而每次端口輸出完成后，將當前端口狀態保存到寄存器sF中。
軟件延時子程序可以通過循環來實現。PicoBlaze的所有指令均為雙周期指令，當系統工作頻率為50 MHz時，每條指令的執行時間為40 ns。因此，通過調用下面的子程序即可實現1μs延時：
其中，delay_lus_constant=（clock_rate-6）／4，這里clock_rate為50。實現了端口位操作和軟件延時功能，即可按照8080并行讀寫時序編寫發送命令子程序。其程序代碼如下：
3.2 PicoBlaze與FPGA的邏輯接口
PicoBlaze與FPGA的邏輯接口主要在FPGA邏輯設計中例化PicoBlaze單元，將其與程序ROM相連，并完成輸入、輸出端口的鎖存譯碼。其接口示意圖如圖2所示。
圖2 接口示意圖
PicoBlaze的匯編程序經匯編工具KCPSM3.exe編譯后，將其程序代碼填充到由BLOCK RAM組成的程序ROM中，在FPGA邏輯設計中，將程序ROM和PicoBlaze模塊KCPSM3的對應引腳相連即可。鎖存譯碼單元在每個有效時鐘沿，在WRITE_STROBE的使能控制下對PORT_ID進行譯碼，并將OUT_PORT上的數據鎖存到相應的寄存器中。本設計包含3個端口，分別是數據線高8位DATA_H、數據線低8位DATA_L和控制線CTRL，其中CTRL的bit0～bit4分別表示RS、RD、RESET、WR和CS。
在FPGA邏輯中完成PieoBlaze的例化和相關邏輯設計后，即可用Xilinx的集成開發工具ISE進行綜合、實現和下載驗證。綜合結果顯示，本設計共占用了102個Slice和1個RAMBl6S單元，僅占XC2VP30-7FF896總Slice數和BRAM單元的1％。最后，將生成的比特流下載到Xilinx XUP Virtex-II PRO開發板上進行驗證。結果表明，能夠正確驅動TFT液晶顯示單種或多種顏色，達到了預期目標。經測算，當系統時鐘為50 MHz時，全屏刷新一次約需55.4 ms，具有較高的實時性。如果將系統時鐘提高到100 MHz，還可以進一步加快刷新速度。
結語
本文設計的基于PicoBlaze軟核的TFT液晶顯示控制方案，已在XilinxXUP Virtex-II PRO開發板上進行了驗證，取得了良好的效果。通過本設計方案可以看出，PicoBlaze是一個功能強大、應用靈活的8位嵌入式軟核處理器，可用于實現非關鍵時序的復雜控制功能，而其他關鍵時序和數據通道功能則需FPGA邏輯來實現，二者有機結合將使得系統設計更加方便、靈活。