基于NiosⅡ软核处理器的七段数码管动态显示设计

　　SOPC(System On Programmable Chip)技术是美国Altera公司于2000年最早提出的，并同时推出了相应的开发软件Quartus II。SOPC是基于FPGA解决方案的SOC(System On Chip)，构成SOPC的方案也有多种。第一种是基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统，即在FPGA中事先植入嵌入式系统处理器，目前最常用的嵌入式处理器大多采用了含有ARM的32位知识产权处理器核的器件。第二种是基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统，目前最有代表性的软核处理器分别是Altera公司的Nios II核，以及Xilinx公司的MicroBlaze核。第三种是基于HardCopy技术的SOPC系统，HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具，将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化。

　　1 基于Altera公司NiosⅡ软核处理器的SOPC系统

　　Altera公司Nios II软核是目前使用最为广泛的一种软核处理器。值得一提的是，利用Matlab和Altera公司的DSP Builder，用户可以为Nios II软核处理器设计各类DSP硬件加速器，并以指令的方式加入Nios II的指令集，从而可以构建自己的DSP处理器系统。

　　1.1 基于NiosⅡ软核处理器的SOPC系统结构

　　如图1所示的一个基本的基于NiosⅡ软核的SOPC系统，除NiosⅡ核、定时器和片上存储器以外，还需要在FPGA器件中添加一些接口元件。这些元件一方面通过片上的Avolon总线与NiosⅡ软核相连，另外一方面又提供了外设与NiosⅡ软核通信的接口界面。

　　Altera公司QuartusⅡ软件中的SOPC Builder工具提供了许多常用的外设接口元件，如UART接口元件、PIO接口元件等，通过这些接口元件可以连接诸如RS232、LED、数码管和按键等输入输出设备。在相对复杂的系统设计当中，还可以通过Avalon三态总线桥外接大容最的SRAM和FLASH，以提供更大的程序和数据存储空间。从图1中，还可以注意到，通过使用系统提供的用户自定制外设接口元件的功能，用户可以在系统中添加一个符合Avalon总线规范的外设接口元件，以连接用户特定功能的外部设备。

　　1.2 自定制Avalon用户外设接口元件简介

　　对于自定制的Avalon外设接口元件按照Avalon总线操作的不同可以分为两类：Avalon Slave外设接口元件型的自定制的Avalon Slave外设接口元件框图。从图2中可以看到寄存器的定义是自定制外设接口元件很重要的一部分，必须根据设计的需要确定寄存器的个数和种类。图2中的Avalon Slave接口提供了自定制外设接口元件与NiosⅡ处理器之间数据交换的界面，其接口信号类型也必须根据设计的需要合理地进行选择。常用的Avalon Slave接口信号类型有：clk，chipselect，address，write，writedata，byteenable，reset等。图2中的任务逻辑具体说明了自定制外设接口的功能，并给出了与外设连接的接口信号。

　　自定制Avalon Slave外设接口元件的方法：可以利用SOPC Builder提供的元件编辑器在图形用户界面下将用硬件描述语言(Verilog或VHDL)描述的用户逻辑封装成一个SOPC Builder元件。相应的硬件描述语言文件给出了自定制外设接口元件的内部寄存器结构，使用到的Avalon Slave接口信号和自定制外设接口的逻辑功能。一旦定制成功后，用户自定制的外设接口就可以象SOPCBuilder中其他元件一样被调用。

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　　2 基于NiosⅡ软核处理器的七段数码管动态显示设计

　　数字系统设计中，用数码管显示数据结果是常用的一种方法。利用Altera的SOPC Builder工具进行Nios Ⅱ系统设计时，并没有提供专门的数码管显示接口元件，但可以使用PIO元件驱动数码管显示，不足之处是占用器件引脚数目过多。本文当中以自定制Avalon Slave外设接口元件的方式，给出了一种基于NiosⅡ软核的七段数码管动态显示设计方案。该设计可以用来驱动1～8个共阴极(或共阳极)数码管的显示，可以根据需要选择小数点显示的位置，每个数码管可以显示0～F之间的十六进制字符。

　　图3为自定制的数码管动态显示接口元件逻辑结构图，其中定义了2个寄存器display_data_reg和controlreg。display_data_reg是个一个32位二进制的数据寄存器，其数据每4位可以译码得到1个数码管的七段显示所需的字符码，因此，display_data_reg同时最多可以给出8个数码管所需要的显示数据。control_reg是一个8位二进制的控制寄存器，但只定义了0～2位和第4位的含义。0～2位的数据给出了小数点显示的位置，数值范围在“000”～“111”之间，对应着8个数码管最低位到最高位的小数点的位置。第4位是数码管显示的启动停止位，当该数据位为1时，可使自定制接口元件所驱动的数码管正常显示结果;当该数据位为0时，停止显示，所有被驱动的数码管熄灭。

　　参数n定义了循环加法计数器的模数，同时也决定了驱动数码管显示的个数，其取值范围在1～8之间。clkdisplay是循环加法计数器的时钟输入，他决定了计数器的计数频率，同时也决定了数码管显示的动态扫描频率。参数pos用于决定驱动数码管的类型，其值可设定为0或1。当其值为0时，seg_out字符码输出高电平有效，bit_control数码管位选控制输出低电平有效，此时输出结果用于驱动共阴极数码管显示;当pos值为1时，seg_out字符码输出低电平有效，bit_control数码管位选控制输出高电平有效，此时输出结果用于驱动共阳极数码管显示。

　　seg_out为自定制元件的字符码输出，用于驱动数码管显示(包括小数点位)。其中，最高一位seg_out[7]用于驱动对应数码管的小数点显示，低7位seg_out[6..0]用于驱动数码管的七段宁符显示。图3中数码管七段译码器根据循环加法计数器的当前状态值，从display_data_reg寄存器中选择4位二进制数据进行译码。例如，当前驱动的数码管的个数为5个(即n=5)，循环加法计数器的当前状态值用count表示，则count在0～4范围内变化;若计数器的当前状态值count为2，则选择寄存器display_data_reg[11..8]的4位二进制数据进行译码，若计数器的当前状态值count为3，则选择寄存器display_data_reg[15..12]的4位二进制数据进行译码，即总是选择寄存器display_data_reg[(count+1)