郭靖豐

(南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京，210044 )

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的小型化、便攜化、智能化成為了發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的VGA圖片顯示都是讀出保存在開(kāi)發(fā)板的ROM資源中的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，但當(dāng)圖片分辨率較大時(shí)，ROM資源就會(huì)不足，就需要以犧牲圖片清晰度為代價(jià)來(lái)顯示圖片，并且ROM是直接焊接在開(kāi)發(fā)板上的，不便于攜帶。結(jié)合以上背景，本文以FPGA為主機(jī)，SD卡為從機(jī)，利用SD卡小體積、大容量，高速度的優(yōu)點(diǎn)來(lái)存儲(chǔ)圖片則解決了ROM資源不足的缺陷，提高了圖片的顯示速度和清晰度。

1 圖片格式處理

由于VGA顯示格式是16位RGB565格式，為了使FPGA能直接讀取存放在SD卡中的圖片數(shù)據(jù)，選用BIN的圖片格式，使圖片以二進(jìn)制的方式存放在SD卡中。并用WinHex查詢(xún)SD卡中BIN文件的扇區(qū)地址，方便后續(xù)FPGA的讀取。

2 系統(tǒng)描述

本裝置采用FPGA作為主機(jī)，SD卡作為從機(jī)實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，并將圖片顯示在VGA顯示器上，首先PLL時(shí)鐘控制模塊產(chǎn)生各模塊所需要的工作時(shí)鐘，用戶(hù)可以通過(guò)按鍵選擇要顯示的圖片，不同的按鍵值傳給SD卡讀取圖片控制模塊后，SD卡讀取圖片控制模塊將不同的扇區(qū)地址傳給SD卡控制模塊，SD卡控制模塊根據(jù)地址讀出圖片數(shù)據(jù)后傳給SDRAM控制模塊進(jìn)行緩存，最終把圖片數(shù)據(jù)傳給VGA顯示驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 FPGA

本裝置采用ALTERA 公司的 Cyclone IV 系列 FPGA，芯片型號(hào)為 EP4CE10F17C8，擁有豐富的邏輯單元和嵌入式資源，結(jié)合高速時(shí)鐘晶振，給該芯片提供50MHz的時(shí)鐘，為實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)算奠定了基礎(chǔ)。

3.2 SD卡

SD卡采用目前市面上使用最廣泛的基于SD2.0協(xié)議規(guī)范的SDHC卡，SD卡工作模式有SDIO模式和SPI模式兩種，本裝置選擇使用信號(hào)線較少的SPI模式。SPI模式下共用到CS、CLK、MISO、MOSI四根信號(hào)線。在SPI模式下采用1位數(shù)據(jù)位寬，理論上可以達(dá)到50Mbps的傳輸速率，具有存儲(chǔ)容量大，讀寫(xiě)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

SD卡在正常讀寫(xiě)操作之前，必須先對(duì)SD卡進(jìn)行初始化，即寫(xiě)入命令CMD0。在對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)同樣需要發(fā)送寫(xiě)命令（CMD24）和讀命令（CMD17）。

用WinHex查詢(xún)的SD卡中圖片BIN文件的扇區(qū)起始地址方便后續(xù)程序使用。

圖2 SD卡與MAXQ2000接口圖

3.3 SDRAM

SDRAM芯片采用型號(hào)為W9825G6DH-6，該芯片內(nèi)部劃分了4個(gè)L-Bank，總存儲(chǔ)空間為256Mbit=32MB，最高工作頻率可達(dá)166MHz，具有存儲(chǔ)空間大，讀寫(xiě)速度快的優(yōu)點(diǎn)。芯片原理圖如圖3所示，在芯片時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，可以將SDRAM看做一張表格，只要確定了行和列，就能找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于SDRAM利用了電容的充放電特性以及保持電荷能力，所以W9825G6DH-6的初始化和讀寫(xiě)操作都較為復(fù)雜，包括一系激活、預(yù)充電、刷新、尋址等操作。

圖3 SDRAM與FPGA連接原理圖

圖4 W9825G6DH-6原理圖

4 軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 PLL時(shí)鐘控制模塊

調(diào)用quartus軟件下的PLL IP核分別輸出各模塊的工作時(shí)鐘并傳給相應(yīng)模塊。由于SD卡對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送是在時(shí)鐘的下升沿進(jìn)行，但FPGA在編程中通常使用時(shí)鐘的上升沿，所以用PLL鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生與Clk_sd_ctrl頻率相同，但相位相差180°的時(shí)鐘信號(hào)Clk_sd_ctrl_180，與Clk_sd_ctrl一起傳入SD卡控制模塊。PLL時(shí)鐘控制模塊框圖如圖5所示。

圖5 PLL時(shí)鐘控制模塊框圖

4.2 按鍵控制模塊

根據(jù)不同的按鍵信息產(chǎn)生不同的按鍵標(biāo)志信號(hào)（Key_flag）并傳給SD卡讀取圖片控制模塊，來(lái)決定讀取SD卡中的哪張圖片。

4.3 SD卡讀取圖片控制模塊

先根據(jù)圖片的分辨率和一次讀操作能讀取的字節(jié)數(shù)計(jì)算出完全讀取一張圖片所需要進(jìn)行的讀操作次數(shù)，再利用always語(yǔ)句塊延時(shí)打拍獲取傳來(lái)的讀忙信號(hào)（Rd_busy）下降沿，然后根據(jù)不同的按鍵標(biāo)志信號(hào)從不同的扇區(qū)起始地址開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，并將讀出的圖片數(shù)據(jù)送到SDRAM進(jìn)行緩存。SD卡讀取圖片控制模塊框圖如圖6所示。

圖6 SD卡讀取圖片控制模塊框圖

4.4 SD卡控制模塊

4.4.1 SD卡初始化

SD卡初始化流程在Verilog設(shè)計(jì)中采用狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)，共分為8個(gè)狀態(tài)。不同于以往的狀態(tài)機(jī)，因?yàn)镾D卡上電后只需要初始化一次，所以進(jìn)入Finish狀態(tài)后不需要再回到Idel狀態(tài)。SD卡初始化狀態(tài)機(jī)如圖7所示。

圖7 SD卡初始化狀態(tài)機(jī)

4.4.2 SD卡讀操作

利用always語(yǔ)句塊對(duì)傳來(lái)的Rd_start信號(hào)進(jìn)行打拍延時(shí)操作來(lái)獲取Rd_start信號(hào)的上升沿作為開(kāi)始讀信號(hào)。SD卡讀操作同樣可以使用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，共分為5個(gè)狀態(tài)。SD卡讀操作狀態(tài)機(jī)如圖8所示。

圖8 SD卡讀操作狀態(tài)機(jī)

4.4.3 SD卡控制模塊頂層

由于在初始化和讀操作中都用到了SPI通信的主機(jī)數(shù)據(jù)輸出線（mosi），且初始化和讀操作中該線傳輸內(nèi)容不一致，所以在頂層程序設(shè)計(jì)中用always語(yǔ)句塊進(jìn)行判斷，當(dāng)未初始化完成主機(jī)數(shù)據(jù)輸出線采用初始化模塊中的輸出，當(dāng)初始化完成時(shí)并且處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)主機(jī)數(shù)據(jù)輸出線采用讀操作模塊中的輸出。SD卡控制模塊框圖如圖9所示。

圖9 SD卡控制模塊框圖

4.4 VGA顯示器驅(qū)動(dòng)模塊

在像素時(shí)鐘（Vga_clk）的驅(qū)動(dòng)下根據(jù)VGA時(shí)序參數(shù)輸出行長(zhǎng)同步信號(hào)和RGB信號(hào)給VGA顯示器，輸出像素點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入請(qǐng)求信號(hào)（data_req）傳給SDRAM控制模塊作為讀使能。VGA顯示器驅(qū)動(dòng)模塊框圖如圖10所示。

圖10 VGA顯示器驅(qū)動(dòng)模塊框圖

4.5 SDRAM控制模塊

SDRAM上電后需要一個(gè)初始化過(guò)程，并根據(jù)不同的初始化狀態(tài)發(fā)送不同的指令，初始化完成后進(jìn)入工作狀態(tài)，要處理寫(xiě)使能和讀使能，SDRAM的寫(xiě)操作和讀操作同樣需要伴隨著不同指令的發(fā)送，并且SDRAM在工作過(guò)程中需要不斷的刷新操作，且刷新時(shí)間是固定的，所以用一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生刷新命令。SDRAM控制模塊框圖如圖11所示。FPGA程序流程圖如圖12所示。

圖11 SDRAM控制模塊框圖

圖12 FPGA程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于FPGA和SD卡的VGA圖片顯示與切換裝置，結(jié)合SDRAM的存儲(chǔ)特性，可以完美的在顯示器上顯示圖片并根據(jù)用戶(hù)需求切換，有效的解決ROM資源不足的問(wèn)題，提高了圖片的顯示速度與清晰度，同時(shí)，SD卡作為可插拔器件，有效解決了ROM不便于攜帶的問(wèn)題，符合當(dāng)今電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。