Spartan-3A スタータキット

～LCDパネル表示～

2007/04/18

あなたは

人目のお客様です．

とりあえず，LCDパネルを利用できるようにしたい．というのは，今後PS/2やシリアル通信の実験をする際に，デバッグ出力としてLCDくらいが使えないとつらいので．

LCDの使いかたは，こちらで説明したユーザーガイド(ug330.pdf)に詳細がある． Spartan-3Eスタータキットのユーザーガイドの日本語版(j_ug230.pdf)も参考になる．

ただ，Spartan-3AスタータキットとSpartan-3Eスタータキットでは，LCDに関して，以下の点が違っているので注意．

Spartan-3EスタータキットではLCDパネルは4bit接続だが， Spartan-3Aスタータキットでは8bit接続になっている．
Spartan-3Aスタータキットでは，LCDは4bit，8bitの両方で操作ができる． (4bitでも操作できるので，Spartan-3Eスタータキットとの互換がある)
Spartan-3AスタータキットでLCDを4bitとして扱うならば，残りの使用しない4bitはhighにしておけばいいらしい．
Spartan-3Eスタータキットでは，LCDパネルのデータライン(4bit)は StrataFlashと共用なので，SF_CE0とLCD_Eの間でうまく排他を取らなければならないが，Spartan-3Aスタータキットでは独立しているので，排他を考える必要は無し．

Spartan3AとLCDパネルはLCD_DB0～7，LCD_E，LCD_RS，LCD_RWという信号線で接続されている．

LCD_DB0～7 ... データやコマンドを送るために使う．
LCD_E ... イネーブル信号．LCDの操作をしたいときに１にする．
LCD_RS ... コマンド送信の場合は０，データ送信の場合は１にする．
LCD_RW ... LCDへの書き込み(データ送信)の場合は０， LCDからデータを受け取る場合は１にする．のだが，ユーザーガイドを読むと，なんかLCDとSpartan3Aの間では電圧レベルが違ってて(LCDは5V，Spartan3Aは3.3V)， Spartan3A→LCDの場合は問題無い(LCDは5V駆動だけど，3.3Vでもまあ認識してくれる) のだけれど，LCD→Spartan3Aの場合は電圧オーバーになるので，抵抗を挟むことで調整しているらしい．まあユーザーガイドにもあるように，LCDからデータを受け取るようなことはあまり無いので，LCD_RWは常に０ということで，とりあえず気にしなくていいみたい．

あとはLCDに対してのコマンド発行のタイミングについて書かれている．簡単に説明するとこんな感じ．

LCD_DB，LCD_RS，LCD_RW(これは常にゼロだが)をセットする．
LCD_Eを１にする．
LCD_Eを０にする．
LCD_DB，LCD_RS，LCD_RWをもとに戻す(べつに戻さなくてもいいけど一応)．

LCDパネルは，LCD_Eが１になったときにLCD_DBからコマンドなどを読み込んで動作する．で，１～２は40ns以上の余裕が無ければならない．２～３は230ns以上保持しなければならない．３～４は10nsの余裕が必要． 50MHzだと１クロックで20nsなので，１～２は２クロック，２～３は12クロックということになる．３～４は１クロック未満だし，どうせコマンド後にウエイトが入るので，あんまし考える必要無し．

さらに，コマンドやデータは常に8bitで扱われるが， 4bit制御の場合には，8bitを２回に分けて，上記１～３のシーケンスを２回行うことで送信する．最初の１回で上位4bitを送信し，1usのウエイト(50クロック)を置き，次の１回で下位4bitを送信する．

またコマンド送信したら，次のコマンドまで40us(50MHzで2000クロック)のウエイトが必要．ただしコマンド(ディスプレイのクリアなど)によっては，もっとウエイトが必要な場合もあるので注意．まあこのへんの細かいことはユーザーガイドに書いてある．

あと，ユーザーガイドには実際に4bit接続で初期化して文字を表示するまでに必要なシーケンスが一通り載っている．しかし残念ながら ug330.pdf で説明してあるシーケンスは ug230.pdf に8bitの説明をちょこっと加えたくらいのもので， 8bitで操作する場合のことがあまり書いていない． (シーケンスも4bitの場合についてのみ説明されていて，8bitの場合の説明は無い)

LCDの動作に関しては，こちらで試したデモ(s3ask_demo.zip) のソースが参考になる．このデモは実際にはpicoblazeで実行されているので，デモの実体は picoblaze のアセンブラとして書かれているのだけど，コメントもきちんと入っているし，まあ見ればだいたい想像つくように書かれている．ちなみにデモは，LCDは4bitでなく8bitで制御している．

s3ask_demo.zip を解凍すると， demo/source/boarddemo.v というファイルが作成される．これがデモのためのボードのI/O制御の記述になっている． LCDの制御は demo/source/boarddemo.v を見ると， I/Oポートの0x22がデータ用ポート，0x23が制御用ポートに割り当てられていることがわかる．つまりpicoblazeから見れば，0x22と0x23のI/Oポートに出力することで， LCDが制御できるわけだ．っていうことはpicoblazeはメモリマップドI/Oではなく， I/Oポートアクセス用の命令を持つ，いわゆるI/OマップドI/Oになっているのだろうと見当がつく(Z80みたいだね)．ていうかCPUのI/Oポート制御部分ってこーいうふうに書くんだねー．非常に参考になる．

デモのための picoblaze アセンブラは，demo/source/picocode/picocode.psm にある．このファイルの中の lcd_reset_8bit というラベルの付近で， LCDの初期化などを行っている．このあたりでOUTPUTというアセンブラ命令を使っている部分があるので，これがおそらくI/Oポート出力命令だと見当がつく．

で，アセンブラを見たところ，8bitで制御したい場合には， Function Set コマンドの発行時に0x28でなく0x38を送信すればいいらしい (LCD_DB4が０のとき4bit制御，１のとき8bitになる)．このへんのことは残念ながらユーザーガイドには書かれていなくて，ユーザガイドでは，Function Set コマンドの LCD_DB4 は常にゼロ (Function Set コマンドの値は常に0x28)と書かれてしまっているので注意．

で，ユーザーガイドとデモのアセンブラを参考にして作ったサンプルプログラムが以下．ゲートサイズの効率とかはまったく無視して書いているので注意．デモは8bit制御なのだけど，とりあえず4bit制御で書いてみた． lcd.ucf(Constraints File:制約ファイル)については，こちらを参照．

lcd.v
lcd.ucf

lcd.vではクロックをカウントすることで必要なだけウエイトし，状態遷移しながらLCDパネルにコマンドを送る，という動作をしています．こーいうシーケンシャルな制御は，VerilogHDL で(回路として)処理するよりも， CPU使って処理したほうがやりやすいと思った (picoblazeやZ80のような，単純な8bitCPUでも十分)．まあでも勉強としてやっているのでいいのだけど．

以下は実行したところ．注意として，ボードの電源ON時にフラッシュROM上に書き込んであるデモが起動してしまうと，デモプログラムがLCDの初期化を行ってしまうので，その後FPGAにテストプログラムをダウンロードしなおしても， LCDの初期化も含めたちゃんとしたテストが行えない．デモが起動しないようにジャンパの設定を変更(画像中央参照)して実行した．

A,B,C,Dの文字が，１秒おきに左上から表示されます． LEDは状態遷移に合わせて点灯します．４つボタンの下を押すことでリセットがかかり，再表示します．

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