可编程循环状态机接口的制作方法

专利名称：可编程循环状态机接口的制作方法
可编程循环状态机接口技术领域
本申请案的技术领域涉及用以外围装置的微控制器接口。
背景技术：
微控制器广泛地用于消费型及工业产品中以便以小的增量成本提供复杂的用户 交互作用及数字控制。举例来说，不是具有开关及简单的定时器来控制咖啡机，而是具有小 触摸屏液晶显示器(LCD)的微控制器可提供优越的用户体验且允许调制循环的增加的定 制、过程的实时状态及与其它家用装置的可能交互作用。冰箱可并入有具有图形显示器的 微控制器以不仅追踪冰箱的性能且还追踪冰箱的内含物。此将实现食品保质期满的报警、 购物单的自动产生及从递送服务自动订购食品杂货。工业应用可指示备用发电机的操作状 态以及与所执行的维护及修理的记录组合的维护计划表。在需要图形显示器的情况下，微控制器使用一类型显示器特有的且可能地限制于 特定几何结构及色彩深度的定制状态机与图形显示器介接。如果显示器的特性改变，那么 必须重新设计定制状态机。举例来说，用户要求可随时间改变，使得可将单色显示器升级到 新的或现有机器上的彩色显示器。或者，如果组件定价显著波动或在新环境条件的情况下， 可用不同的显示器技术来替代。在本发明之前，从单色LCD到有源矩阵薄膜晶体管(TFT) 显示器的改变可需要重新设计其中嵌入有微控制器及状态机的专用集成电路(ASIC)。另 一已知的方法是使用增加系统的成本及复杂性的芯片外LCD控制器(例如，产品号为 S1D13505F00A 的爱普生(EPSON)嵌入式 RAMDACLCD/CRT 控制器)。微控制器也可与其它并行数据源或输入/输出装置一起使用以丰富现有产品及 系统的功能性或创建仅可能具有计算机处理能力的新产品及系统。此类外围装置包含传感 器阵列、网络接口以及多点和压敏触摸屏。可使用并行数据接口及一个或一个以上控制信 号来并入大量的可能输入或输出装置。与图形显示器一样，将微控制器与这些输入/输出 装置介接已需要定制的逻辑或外部控制器。

发明内容
根据一实施例，一种位于集成电路上的可编程循环状态机可包括第一中央处理 单元(CPU)；存储器，其与所述CPU介接；状态机；第一数据总线，其将所述存储器连接到所 述状态机；第二数据总线；时钟输入；第一控制输出；第二控制输出；及控制输入，其中所述 第一控制输出的值随所述时钟输入、所述状态机的当前状态及所述控制输入而变；其中所 述第一数据总线的值可依据所述时钟输入、所述状态机的所述当前状态及所述控制输入而 在所述第二数据总线上输出；其中所述第二控制输出请求输入数据总线的下一值；且其中 所述状态机可通过所述控制输入编程。根据另一实施例，一种位于集成电路上的可编程循环状态机可包括帧计数器与 逻辑，其用于在第一控制输出上产生帧信号；线计数器与逻辑，其用于在所述第一控制输出 上产生线信号；存储器，其用以存储来自连接到微控制器的数据输入的值并将所述值转发到连接到图形显示器的数据输出；逻辑，其用于在第二控制输出上产生数据移位信号并在 所述第一控制输出上产生控制信号；及控制输入，其用于对所述状态机的循环进行编程以 控制所述帧信号、所述线信号、所述控制信号及所述数据移位信号的时序及持续时间。根据又一实施例，一种用于使用位于集成电路上的可编程循环状态机将数字图形 数据及控制信号提供到图形显示器的方法可包括以下步骤在第一控制输入上接受描述图 形显示器的输入时序要求、所述图形显示器的几何结构规范及所述图形显示器的色彩深度 信息的指令；在第一控制输出上提供能够控制所述图形显示器的信号；在第二控制输出上 提供能够从存储器或CPU请求下一数字图形数据单元的信号；及按照连接到数据输出的所 述图形显示器的所述输入时序要求将数字图形数据从连接到所述存储器或CPU的数据输 入发射到所述数据输出。依据以下特征、说明及以上权利要求书，所属领域的技术人员将容易地明了本发 明的其它技术优点。本申请案的各个实施例可仅获得所阐述的优点的子集。任何优点对所 述实施例来说并非关键的。


通过参考结合附图进行的以下说明可获取对本发明及其优点的更全面及透彻理 解，在附图中相同的参考编号指示相同的特征。通过参考图1到图12来最佳地理解本发明 的优选实施例及其优点。图1是显示微控制器及连接到输入/输出装置的可编程循环状态机接口的一个实 施例的核心组件的框图；图2是显示可编程循环状态机的一个实施例的内部组件的框图；图3是显示可编程循环状态机的一个实施例的输入及输出信号的框图；图4是显示用于将数据移位信号从显示器时钟域变换到CPU时钟域的一个实施例 中所需的电路的框图；图5是可编程循环状态机的一个实施例的内部组件的框图；图6是显示经编程以驱动其中已停用移位旁路选项的单色或格式2超扭曲向列型 (STN)显示器的实施例中的可编程循环状态机的输出信号的时序图；图7是显示经编程以驱动其中已启用移位旁路选项的单色或格式2 STN显示器的 实施例中的可编程循环状态机的输出信号的时序图；图8是显示经编程以驱动其中已停用移位旁路选项的格式1 STN显示器的实施例 中的可编程循环状态机的输出信号的时序图；图9是显示经编程以驱动其中已启用移位旁路选项的格式1 STN显示器的实施例 中的可编程循环状态机的输出信号的时序图；图10是显示经编程以驱动薄膜晶体管显示器的实施例中的可编程循环状态机的 输出信号的时序图；图11是根据可编程循环状态机的一个实施例驱动图形显示器所需的步骤的框 图；且图12是指示像素布局的典型彩色液晶显示器面板的描绘。
具体实施例方式在本发明的一个实施例中，制作一种并入有位于具有中央处理单元(CPU)及处理 器的相同芯片上的可编程循环状态机的微控制器。此微控制器适合于直接连接到各种各样 的外部显示器模块，包含具有并行数据接口的大多数类型的液晶显示器(LCD)模块。此LCD 模块通常包含计数及寻址逻辑以将数据从并行接口发射到个别像素。然而，LCD模块不需 要并入有将允许其直接与例如直接存储器存取(DMA)逻辑的视频存储器介接的任一额外 时序或寻址逻辑。在此实施例中，在微控制器上运行的软件创建图像的数字表示。此图像 可以是静止图像或单一视频帧。此可仅通过将现有图像文件加载到存储器中或可通过使用 用于使用软件建造图像的任何数目的熟知技术中的一者创建图像来实现。如果应用程序实 现用户交互作用，那么图像可包含经组合以创建图形用户接口(GUI)的用于数据显示、文 本或编号的可辨识元素及系统控制功能。如果软件需要改变一个像素，那么其仅需要改变 存储器中的表示所述像素的数据值。与CPU独立地(且通常与其异步地)操作，可编程循环状态机正执行从存储器读 取表示所述图像的每一值并经由并行接口将所述值发射到LCD模块的连续循环。在所述连 续循环的某些点处，可编程循环状态机根据所述特定类型或型式的LCD模块的需要而启动 或解除启动一个或一个以上控制信号。由于许多图形显示器技术的性质，即使图像数据尚 未改变，此循环也继续；显示器的个别光阻元件或光生元件在小的时间窗口内维持其当前 状态且必须周期性地刷新。在另一实施例中，控制输入从常见LCD显示器技术的预定子集中进行选择以便确 定必需的控制输出信号波形及时序规范。控制输入也规定图形显示器的物理几何结构一像 素的宽度及高度一以及在彩色显示器的灰度级或色彩深度方面所述图形显示器所支持的 像素深度。此实施例中的可编程循环状态机的第一控制输出必须支持指示像素信息的帧的 边界、像素信息的线的边界、跨越总线的单一数据传送的完全呈现的信号及多用途信号。所 述多用途信号可连接到LSHIFT2输入、MOD输入或DRDY输入。第二控制输出必须支持指示 状态机准备好用于从存储器的下一数据传送的数据移位信号。在此实施例中，状态机必须 包括帧计数器、线计数器及数据寄存器。最后，状态机必须包括用于维持计数器的适当值、 启用或停用输出并产生各种控制信号的逻辑。在另一实施例中，可编程循环状态机并入于与微控制器及图形处理电路相同的集 成电路内。在此实施例中，微控制器可包含16位CPU，但仍具有在外部显示器上显示彩色图 形、图像或视频的能力。所述显示器可至少小到64x64像素且至少大到85&480像素。对 更大显示器的支持也是可能的。像素深度通常可介于每像素1个位到每像素M个位的范 围内，其中每像素M个位表示三原色中的每一者的8个位。三原色可以是红色、绿色及蓝 色，或者可以其它形式表示。特定来说，如果显示器技术使用减性色彩技术，那么三原色可 以是红色、黄色及蓝色。在另一实施例中，可采用双稳态(或多稳态)显示器，其将消除对连续刷新像素信 息的需要。在此实现中，可编程循环状态机可针对改变轮询存储器或可在进行改变时由CPU 触发。一旦检测到或宣告改变，可编程循环状态机接着将在与上文所描述的相同的一般过 程中把整个图像数据块输出到显示器。进一步的优化也是可能的，其中显示器允许图像数 据块或甚至个别像素的寻址。这些优化将需要用于检测在块级或甚至像素级的改变的逻辑及额外存储器。此改变检测可通过维持图像数据的重复副本以允许在任何时间在应显示的 内容与当前显示的内容之间进行比较来处置。或者，可采用各种散列算法来确定已修改图 像数据的哪一部分(如果有的话)。在任一实施例中，仅所改变的块或所改变的像素将由可 编程循环状态机结合经适当定时的控制信号来读取及发射。所属领域的技术人员将理解，此可编程循环状态机将与其它输出装置一起使用。 举例来说，音频编译码器需要从存储器读取的稳定数字音频数据串流且可由可编程循环状 态机控制。具有需要借助经调节的时序或控制信号对数字数据进行串流化的并行数据接口 的任一输出装置可不借助定制逻辑或借助最小芯片外定制逻辑连接到此实施例中的可编 程循环状态机。在另一实施例中，所述可编程循环状态机可包括允许来自外部数据源的输入的额 外控制逻辑。此数据源可以是用于音频或其它信号捕获目的的模/数转换器或者可以是例 如图像捕获装置的传感器阵列。在此实施例中，所述可编程循环状态机可接受来自CPU或 外部输入装置的触发信号且将开始从所述外部输入装置的一个或一个以上读取循环。如在 驱动标准图形显示器的实施例的情况中一样，此实施例可经配置以连续地读取所捕获的数 据而不涉及所述数据的改变或者其可经配置以在数据改变所触发的按需基础上操作。本文中的具体描述不应认为是限制性，因为所属领域的技术人员将理解基于特定 应用或市场计划作出具体设计折衷的需要。本文中所描述的数据路径通常为并行数据路径 且可以是总线或直接连接，但所属领域的技术人员将认识到所述数据路径可使用串行连接 或串行总线来实施。此外，状态机可将串行数据源转换为并行数据源或将并行数据源转换 为串行数据源。经由数据输入传递到数据输出的数据可以是数字音频及/或图形数据。第 二控制输出向数据源指示状态机准备好用于额外数据。所述数据源可以是寄存器、直接存 储器存取(DMA)装置或先进先出(FIFO)存储器。所述数据源的具体实施方案对于本发明 并不重要且所属领域的技术人员将理解此处替代是适当的。控制输入可由寄存器、只读存 储器(ROM)、快闪存储器、例如双直插式引脚(DIP)开关的机械开关或任一其它源提供。在另一实施例中，所述CPU与专用图形处理单元(GPU)成对，所述专用图形处理单 元能够实施在实施于通用CPU上的软件中的情况下将需要显著处理功率的图形特定例程。 此实施例将允许普通CPU(比如说，16位低MIPS设计)在外部显示器上产生图形同时仍具 有备用处理能力来处置其它应用逻辑。此实施例的GPU可执行位块传输操作或硬件子画面 绘制，从而允许处理器发送高级光栅操作以组合位图模式或再现简单计算机图形。或者，所 述GPU可实施多个复杂例程，其实施用以绘制图形用户接口元素(包含线、窗口及菜单以及 处置图像或视频解码功能)的宏指令。在此实施例中，所述CPU向所述GPU发送对显示输 出作出改变的命令。此命令将由所述GPU实施以修改存储器中的视频数据。在典型的实施 例中，所述可编程循环状态机正从所述存储器异步地且连续地读取此视频数据以输出到视 频显示器。由在已完成修改之前显示视频数据产生的任何视觉“假象”将通过可编程循环 状态机对视频数据的后续刷新来盖写。在另一实施例中，所述CPU与可实施浮点算术及阵列操作的数字信号处理(DSP) 单元成对。在此实施例中，所述CPU可分担对所述DSP的专门及密集数据处理请求使得CPU 利用保持低到足以响应于用户请求及实时任务。转到图式，现在将描述本申请案的实例性实施例。图1描绘微控制器113及连接到输入/输出装置103的可编程循环状态机接口 102的一个实施例的核心组件。显示连接 到存储器111及第一数据总线104的CPU 101，然而，所属领域的技术人员将了解这些组件 的特定互连可变化而不影响本发明的功能或效用。此外，应了解，可提供适当选择信号或寻 址信号120。同样地，所属领域的技术人员将理解如何添加额外的CPUlOl或存储器111组 件以通过增加所述微控制器的性能特性而推进本发明的目标。显示连接到可编程循环状态 机102、存储器111及CPU 101的第一数据总线104。还涵盖到存储器111或直接存储器存 取(DMA)装置的直接连接。存储器111可以是寄存器、FIFO存储器装置或任一其它常见存 储器类型。在图中，存储器111为控制输入106提供值，但涵盖用于向控制输入106提供所 述值中的一些或全部的其它布置，包含(但不限于)物理开关或可编程只读存储器(PROM)。 出于在控制输入106上提供值的目的，例如寄存器的单层存储器可为优选的。显示将状态机102连接到存储器111的第二控制输出107，其呈允许从所述存储器 的顺序读取或到所述存储器的顺序写入的配置。所属领域的技术人员将了解将107第二控 制输出连接到CPU 101上的中断端口的可能性，其中输入是从输入/输出装置103检索的 且状态输入112以一个或一个以上状态或时序信号指示输入/输出装置103的状态。CPU 时钟114显示为到状态机102的输入，然而，所属领域的技术人员将认识到此时钟信号将可 用于任一微控制器组件。装置时钟115允许所述可编程循环状态机产生与装置时序域同步 的信号。第二数据总线108提供状态机102与输入/输出装置103之间的数据路径。此数 据路径可能为总线且可能为并行总线，但其可以是直接连接且可以是串行数据路径。第一 控制输出110向输入/输出装置103提供控制信号且许多应用将提供若干个提供控制/及 或时序信息的控制信号。尽管图1显示输入/输出装置103是在微控制器113外部，但所属领域的技术人 员将理解所述输入/输出装置可并入到相同集成电路中。举例来说，图像捕获传感器可并 入到与所述微控制器相同的集成电路中以减小成本及应用大小以及功率要求。此外，所属 领域的技术人员将认识到将一个以上可编程循环状态机102并入到其中将连接一个以上 输入/输出装置103的微控制器中的价值。以下图及说明与用于将微控制器与多种显示器类型介接的可编程循环状态机的 应用相关。在一个应用中，可编程循环状态机既定与LCD模块的并行数据接口介接。到LCD 模块的数字输入接受呈“帧”形式的数据，其中将一个帧定义为一个全屏的显示信息。在每 一帧内是一连串“线”，每一行有一个线。在每一线内是多个数据传送，因为IXD显示器的宽 度大致宽于到LCD模块中的数据路径。因此，帧、线及移位周期用作此实施例中的状态机设 计的基础。此允许构造覆盖所有所支持LCD类型的所需时序的超集的状态机。当将介接特 定LCD类型时，在状态机行为上改变的是输出的极性及时序。每一信号的这些改变及相对 时间布局以及持续时间是使用外部输入进行的。图2描绘经启用以驱动视频显示器装置的可编程循环状态机102。帧计数器204 对所传送的数据值进行计数且在已传送全视频数据帧时进行复位。帧产生器205基于帧计 数器204的值及控制输入106的值而在帧212输出上产生信号。线计数器206对所传送的 数据值进行计数且在已传送全视频数据线时进行复位。线产生器210基于线计数器206及 控制输入106的值而在线214上产生信号。移位产生器202基于线计数器206及控制输入 106的值而在线移位201上产生信号。移位产生器202还基于线计数器206及控制输入106的值而在数据移位218上产生信号，此信号用于请求第一数据总线104上的数据。第一数 据总线104提供存储于存储器220中且转发到第二数据总线108的图形数据源。多用途产 生器222在多用途输出2M上产生信号，所述信号可用于产生各种IXD类型所需的DRDY、 MOD或DSHIFT2输入。寄存器2 存储用于所述可编程循环状态机的程序且提供控制输入 106。时序同步器200为所述可编程循环状态机的组件部分的子集。装置时钟115控制可 编程循环状态机102的大部分时序。图3描绘经启用以与IXD显示器驱动器介接的可编程循环状态机102的实施例。 以下表描述每一输入及输出。尽管此图及表中的输入及输出中的一些输入及输出具有固 定的数据宽度及硬编码的值，但所述数据宽度及硬编码的值可经调整以满足不同的应用要 求。表输入/输出描述
权利要求
1.一种位于集成电路上的可编程循环状态机，其包括 第一中央处理单元(CPU)；存储器，其与所述CPU介接； 状态机；第一数据总线，其将所述存储器连接到所述状态机；第二数据总线；时钟输入；第一控制输出；第二控制输出；及控制输入，其中所述第一控制输出的值随所述时钟输入、所述状态机的当前状态及所述控制输入 而变；其中所述第一数据总线的值可依据所述时钟输入、所述状态机的所述当前状态及所述 控制输入而在所述第二数据总线上输出；其中所述第二控制输出请求输入数据总线的下一值；且 其中所述状态机可通过所述控制输入编程。
2.根据权利要求1所述的可编程循环状态机，其中输出数据总线及所述第一控制输出连接到图形显示器装置， 其中所述状态机可操作以在所述第一控制输出上产生帧信号、线信号、第一移位信号 及多用途信号，且其中所述帧信号、所述线信号、所述第一移位信号及所述多用途信号的时序及持续时 间可通过所述控制输入在时序及持续时间上进行软件编程。
3.根据权利要求2所述的可编程循环状态机，其中所述多用途信号可经编程以指示以 下各项中的任一者显示器启用输出(DRDY)，其可操作以控制薄膜晶体管(TFT)显示器， 第二移位信号，其可操作以控制格式1液晶显示器(LCD)，或 底板偏置信号(MOD)，其可操作以控制单色或格式2IXD显示器。
4.根据权利要求2所述的可编程循环状态机，其中所述状态机支持来自由以下各项组 成的集合的至少四种不同图形显示器技术所需的控制信号时序单色液晶显示器(IXD)，彩色超扭曲向列型(STN)液晶显示器，双层超扭曲向列型(DSTN)液晶显示器，彩色薄膜晶体管(TFT)液晶显示器，零功率双稳态显示器，等离子显示器，硅上液晶装置，数字微镜装置，发光二极管面板，有机发光二极管(OLED)显示器。
5.根据权利要求2所述的可编程循环状态机，其中所述控制输入含有用于对所述状态机进行编程的指令，所述指令包括从数据输入传递到数据输出的值的位深度，表示每一视频像素的值的数目，视频显示器的几何结构，及视频显示器技术。
6.根据权利要求5所述的可编程循环状态机，其中所述位深度可介于1个位与16个位之间的范围内，其中每一像素可由一个值或三个值表示，且其中所述视频显示器的所述几何结构可介于64 X 64像素与854 X 480像素之间的范围内。
7.根据权利要求1所述的可编程循环状态机，其中所述第二数据总线的值可依据所述 时钟输入、所述状态机的所述当前状态及所述控制输入而在所述第一数据总线上输出。
8.根据权利要求7所述的可编程循环状态机，其进一步包括状态输入，其中数据是部 分地通过所述状态输入的值控制而在所述第二数据总线上从输入装置接收且在所述第一 数据总线上发射。
9.根据权利要求8所述的可编程循环状态机，其中所述状态机可操作以从外部传感器 阵列检索图像或视频数据。
10.根据权利要求1所述的可编程循环状态机，其中第一输出控制信号包括可操作以 用于将数字音频数据供应到数/模控制器的位时钟信号及取样频率信号。
11.一种位于集成电路上的可编程循环状态机，其包括 帧计数器与逻辑，其用于在第一控制输出上产生帧信号； 线计数器与逻辑，其用于在所述第一控制输出上产生线信号；存储器，其用以存储来自连接到微控制器的数据输入的值并将所述值转发到连接到图 形显示器的数据输出；逻辑，其用于在第二控制输出上产生数据移位信号并在所述第一控制输出上产生控制 信号；及控制输入，其用于对所述状态机的循环进行编程以控制所述帧信号、所述线信号、所述 控制信号及所述数据移位信号的时序及持续时间。
12.根据权利要求11所述的可编程循环状态机，其中所述集成电路还包括微控制器及 图形协处理器。
13.根据权利要求12所述的可编程循环状态机，其中所述微控制器具有16位数据路径。
14.根据权利要求11所述的可编程循环状态机，其中所述状态机支持来自由以下各项 组成的集合的至少两种不同显示器技术所需的输入信号波形单色液晶显示器(IXD)， 彩色超扭曲向列型(STN)液晶显示器， 双层超扭曲向列型液晶显示器， 彩色薄膜晶体管(TFN)液晶显示器，零功率双稳态显示器， 等离子显示器， 硅上液晶装置， 数字微镜装置， 发光二极管面板， 有机发光二极管显示器。
15.根据权利要求14所述的可编程循环状态机，其中所述状态机支持来自所述集合的 至少三种不同显示器技术所需的所述输入信号波形。
16.根据权利要求11所述的可编程循环状态机，其中所述状态机支持介于64X64像素 与8MX480像素之间的显示器几何结构。
17.一种用于使用位于集成电路上的可编程循环状态机将数字图形数据及控制信号提 供到图形显示器的方法，其包括用于以下各项的步骤在第一控制输入上接受描述图形显示器的输入时序要求、所述图形显示器的几何结构 规范及所述图形显示器的色彩深度信息的指令；在第一控制输出上提供能够控制所述图形显示器的信号；在第二控制输出上提供能够向存储器或CPU请求下一数字图形数据单元的信号；及 按照连接到数据输出的所述图形显示器的所述输入时序要求将数字图形数据从连接 到所述存储器或CPU的数据输入发射到所述数据输出。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述指令指示介于64X64像素与852X480像素之间的显示器；且 其中所述指令指示介于1位单色与16位色彩之间的色彩深度。
19.根据权利要求17所述的方法，其中可接受指令的范围包含对来自由以下各项组成 的集合的至少两种不同显示器技术的支持单色液晶显示器(IXD)， 彩色超扭曲向列型(STN)液晶显示器， 双层超扭曲向列型液晶显示器， 彩色薄膜晶体管(TFN)液晶显示器， 零功率双稳态显示器， 等离子显示器， 硅上液晶装置， 数字微镜装置， 发光二极管(LED)面板， 有机发光二极管显示器(OLED)。
20.根据权利要求17所述的方法，其中在也包含微控制器的芯片上执行所述步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用以微控制器的可编程循环状态机接口，其包括可编程循环状态机；第一及第二数据总线；第一及第二控制输出；及控制输入，其用于对所述状态机的循环进行编程。所述状态机的可编程性质允许在不需要重新设计所述微控制器上的定制状态机逻辑的情况下改变设计及实施方案。
文档编号G09G3/20GK102057361SQ200980121402
公开日2011年5月11日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年6月16日
发明者鲁沙恩·萨穆埃尔 申请人:密克罗奇普技术公司