摘要：基于μC／OS-II實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務(wù)管理運行模式，采用Nios II 32位處理器作為LED顯示屏控制系統(tǒng)的核心，控制單屏幕多窗口任意顯示。整個控制系統(tǒng)在一片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)，使用SOPC Builder軟件定制集成IP核，通過外擴存儲設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲，解決了FPGA內(nèi)部資源相對不足的問題。同時，合理組織數(shù)據(jù)存儲方式，降低了數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。
關(guān)鍵詞：Nios II；大屏幕顯示；FPGA；μC／OS-II

引言
    目前，LED大屏幕顯示系統(tǒng)按數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩類：一是同步實時顯示，即計算機顯示系統(tǒng)的內(nèi)容同時在LED視頻顯示屏上顯示；二是異步通信更新數(shù)據(jù)顯示，計算機通過USB、通用串行接口、以太網(wǎng)等通信方式將數(shù)據(jù)傳送給獨立視頻源顯示屏。通常，異步通信控制方式只能將屏幕作為一個完整的區(qū)域顯示，對于較大屏幕的顯示系統(tǒng)，有時需要將整屏分為若干個窗口分別顯示不同的內(nèi)容，且內(nèi)容的更新只是某一個或幾個窗口。針對這種情況，本文提出了一種基于Nios II 32位處理器的設(shè)計方案，能有效地實現(xiàn)單屏幕多窗口的任意位置顯示，使得顯示方式更加靈活方便。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    LED顯示系統(tǒng)主要由計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、掃描控制模塊、顯示驅(qū)動模塊和LED屏構(gòu)成，如圖1所示。

    計算機系統(tǒng)將要顯示的點陣信息通過RS485串行接口送往存儲設(shè)備，數(shù)據(jù)處理模塊讀取存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行各種特技顯示處理，將處理好的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊，顯示驅(qū)動模塊接收到掃描控制模塊的數(shù)據(jù)后送往LED屏上顯示。數(shù)據(jù)通信傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實現(xiàn)，即構(gòu)成LED異步控制器。
1．2 系統(tǒng)軟件方案
    軟件基于Nios II IDE開發(fā)完成，應(yīng)用程序基于μC／OS-II實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)。軟件程序主要由2個任務(wù)和1個定時器中斷服務(wù)程序組成，任務(wù)問采用信號量的方式進(jìn)行通信。任務(wù)1將上位機傳送到CF卡存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中；任務(wù)2從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，把分析處理完的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊。為了充分利用μC／OS-II的實時性和多任務(wù)的特點，采用嵌入式文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

2 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計
    數(shù)據(jù)處理模塊由Nios II軟核CPU、1片SDRAM和1片F(xiàn)lash存儲器組成。Nios II軟核CPU是整個控制器的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理；SDRAM作為CPU處理數(shù)據(jù)時的緩存使用；Flash存儲器用于存儲點陣信息數(shù)據(jù)和LED屏顯示控制參數(shù)。
    掃描控制模塊由用戶自定義的PWM IP核和顯存組成。顯存采用1片SRAM實現(xiàn)，用來保存當(dāng)前顯示的一幀點陣信息數(shù)據(jù)。PWM模塊通過Aval-on總線和Nios IICPU連接，將從CPU接收到的數(shù)據(jù)按指定地址寫入顯存，然后再按一定的尋址方式從顯存中讀取點陣信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描。串口控制器、定時器、存儲器控制器、CF卡控制器通過SOPC Builder軟件定制集成IP核自動生成。本控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計
    控制系統(tǒng)軟件是基于實時操作系統(tǒng)μC／OS-II進(jìn)行設(shè)計的。該操作系統(tǒng)利用高效任務(wù)調(diào)度算法調(diào)度每個任務(wù)，而每個窗口的顯示由單個任務(wù)完成。主函數(shù)創(chuàng)建了2個任務(wù)：一個用于讀取CF卡數(shù)據(jù)；另一個用于接收來自不同顯示模塊的場景數(shù)據(jù)和播放顯示文件。
3．1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    數(shù)據(jù)在存儲器中的存儲形式直接影響數(shù)據(jù)的存取速度和控制的復(fù)雜度。本系統(tǒng)對顯存中的數(shù)據(jù)和緩存中的數(shù)據(jù)均重新組織，降低了數(shù)據(jù)處理和掃描控制的復(fù)雜度。
3．1．1 顯存數(shù)據(jù)的組織
    LED顯示屏的每個像素點都包括紅、綠、藍(lán)3種基色，每種顏色的灰度級均為256級(即由8位數(shù)據(jù)對像素點灰度級進(jìn)行編碼)，故每個像素點需要占用3字節(jié)的存儲空間。顯示時，每個像素的紅管、綠管、藍(lán)管是同時點亮的，也就是說，3種顏色的數(shù)據(jù)是并行上屏的?？蓪⒓t、綠、藍(lán)3種顏色對應(yīng)的數(shù)據(jù)分開存儲，以方便操作。數(shù)據(jù)存儲方式如圖3所示。同一種顏色的數(shù)據(jù)集中存放在某個區(qū)域中，區(qū)域的首地址作為該顏色的基址。在進(jìn)行數(shù)據(jù)存放時，每個像素點只需給出相對變化地址(變址)，加上不同顏色的基址就可以在3個區(qū)域中找到對應(yīng)點的視頻數(shù)據(jù)。
    LED顯示屏灰度的實現(xiàn)方法是分權(quán)重掃描的。這樣就需要對顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行位分離，然后同權(quán)重的位重新組合。為了方便操作，存儲時把圖3所示的每個區(qū)再分為8個權(quán)重區(qū)，所有同權(quán)重的數(shù)值集中放于對應(yīng)的權(quán)重區(qū)中。所謂位分離，就是把數(shù)據(jù)的高低位按權(quán)重分開，然后重新組織。位分離在可編程邏輯器件中比較容易實現(xiàn)，可以劃出一塊邏輯矩陣，操作時橫向存入，縱向讀出即可。位分離示意圖如圖4所示。

3．1．2 緩存數(shù)據(jù)的組織
    若要進(jìn)行特技效果顯示，則當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)幀和下一個數(shù)據(jù)幀存在著某種變換關(guān)系。由于CPU只能對顯存進(jìn)行寫操作，所以需在緩存中劃分出一塊大小和顯存相等、地址一一對應(yīng)的區(qū)域screen，用于存儲當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)幀信息。如果各窗口之間存在重疊現(xiàn)象，且特技數(shù)據(jù)處理運算直接在screen區(qū)域進(jìn)行，則窗口重疊部分信息可能發(fā)生混亂。故在緩存中再為每一個窗口劃分出一塊存取空間(part 1，part 2，…，part n)，用于存儲本窗口顯示的前一幀數(shù)據(jù)信息。在特技數(shù)據(jù)處理運算時，先在part區(qū)域處理各窗口的數(shù)據(jù)信息，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)送往各窗口在screen區(qū)域中所對應(yīng)地址的存取空間，最后將screen中的數(shù)據(jù)寫入地址對應(yīng)的顯存。
3．2 讀取CF卡軟件設(shè)計
    任務(wù)1負(fù)責(zé)將CF卡上的數(shù)據(jù)讀取到SDRAM中，供其他任務(wù)使用。在程序中使用了1個指針(*pwmdata)，為數(shù)據(jù)文件在SDRAM中分配空間。在文件系統(tǒng)初始化時，首先調(diào)用CF卡初始化函數(shù)IDE_initialize()判斷CF卡是否存在。若存在，則讀取文件系統(tǒng)的基本信息。通過調(diào)用函數(shù)FS_SearchFile(char*FName，F(xiàn)S_TFile*R，unsigned char dir)來查找需要讀取的文件是否存在，若存在，則通過指針(*pwmdata)為數(shù)據(jù)文件在SDRAM中分配一個緩沖區(qū)。讀取時，每次讀取一個扇區(qū)，直到將數(shù)據(jù)全部讀取到sDRAM中。
    部分程序源碼如下：

3．3軟件總體設(shè)計
    基于以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計的流程如圖5所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，然后從Flash中讀取顯示屏參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)初始化。接著建立任務(wù)TaskControt()，其優(yōu)先級比各窗口顯示任務(wù)都要高，主要用于實時管理各窗口顯示任務(wù)，每個窗口的顯示由單個窗口顯示任務(wù)來控制。窗口顯示任務(wù)根據(jù)各窗口顯示方式的不同，在其對應(yīng)的part存儲區(qū)域進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的處理運算，然后調(diào)用窗口顯示子任務(wù)進(jìn)行顯示。在完成一幀數(shù)據(jù)的顯示后，調(diào)用一次OSTimeDlyHMSM()使當(dāng)前任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，下一個優(yōu)先級最高并進(jìn)入了就緒態(tài)的任務(wù)，立刻被賦予了CPU的控制權(quán)，由此完成窗口顯示任務(wù)之間的切換。任務(wù)TaskControl()定期查詢Reset是否有效，若有效則刪除原來建立的任務(wù)，重新讀取窗口數(shù)，建立新任務(wù)，啟用各個窗口顯示任務(wù)Task_i。

    任務(wù)TaskControl的偽程序段描述如下：

結(jié)語
    本設(shè)計充分利用了Nios II 32位處理器的高性能和μC／OS-II實時操作系統(tǒng)高效的任務(wù)調(diào)度算法，實現(xiàn)了單屏幕多窗口顯示，且顯示屏控制變得更加靈活。整個控制系統(tǒng)在1片F(xiàn)PGA芯片上完成，有效地降低了系統(tǒng)的成本。