引言

SOPC（System On Programmable Chip，可编程的片上系统）是Altera公司提出的一种灵活、高效的SOC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口等系统设计 需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，代表了半导体产业未来的发展方向。

Altera公司的Nios II核是目前最具代表性的软核嵌入式系统处理器，本文描述的SOPC系统以Altera NiosII为基础，利用SOPC Builder对Nios II及其外围系统进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足系统设计的需求。

设计课题的确立

本文所描述的SOPC系统需要完成以下功能：

1．利用PS2接口的键盘作为设计的信号输入和外部控制电路部分；

2．利用VGA显示接口作为设计的信号输出和显示电路部分；

3．嵌入处理器 + 应用软件。

根据以上要求，确立要完成本文设计的3个功能模型，分别是：兼容标准键盘的PS2控制接口逻辑；基于Avalon总线的VGA显示接口逻辑，以及NiosII嵌入式处理器和PS2/VGA驱动程序。

图1 SOPC中的系统组成和结构（略）

系统的组成和结构

在SOPCBuilder中构造整个系统的连接，包括基本的SOPC系统和自定义外设。基本SOPC系统的核心是NiosII处理器Core，它还包含Avalon三态总线，以及挂在总线上的外部存储设备接口，包括SRAM（或SDRAM）控制接口及Flash控制接口；以及定时计数Timer和调试Jtag_Uart模块。而本课题设计的关键就是自定义的外设接口——基于Avalon总线协议的PS2接口和VGA控制接口。图1标识了系统的构成。

基于Avalon总线协议的PS2控制接口设计

PS2控制接口协议

PS2设备接口多用于当今的鼠标和键盘设计，它是由IBM 开发并最早出现在IBM 技术参考手册里。PS2 鼠标和键盘遵循双向同步串行协议，每次数据线上发送一位数据，时钟线上的脉冲就被读入。键盘/鼠标可以发送数据到主机，同样主机也可以发送数据到设备，但主机总是在总线上有优先权，它可以在任何时候抑制来自于键盘/鼠标的通讯，而只需把时钟拉低即可。

从键盘/鼠标发送到主机的数据，在时钟信号的下降沿被读取；从主机发送到键盘/鼠标的数据在上升沿被读取。不管通讯的方向怎样，键盘/鼠标总是产生时钟信号。如果主机要发送数据，它必须先告诉设备开始产生时钟信号。PS2设备最大的时钟频率是33kHz 而大多数设备工作在10-20kHz。设备到主机的通讯过程如图2所示：

图2 PS2设备到主机的通讯（略）

所有数据安排在字节中，每个字节为一帧，包含了11/12 个位，这些位的含义如下：1个起始位，总是为0；8个数据位，低位在前；1个校验位，奇校验；1个停止位，总是为1；1个应答位，仅在主机对设备的通讯中出现。

键盘上包含了一个大型的按键矩阵，它们是由“键盘编码器”来监视的。监视哪些按键被按下或释放了，并在适当的时候传送到主机。而主板上包含了一个“键盘控制器”负责解码所有来自键盘的数据， 并告诉软件什么事件发生。在主机和键盘之间的通讯使用IBM 的协议，最初IBM 使用Intel8048 微处理器作为它的键盘编码器，而使用Intel8042 微控制器作为它的键盘控制器，这些现 已被兼容设备取代，并整合到主板的芯片组中。

键盘的处理器花费很多的时间来扫描或监视按键矩阵。如果它发现有键被按下、释放或按住，键盘将发送“扫描码”的信息包到计算机。扫描码有两种不同的类型：“通码”和“断码”。当一个键被按下或按住就发送通码；当一个键被释放就发送断码。每个按键被分配了唯一的通码和断码，这样主机通过查找唯一的扫描码就可以测定是哪个按键。

基于Avalon总线的键盘控制器的FPGA实现

基于Avalon总线的键盘控制器的实现，需模拟Intel8042的功能时序，完成键盘控制器的功能模型的建立，并完成其RTL代码。本键盘控制器，不仅完成8042对键盘扫描码的接收功能，还要把扫描码转换为处理器能够识别的ASCII码。

从键盘读数据：当从键盘收到有效的扫描码就把它放置在输入缓冲区，IBF（输入缓冲区满）标志被设置，产生IRQ1。如果中断是使能，IRQ1将激活键盘驱动程序，它指向0x09中断向量。驱动程序将从Avalon_PS2_BASE端口读取ASCII码。这个动作会释放IRQ1并复位IBF标志。接着ASCII被驱动程序处理。如下图3显示接收“c”通码的时序，经过11个PS2_CLK接收到“c”的扫描码为“0x21”，同时扫描码被转换为ASCII码，为“0x63”。图4，模拟了键盘发送一个大写“A”的数据传输时序，其过程为SHIFT通码（0x12），“A”通码（0x1c），“A”断码（0xf0，0x1c），SHIFT断码（0xf0，0x12）。此过程中加入了两个标识位，SHIFT标识（rx_shift_key_on）和断码标识（rx_released），用以显示SHIFT是否被按下，及发送的是通码或断码。


图3 小写“c”通码发送时序（略）

图4 大写“A”发送防真时序（略）

往键盘写数据：当你写数据到键盘控制器的输出缓冲区，控制器设置OBF（输出缓冲区满）标志并处理数据。控制器将发送这个数据到键盘并等待一个回应。如果键盘没有接收或在指定时间内没有回应，相应的超时标志就会被设置。

基于Avalon总线协议的VGA控制接口设计

VGA原理

VGA接口主要有五个信号线，分别为R、G、B、vsync（场同步）、hsync（行同步）信号。Red、Green、Blue 就是大家熟知的三原色，由RGB的电压差便可以产生出所有的颜色。如果R、G、B各用一个bit来控制，也就是只有0、1两种电压准位，则所能形成的颜色种类只有8种。若每一种颜色能用多个bit来分出不同准位的电压差，颜色就能多样化呈现。vsync和hsync用作显示器的同步信号，依据垂直与水平更新率的不同，不断送出固定频率的信号输出，此时就可以在屏幕上正确的显示色彩。

屏幕的显示方式，是从左边最上角的第一个像素开始，然后依次向右显示下一个像素，到显示完第一列的最后一个像素，就跳到第二列的第一个像素继续开始显示。一直到整个屏幕都显示完毕时，回到原点，如此能不断的刷新画面。对上述5个信号的时序驱动，VGA显示器要求严格遵循“VGA工业标准”，即640×480×60Hz模式。下图给出VGA行扫描、场扫描的时序。

图5 VGA时序行同步的波形图(略)

这是每一行扫描所需的时间，3.77μs（29.88μs - 26.11μs）是hsync必需降为0的时间，1.89μs是后置准备时间，0.94μs是前置准备时间。而25.17μs则是像素显示时间，颜色的变化都要在这个时间内显示，在该时间域外，R、G、B三根信号线都一定置0，否则将无法正确显示画面。

图6 VGA时序的场同步波形图(略)

每一个垂直信号内，总共要包含480个水平信号(或者在不同分辨率时，会有不同数目的行信号)。64μs（15.764ms - 15.700ms）是vsync必需为0的时间。1.02ms是后置准备时间，0.35ms是前置准备时间，15.24ms是图像周期。每一个vsync就显示新的一帧。

图7 基于Avalon总线的VGA控制器结构图(略)

基于Avalon总线的VGA控制器的实现

Avalon流模式外设的设计需要遵循Avalon总线规范。基于Avalon总线VGA控制器的硬件结构如图7所示，该控制器由4部分构成：vga_regster_bank：VGA寄存器控制模块；line_buffer：FIFO存储器，由Magawizard产生；vga_driver：vga时序发生器，产生行场信号，并从FIFO中读取像素信息产生RGB；imga_dma：DMA控制器，完成直接存储，从系统SRAM中读取数据传输到FIFO。

使用pixel_counter（像素计数器）生成行时序，计数器应每31.77μs完成一个周期，当VGA时钟选择在25MHz，则每行需31.77μs/(1/25MHz) = 794个时钟周期。而行同步信号保持为低状态要3.77μs，3.77*25 = 94；所以如图8所示，在A处像素计数值为0，B－94，C－140，D－781，E－794，然后复位到0，从而产生行同步时序。同理，对场也需通过一个计数器生成场时序。

图8 VGA行时序计数产生波形图(略)

在EP2C5T的板子上，要使用存储器，通常需要实时显示的都会使用on-chip memory（片内存储器），因为on-chip memory的双口结构可以同时对一块存储单元不同的地址进行读、写，同时，on-chip memory的速度极快，可以不经过外部总线工作，因此不会出现总线仲裁和延迟。但是因为实验板的on-chip memory较小，而设计中256色显存空间最少要 307.2Kbytes。因此，选择外部SRAM作为显存，并由imga_dma 产生的DMA控制从Avalon总线主动读取外部SRAM中的数据。

图9 中文字符串显示和英文字符显示(略)

一般在Avalon总线上大多是从外设，其使用的方式是，一直等待chipselect的输入为1时，才读取总线上的数据，如果chipselect一直为0的狀态下，则从外设将不做响应。然而，跟一般从外设不一样的是VGA控制器中的imga_dma模块是一个主外设，它完成存储器到存储器的 DMA传输，它通过Avalon总线一端连接外部显存（SRAM），一端连接控制器的FIFO。然后控制器不断主动的去读取SRAM中的数据，并输出信号到RGB。

实验分析及结果展示

中文字符串显示：先建立中文字符串字库，利用键盘扩展键触发，Nios II软件捕捉到此键码，显示字符串。英文字符显示：键盘输入，由PS2协议模块捕捉到键盘输入的扫描码，转换成ASCII码，Nios II软件再根据ASCII码值在预先建立好的ASCII字库中寻址读取ASCII字库数据，并把字库数据写入到VGA显示存储器；然后VGA控制模块把显示存储器中的数据通过DMA方式发送到VGA，完成英文字符显示。

至此完成课题设计要求，利用PS2键盘输入、VGA显示、Nios II数据处理，构造了一个SOPC系统。