基于Nios II的多媒體廣告系統原理設計

?引言
??? 多媒體廣告是當今企業與消費者交流、展示自我形象的一個平臺，傳統形式的廣告業務制作成本高，周期長，內容模式固化僵硬，相對于市場變化有很大滯后性。電子屏的出現，不僅可以使企業更全面的展示產品，推廣企業文化，而且可以滿足不同讀者的需求，改善城市環境，提升人民生活質量，更重要的是廣告能夠更及時、更準確、更全面的展示自己的新產品，第一時間與消費者進行溝通，贏得市場，獲取利潤，以及根據市場動態更及時更全面的做出市場決策。基于以上原因，我們采用Nios II軟核設計了能及時發布戶外廣告、電子公告的多媒體廣告系統。

1 多媒體廣告系統所用技術簡介
1．1 SOPC技術
??? SOPC是可編程片上系統(System On Programmablechip)的簡稱，是Altera公司提出的一種在可編程邏輯器件上靈活、高效實現SOC的解決方案。將處理器、存儲器、I/O、LVDS、CDR等系統設計模塊集成到一枚FPGA或者CPLD上，構成一種可編程的片上系統。SOPC是一種特殊的嵌入式系統：首先它是片上系統SOC；其次它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁剪、擴充、升級，并且具備軟硬件在系統可編程的功能。FPGA則是SOPC的高效設計平臺。本系統是在Altera公司的DE1上實現，FPGA采用的是Cyclone II EP2C20F484C7。伴隨著Nios的發展，Altera的SOPC概念逐漸為人們所接受，進而又推出了第二代處理器軟核Nios II，提高了處理能力、減少了資源占用，并在價格上擁有相當大的優勢，進一步推動了SOPC的發展。系統模塊在SOPC中可方便集成為一個系統。系統如圖1所示：

??? 在Quartus II下搭建的系統如圖2所示：

??? 設計方法與實現步驟：
??? 整個設計采用自頂向下的設計方法，在設計之初我們先描繪出整個設計所涉及的各個部件和功能模塊，然后在SOPC Builder中搭建各硬件模塊，各模塊通過Avalon總線有序的連接在一起。SOPC Builder的圖形可視化設計，大大的方便了系統硬件的設計，尤其是Avalon總線的引入可以讓設計人員從繁瑣的細節問題和代碼編寫上解放出來，將精力集中與系統框架的整體設計和用戶程序的編寫之上。
1．2 Nios II軟核處理器
??? Nios II是一種擁有超過200DMIPS性能的32位RISC處理器IP核，其外設與處理器本身都是使用HDL編寫的，可以在Altera幾乎所有的FPGA中實現。由于處理器是軟核形式，可以根據應用的需要自由定制，滿足成本和功能的要求，因此具有很大的靈活性。Nios II系列嵌入式處理器建立在第一代16位Nios處理器的基礎上，使用32位的指令集結構(ISA)，定位于廣泛的嵌入式應用。Nios II處理器系列包含3種內核：快速型(Nios II／f)、經濟型(NiosII／e)和標準型(Nios II／s)內核。每一種內核都針對資源和性能作了特定的優化。由于多媒體信息的操作對系統處理器運算速度有著較高的要求，所以采用了快速型的內核。快速型內核的處理速度最快可達到200DMIPS，工作頻率是135MHz，支持6級流水線，外部尋址空間為2GB。保證了系統的實時性和穩定性。使用Altera的Quartus II軟件、SOPC Bulilder工具以及Nios II集成開發環境(IDE)完成了基于Nios II的嵌入式系統開發。

2 系統的構成
??? 多媒體廣告系統主要由上下位機通信模塊、嵌入FPGA的Nios II處理器、視頻音頻輸出模塊、下位機存儲模塊等組成。系統的硬件結構圖如圖3所示。

??? 由于多媒體廣告的投放發布有實時和非實時之分，所以系統的工作模式也分為同步與異步兩種。系統的軟件流程圖如圖4所示。
2．1 通信模塊
??? 模塊集成了LAN91C111 Ethernet MAC，同時使用Nios II IDE建立了基于uC／OS II操作系統的TCP／IPSocket server工程，該應用工程能夠初始化IwIP(Lightweigh IP)stack，運行簡單的TCP Server。PC機通過Ethernet與下位機通信。另外在上位機上編寫了一個與下位機通信的軟件，該軟件主要是用于多媒體廣告的同步投放，以及將要用于異步投放的多媒體廣告信息下載到下位機的存儲器中。
2．2 IP核
??? IP核是知識產權核(Intellectual Propety Kernel)的簡稱，主要將一些在數字電路中常用的但比較復雜的功能塊設計成參數可修改的模塊，讓其他用戶可以直接調用這些模塊。本設計中主要用到了存儲控制器IP CORE和多媒體信息輸出控制器IP CORE。
2．3 SD卡的讀寫驅動模塊
??? 多媒體廣告文件的數據量較大，因此采用SD卡作為多媒體文件的存儲器。通過Nios II的I／O口與SD卡相連，采用SD模式對其進行讀寫的操作，實現對數據的4線高速傳輸。如圖5所示。

2．4 異步模式下顯示方式控制模塊
??? 為了滿足不同風格多媒體廣告的在異步模式下投放需要，將DE1平臺上的10個開關通過I／O口與Nios II連接，撥動不同的開關來設定廣告的顯示方式，從而達到更好的顯示效果，目前已實現的顯示方式有：組合分屏顯示、多幅圖像分屏顯示、單幅圖像循環顯示、單幅分屏顯示、單幅分屏顯示加旋轉、單幅重復顯示等。

3 結語
??? 本文設計的多媒體廣告系統基于Nios II處理器，易于升級、運行速度快、穩定、功耗低，能很好的滿足戶外多媒體廣告的投放需要。