【原创】如何使用DE2的1602LCD --之一（quartus）（verilog）（digital logic）
1. 缘起
会了点HDL和数字逻辑基础后，操作DE2上的开关，led，7断码数码管都没啥问题，但至此好像也只能玩玩n年前教科书上都有的lab，啥数字钟，汽车尾灯，交通灯之类。浪费了DE2的资源，未免对不起DE2的价钱。板子上最明显的东东莫过于那个1602的LCD了，遂想玩玩这个东东。伟大的教育培养的惯性思维：照书本来，狗来狗去，国产的似乎就只有一本关于DE2的书（上交的一个博士写的），拜读一下，大半是DE2附带的光盘lab的中译版，。。。总之，DE2的玩法，没在这本书里找到，估计又是应付国内职评的产物。没期望过，所以没啥失望，好在web上tw的教育网页可打开，那边的学生都推荐OO无双说过的那两本，遍历卓越等，大陆没引进，所以没得卖。再看看老美的，别个用乔治亚理工的helben写的那本，down个电子版（同样国内没引进，amazon上60多刀）。遗憾没得随书的DVD，里面的source code都在DVD上，只能看个大概。看来国内的高人都没得时间写书。要玩转这个LCD，还的靠自己。一切还是老老实实的从DE2附带的DEMO开始（感谢terasic，起码提供了demo）。
2. 涅槃
手边最基本、最可靠的东东就是DE2光盘里的DEMO和datasheet了，俺喜欢从低级的玩起，所以代码就从default开始。先看datasheet，这个LCD的控制器是HD4470，说是较通用的型号，以前没玩过，不知道有多通用，简化版的datasheet有16页，主要说明这块LCD可以显示英文、数字、标点符号和日文。中文估计得自己加字库，（加到哪里，flash？啥，俺现在还比较糊，所以先不考虑显示中文。）
总结一下这块LCD：共计11条指令，指令格式用RS，RW，DB7-0共10位的方式表示。
- display_clear = 00_0000_0001
功能：DDRAM设为20H、光标回到起始位置、AC置0.
2. return_home = 00_0000_001x
功能：光标回到起始位置、AC置0、DDRAM内容不变。
3. mode_set = 00_0000_01 l/D S
功能：设定每次输入一位数据后，光标的移动方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。
l/D 0-左移；1-右移。
S 0-屏不动；1-屏右移1。
4. display_on = 00_0000_1 D C B
功能：控制显示的开关，光标显示/关闭，以及光标是否闪烁。
D 0-显示关；1-显示开。
C 0-无光标；1-有光标。
B 0-光标闪；1-不闪。
5. cursor or display shift = 00_0001_S/C R/L xx
功能：S/C R/L
0 0 光标左移1格，且AC-1
0 1 光标右移1格，且AC+1
1 0 显示屏上的字符全左移1格，但光标不动
1 1 显示屏上的字符全右移1格，但光标不动
6. function set = 00_001DL_NFxx
功能：设定数据总线位数，显示的行数及字型。
DL 0-4 bit 1-8 bit
N 0-1行 1-2行
F 0-5*8dots 1-5*11dots
7. set CGRAM address = 00_01_AC5-0
8. set DDRAM address = 00_1_AC6-0
9. read busy flag and address = 01_BF_AC6-0
BF 1-忙， 0-可接受外部数据或指令。
10. write data to RAM = 10_D7-0
字符码写入DDRAM，显示字符；自定义图形存入CGRAM。
11. read data from RAM = 11_D7-0
除了上述11条指令，比较难的就是时序，读、写的时序，每条指令的执行时间。对于LCD_EN,有2中有效状态，高电平和下降沿。其为高电平时读取信息；下降沿时执行指令。在将E置高电平之前，先设置好RS和RW，在E下降沿到来之前，准备好写入的命令或数据。只需在适当的地方加上延时，就可以满足要求。
DDRAM里的内容是要显示的字符的地址，DDRAM的地址是显示字符的位置。AC在显示字符串时用。
3. 代码
目的是显示如图所示的字符。
代码：
1
module
LCD_top(
2
CLOCK_50,
//
50 MHz
3
LCD_ON,
//
LCD Power ON/OFF
4
LCD_BLON,
//
LCD Back Light ON/OFF
5
LCD_RW,
//
LCD Read/Write Select, 0 = Write, 1 = Read
6
LCD_EN,
//
LCD Enable
7
LCD_RS,
//
LCD Command/Data Select, 0 = Command, 1 = Data
8
LCD_DATA
//
LCD Data bus 8 bits
9
);
10
11
input
CLOCK_50;
//
50 MHz
12
inout
[
7
:
0
] LCD_DATA;
//
LCD Data bus 8 bits
13
output
LCD_ON;
//
LCD Power ON/OFF
14
output
LCD_BLON;
//
LCD Back Light ON/OFF
15
output
LCD_RW;
//
LCD Read/Write Select, 0 = Write, 1 = Read
16
output
LCD_EN;
//
LCD Enable
17
output
LCD_RS;
//
LCD Command/Data Select, 0 = Command, 1 = Data
18
19
//
LCD ON
20
assign
LCD_ON
=
1
'
b1;
21
assign
LCD_BLON
=
1
'
b1;
22
23
wire
DLY_RST;
24
25
Reset_Delay r0 ( .iCLK(CLOCK_50),.oRESET(DLY_RST) );
26
27
LCD_TEST u5 (
//
Host Side
28
.iCLK(CLOCK_50),
29
.iRST_N(DLY_RST),
30
//
LCD Side
31
.LCD_DATA(LCD_DATA),
32
.LCD_RW(LCD_RW),
33
.LCD_EN(LCD_EN),
34
.LCD_RS(LCD_RS) );
35
36
endmodule
37
1
module
LCD_TEST (
//
Host Side
2
iCLK,iRST_N,
3
//
LCD Side
4
LCD_DATA,LCD_RW,LCD_EN,LCD_RS );
5
//
Host Side
6
input
iCLK,iRST_N;
7
//
LCD Side
8
output
[
7
:
0
] LCD_DATA;
9
output
LCD_RW,LCD_EN,LCD_RS;
10
//
Internal Wires/Registers
11
reg
[
5
:
0
] LUT_INDEX;
12
reg
[
8
:
0
] LUT_DATA;
13
reg
[
5
:
0
] mLCD_ST;
14
reg
[
17
:
0
] mDLY;
15
reg
mLCD_Start;
16
reg
[
7
:
0
] mLCD_DATA;
17
reg
mLCD_RS;
18
wire
mLCD_Done;
19
20
parameter
LCD_INTIAL
=
0
;
21
parameter
LCD_LINE1
=
5
;
22
parameter
LCD_CH_LINE
=
LCD_LINE1
+
16
;
23
parameter
LCD_LINE2
=
LCD_LINE1
+
16
+
1
;
24
parameter
LUT_SIZE
=
LCD_LINE1
+
32
+
1
;
25
26
always
@(
posedge
iCLK
or
negedge
iRST_N)
27
begin
28
if
(
!
iRST_N)
29
begin
30
LUT_INDEX
<=
0
;
31
mLCD_ST
<=
0
;
32
mDLY
<=
0
;
33
mLCD_Start
<=
0
;
34
mLCD_DATA
<=
0
;
35
mLCD_RS
<=
0
;
36
end
37
else
38
begin
39
if
(LUT_INDEX
<
LUT_SIZE)
40
begin
41
case
(mLCD_ST)
42
0
:
begin
43
mLCD_DATA
<=
LUT_DATA[
7
:
0
];
44
mLCD_RS
<=
LUT_DATA[
8
];
45
mLCD_Start
<=
1
;
46
mLCD_ST
<=
1
;
47
end
48
1
:
begin
49
if
(mLCD_Done)
50
begin
51
mLCD_Start
<=
0
;
52
mLCD_ST
<=
2
;
53
end
54
end
55
2
:
begin
56
if
(mDLY
<
18
'
h3FFFE) // 5.2ms
57
mDLY
<=
mDLY
+
1
;
58
else
59
begin
60
mDLY
<=
0
;
61
mLCD_ST
<=
3
;
62
end
63
end
64
3
:
begin
65
LUT_INDEX
<=
LUT_INDEX
+
1
;
66
mLCD_ST
<=
0
;
67
end
68
endcase
69
end
70
end
71
end
72
73
always
74
begin
75
case
(LUT_INDEX)
76
//
Initial
77
LCD_INTIAL
+
0
: LUT_DATA
<=
9
'
h038; //Fun set
78
LCD_INTIAL
+
1
: LUT_DATA
<=
9
'
h00C; //dis on
79
LCD_INTIAL
+
2
: LUT_DATA
<=
9
'
h001; //clr dis
80
LCD_INTIAL
+
3
: LUT_DATA
<=
9
'
h006; //Ent mode
81
LCD_INTIAL
+
4
: LUT_DATA
<=
9
'
h080; //set ddram address
82
//
Line 1
83
LCD_LINE1
+
0
: LUT_DATA
<=
9
'
h120; // http://halflife.cnblogs.com
84
LCD_LINE1
+
1
: LUT_DATA
<=
9
'
h168; // h
85
LCD_LINE1
+
2
: LUT_DATA
<=
9
'
h174; // t
86
LCD_LINE1
+
3
: LUT_DATA
<=
9
'
h174; // t
87
LCD_LINE1
+
4
: LUT_DATA
<=
9
'
h170; // p
88
LCD_LINE1
+
5
: LUT_DATA
<=
9
'
h13A; // :
89
LCD_LINE1
+
6
: LUT_DATA
<=
9
'
h12F; // /
90
LCD_LINE1
+
7
: LUT_DATA
<=
9
'
h12F; // /
91
LCD_LINE1
+
8
: LUT_DATA
<=
9
'
h168; // h
92
LCD_LINE1
+
9
: LUT_DATA
<=
9
'
h161; // a
93
LCD_LINE1
+
10
: LUT_DATA
<=
9
'
h16C; // l
94
LCD_LINE1
+
11
: LUT_DATA
<=
9
'
h166; // f
95
LCD_LINE1
+
12
: LUT_DATA
<=
9
'
h16C; // l
96
LCD_LINE1
+
13
: LUT_DATA
<=
9
'
h169; // i
97
LCD_LINE1
+
14
: LUT_DATA
<=
9
'
h166; // f
98
LCD_LINE1
+
15
: LUT_DATA
<=
9
'
h165; // e
99
//
Change Line
100
LCD_CH_LINE: LUT_DATA
<=
9
'
h0C0;
101
//
Line 2
102
LCD_LINE2
+
0
: LUT_DATA
<=
9
'
h12E; // .
103
LCD_LINE2
+
1
: LUT_DATA
<=
9
'
h163; // c
104
LCD_LINE2
+
2
: LUT_DATA
<=
9
'
h16E; // n
105
LCD_LINE2
+
3
: LUT_DATA
<=
9
'
h162; // b
106
LCD_LINE2
+
4
: LUT_DATA
<=
9
'
h16C; // l
107
LCD_LINE2
+
5
: LUT_DATA
<=
9
'
h16F; // o
108
LCD_LINE2
+
6
: LUT_DATA
<=
9
'
h167; // g
109
LCD_LINE2
+
7
: LUT_DATA
<=
9
'
h173; // s
110
LCD_LINE2
+
8
: LUT_DATA
<=
9
'
h12E; // .
111
LCD_LINE2
+
9
: LUT_DATA
<=
9
'
h163; // c
112
LCD_LINE2
+
10
: LUT_DATA
<=
9
'
h16F; // o
113
LCD_LINE2
+
11
: LUT_DATA
<=
9
'
h16D; // m
114
LCD_LINE2
+
12
: LUT_DATA
<=
9
'
h120;
115
LCD_LINE2
+
13
: LUT_DATA
<=
9
'
h120;
116
LCD_LINE2
+
14
: LUT_DATA
<=
9
'
h120;
117
LCD_LINE2
+
15
: LUT_DATA
<=
9
'
h120;
118
default
: LUT_DATA
<=
9
'
h000;
119
endcase
120
end
121
122
LCD_Controller u0 (
//
Host Side
123
.iDATA(mLCD_DATA),
124
.iRS(mLCD_RS),
125
.iStart(mLCD_Start),
126
.oDone(mLCD_Done),
127
.iCLK(iCLK),
128
.iRST_N(iRST_N),
129
//
LCD Interface
130
.LCD_DATA(LCD_DATA),
131
.LCD_RW(LCD_RW),
132
.LCD_EN(LCD_EN),
133
.LCD_RS(LCD_RS) );
134
135
endmodule
1
module
LCD_Controller (
//
Host Side
2
iDATA,iRS,
3
iStart,oDone,
4
iCLK,iRST_N,
5
//
LCD Interface
6
LCD_DATA,
7
LCD_RW,
8
LCD_EN,
9
LCD_RS );
10
//
CLK
11
parameter
CLK_Divide
=
16
;
12
13
//
Host Side
14
input
[
7
:
0
] iDATA;
15
input
iRS,iStart;
16
input
iCLK,iRST_N;
17
output
reg
oDone;
18
//
LCD Interface
19
output
[
7
:
0
] LCD_DATA;
20
output
reg
LCD_EN;
21
output
LCD_RW;
22
output
LCD_RS;
23
//
Internal Register
24
reg
[
4
:
0
] Cont;
25
reg
[
1
:
0
] ST;
26
reg
preStart,mStart;
27
28
/////////////////////////////////////////////
29
//
Only write to LCD, bypass iRS to LCD_RS
30
assign
LCD_DATA
=
iDATA;
31
assign
LCD_RW
=
1
'
b0;
32
assign
LCD_RS
=
iRS;
33
/////////////////////////////////////////////
34
35
always
@(
posedge
iCLK
or
negedge
iRST_N)
36
begin
37
if
(
!
iRST_N)
38
begin
39
oDone
<=
1
'
b0;
40
LCD_EN
<=
1
'
b0;
41
preStart
<=
1
'
b0;
42
mStart
<=
1
'
b0;
43
Cont
<=
0
;
44
ST
<=
0
;
45
end
46
else
47
begin
48
//////
Input Start Detect
//////
/
49
preStart
<=
iStart;
50
if
({preStart,iStart}
==
2
'
b01) // latch ?
51
begin
52
mStart
<=
1
'
b1;
53
oDone
<=
1
'
b0;
54
end
55
/////////////////////////////////
/
56
if
(mStart)
//
generate LCD_EN
57
begin
58
case
(ST)
59
0
: ST
<=
1
;
//
Wait Setup, tAS >= 40ns
60
1
:
begin
61
LCD_EN
<=
1
'
b1;
62
ST
<=
2
;
63
end
64
2
:
begin
65
if
(Cont
<
CLK_Divide)
66
Cont
<=
Cont
+
1
;
67
else
68
ST
<=
3
;
69
end
70
3
:
begin
71
LCD_EN
<=
1
'
b0;
72
mStart
<=
1
'
b0;
73
oDone
<=
1
'
b1;
74
Cont
<=
0
;
75
ST
<=
0
;
76
end
77
endcase
78
end
79
end
80
end
81
82
endmodule
1
module
Reset_Delay(iCLK,oRESET);
2
input
iCLK;
3
output
reg
oRESET;
4
reg
[
19
:
0
] Cont;
5
6
always
@(
posedge
iCLK)
7
begin
8
if
(Cont
!=
20
'
hFFFFF) //21ms
9
begin
10
Cont
<=
Cont
+
1
;
11
oRESET
<=
1
'
b0;
12
end
13
else
14
oRESET
<=
1
'
b1;
15
end
16
17
endmodule
仿真结果：
4. 小结
上面的代码也是terasic的default文件的设计思想，利用2个FSM来实现写入数据，并显示。在LCD_Controller里的FSM是写操作的过程，如下图
关键是产生有效的E。LCD_TEST里的FSM则是初始化数据，调用LCD_Controller写入数据，设置合理延时（5.2ms），循环递进显示下一条数据。难点在于这2个FSM咋联系起来，一说子函数调用，简单，关键是这里从一个FSM的某个状态进入另一个FSM的某个状态，被调用的FSM的多个状态又包含在上层的FSM的一个状态中，其间的时序，关联就靠start和done来实现，这一点也是仿真了demo，才分析出来的。可能比较麻烦，所以才没人把每步的时序分解说明。看来，读代码的“黑屋修炼”是不可太期望别个会帮助的。
ps： 在仿真时，用qII花了不少时间，用modelsim，提示内存不足。