嵌入式的LED点阵显示屏的研究与实现 第2页
采用EEPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻
辑宏单元，因而它的设计有许多灵活性。这些早期的PLD器件的一个共同特
点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使他们只能实
现较小的电路。20世纪80年代中期，Altera和Xilinx分别推出类似于队L结
构的扩展型EpLD(ErasableporgrnunabaleLogieDeviee，CpLD等待前身)和与标准门阵列类似的FPGA(FieldprogrmmabaleGateArray)，它们都是有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了
PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列
其它ASIC相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先
进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应
用于产品的原型设计和产品生产之中。
1.2.2ASICCPLD/FPGA技术
1.ASICCAD技术
Asxe(APplieationspeeifieIntegeratedCireutis，专用集成电路)是相对于
通用集成电路而言的，但是两者没有明显的界限，仅仅是适用范围的大小不同。
ASIC可以分为数字ASIC和模拟ASIC，数字ASIC又分为全定制(FullCustom)
和半定制(SemiCusotm)两种。全定制是一种基于晶体管级的ASIC设计方法。
设计人员使用版图编辑工具，从晶体管的版图尺寸、位置和互连线开始设计，
以期实现ASIC芯片面积利用效率高、速度快、功耗低的最优性能，但这种方
式的设计周期长，比较适合批量大的ASIC芯片设计。半定制是一种约束性设
计方法。约束的主要目的是简化设计、缩短设计周期以及提高新片成品率。
门阵列方式是CI厂家事先生产了大批量的半成品芯片，其内部成行成列
等距离地排列着以门为基本单元的阵列一称之为母片，只剩下一层或两层铝连
线的掩膜需要根据用户电路不同而定制。这种方式牵涉工艺较少，设计自动化
程度高，设计周期短，设计费用和造价低，但芯片面积利用率低。设计人员只
需要设计到电路一级，将电路的连接网络表文件以EDFI格式交由CI厂家即
可。
标准单元方式是由CI厂家预先设计好的一批具有一定功能的单元，这些
单元以库的形式放在CAD工具中，它的结构符合一定的电气和物理标准，故
称之为标准单元。设计人员在电路设计完成之后，利用CAD工具中的自动布
局布线软件就可以在版图一级完成电路一一对应的最终设计。门阵列与标准单
元在版图设计完成后都要进行仿真，以保证所设计的电路在映射到物理器件后
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完成功能的正确性。
2.CPLD/FPGACAD技术
经过了十几年的发展，许多公司都开发出了许多类型的可编程逻辑器件
(PLDs)。比较典型的就是Xilinx公司的FpGA器件系列和Altera公司的CpLD
器件系列，它们开发较早，占据了较大的PLD市场。
CPLD是由多个处于同一个芯片上的PLD及其互连结构组成，除了单个
PLD外，芯片上的互连结构也是可编程的，从而提供了丰富的设计能力。CPLD
可以通过增加单个PLD的数量以及在CPLD芯片上增加互连结构扩展到更大
的规模。与CpLD相比，现场可编程门阵列(field一progrmamablegatearray，
FPGA)包含数量更多的单个逻辑构件，并提供更大的、支配整个芯片的分布
式互连结构。图1一1说明了两种芯片设计方法之间的区别。(a)CPLD(b)FPGA口=逻辑块
图1一1大型可编程逻辑元件内部资源结构
3.ASIC与CPLD邝PGA进行电路设计的一般流程
通常将CPLDF/PGA设计流程归纳为以下七个步骤:
第一步:设计输入。传统设计中，设计人员是用传统的原理图输入方式来
开始设计的。自90年代初，Verlig、VHDL、AHDL等硬件描述语言的输入方
式得到了广大工程设计人员的认可;
第二步:前仿真。所设计的电路必须在布局布线前验证，目的主要是在仿
真时，验证电路功能是否有效。在ASIC设计中，这一步骤称为第一次Sign一。氏
第三步:设计输入编译。设计输入之后就有一个从高层系统行为设计向底
层门级逻辑电路的转化翻译过程，即把设计输入的某种或几种数据格式(网表)
转化为低层软件能够识别的某种数据格式，以求达到与其工艺无关;
第四步:设计输入的优化;
第五步:布局布线;
第辣步:后仿真:
第七步:流片。
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第2章系统总体设计方案
在进行系统设计之前，必须对要求解决的问题进行调查研究、分析论证，
在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的任
务和技术指标，确定调试系统等。另外，还要注意在满足性能指标的前提下，
尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比。
2.1系统总体方案
在以往的LED点阵系统中，采用单板控制系统。整个系统的控制核心是
单片机，单片机负责数据的读取、传输和显示。控制过程如图2一1所示。
初初始化化
设设置刷新等显示参数数
读读取进入画面，把数数数读取新的画面，把数数
据据存在显示缓存区据存在显示缓存区区
传传输显示缓存区数据据
并并显示点阵画面面
图2一1传统点阵显示系统控制流程
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这种方案在对显示画面不多、显示画面不大时是方便而可行的。但是由于
单片机执行指令受时间的限制，当显示画面较大时(画面的点阵数据较多)，
单片机的速度往往难以满足要求。在传统的方案中，显示画面的数据预先已经
存贮在ROM中;当程序运行时，CPU依序将ROM中存储的画面数据输出。
当用户希望增加或改动画面时，要重新编写程序，改动不方便。因此，我们想
设计一种具有通信功能、可以受PC控制、可以组网的点阵显示系统。这样实
现高显示频率和灵活的显示方式。
在参考新型数字产品的基础上，并结合嵌入式技术，提出了实现本系统的
方案。即采用嵌入式软/硬件的集成方案来实现系统的各种功能。
系统是基于嵌入式技术之上的，这使得系统可以利用性能和功能飞速提高
的嵌入式的软/硬件资源。下面，我们将从几个方面具体介绍系统方案的初步
设计。并会在后面的章节里，具体讲解方案硬件/软件的实现。
2.2系统的初步设计
点阵显示系统结构如图2一2所示，点阵显示板通过串口和TCP/PI协议实
现与PC机的通信及调试。PC机通过通信端口可以对点阵显示板进行配置，包
括显示模式的更改和显示画面的更新。多块点阵显示板还可以组成网络，实现
局域网的拓扑结构。多块点阵显示板可以利用TCP/PI协议或者专门开发的基
于串口的协议进行通信。图2一2点阵显示系统的总体框架
点阵显示板提供与LED显示屏相匹配的接口，包括数据总线、同步脉冲、
行选信号线。点阵显示板实现画面点阵的搜索、显示画面点阵的缓存、显示画
面点阵移位、LED行动态扫描等功能
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