基于FPGA的汽車(chē)視頻和圖形控制系統設計

LCD顯示器真是無(wú)處不在，在家庭、超市、體育館以及汽車(chē)內你都可以見(jiàn)到它們的身影。無(wú)疑車(chē)載LCD顯示系統是增長(cháng)最快的市場(chǎng)。增長(cháng)的動(dòng)力包括：不斷下降的顯示器價(jià)格、不斷提升的用戶(hù)體驗、更多的產(chǎn)品性能以及車(chē)內消費類(lèi)產(chǎn)品的集結。

典型的圖形顯示系統一般都是利用標準的特殊應用標準處理器(ASSP)或者定制的特殊應用集成電路(ASIC)作為控制器來(lái)構建的。但汽車(chē)圖形設計師在利用這些器件構建系統時(shí)遭遇到了不小的麻煩，其中包括：較短的產(chǎn)品生命周期，基于PC的系統總線(xiàn)接口，無(wú)法適應新標準和新顯示器類(lèi)型等。所有這些問(wèn)題都限制了設計在其它應用中的重用可能性。

圖1給出了車(chē)載圖形/視頻系統的一個(gè)典型實(shí)例。圖的左側列出了用于驅動(dòng)圖形系統的一些不同輸入信號。本例包括了一個(gè)MediaLB接口，一個(gè)用于視頻的兩線(xiàn)像素鏈路收發(fā)器，一個(gè)普通系統接口總線(xiàn)和一個(gè)NTSC/PAL視頻編碼器。一旦視頻和圖形信息進(jìn)入系統，就由通用CPU執行處理，或者在不同的系統架構下被直接送到圖形處理器。此外，絕大多數設計還含有用于程序存儲的閃存以及用于存儲頁(yè)面和視頻信息的SDRAM。

圖1：典型的圖形/視頻系統架構。

圖形處理器可以是ASSP、定制ASIC或者現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件。根據具體實(shí)現的不同，一個(gè)系統中可能會(huì )含有多臺顯示器(如圖所示)，這時(shí)還需要額外的邏輯資源來(lái)管理各種信號以便支持每臺顯示器正常工作。

如上所述，設計師在汽車(chē)設計中采用ASSP圖形控制器時(shí)會(huì )遇到一些阻礙，具體包括：

1. PC和消費電子產(chǎn)品通常具有非常短的生命周期，但汽車(chē)市場(chǎng)具有很長(cháng)的生產(chǎn)周期和支持需求，它們無(wú)法接受生命周期結束時(shí)強制發(fā)生的變化。

2. 采用硬連線(xiàn)的ASSP或ASIC器件無(wú)法象傳統系統那樣支持新興的或者派生的視頻和圖象標準。

3. 硬連線(xiàn)系統也很難適應不同的顯示器類(lèi)型，其不適應性具體表現在分辨率、長(cháng)寬比或顯示器信號接口方面。

4. 絕大多數ASSP器件采用的都是PC總線(xiàn)接口，比如AGP、PCI 和PCI Express。如果要在內部系統總線(xiàn)和ASSP圖形器件之間構建定制接口，汽車(chē)設計師還將面臨額外的成本和復雜性問(wèn)題。

ASIC的單片價(jià)格確實(shí)相當低，但是開(kāi)發(fā)成本非常高。其掩膜成本可達數百萬(wàn)美元，如果需要改變設計以支持新標準或者新功能，則掩膜費用還得成倍增加。

以多用途為特質(zhì)的FPGA器件加上商用化知識產(chǎn)權(IP)能夠實(shí)現幾乎所有的圖形系統功能，包括視頻控制器、RISC處理器、顯示器接口、總線(xiàn)標準和不同的視頻輸入標準等，而且這些功能全都可以集成在一個(gè)器件上。

圖2：集成式車(chē)載圖形解決方案。

圖2是利用FPGA實(shí)現的高集成度實(shí)例。該設計無(wú)需使用外部MediaLB器件，而是在內部FPGA邏輯中處理MediaLB協(xié)議。RISC處理器則是以基于IP的32位軟核處理器形式整合在里面。再加上圖形/視頻內核模塊IP就實(shí)現了完整的設計，包括支持觸摸屏輸入、LCD背光控制、存儲控制器和多臺顯示器。該設計通過(guò)將所有主要的系統功能集成到FPGA中而大大減少了設計中的零部件數量。利用帶內置非易失性啟動(dòng)閃存的FPGA還能節省其他更多的器件。

圖形系統的硬件實(shí)現是總項目的一部分。設計師必須將精力集中到圖形控制器的功能上，以便為設備找到最佳的解決方案。例如，客戶(hù)信息顯示器(CID)可能只需要顯示文本消息和基本圖形，而一系列玻璃儀表板則需要高分辨率平滑圖形顯示，因為實(shí)際上它代表著(zhù)用CID來(lái)替代物理度量和儀器測量。一些儀器板和導航系統也有實(shí)時(shí)視頻顯示器用于支持后視(rear-view)攝像視頻，這種顯示器需要一個(gè)能夠支持畫(huà)中畫(huà)和實(shí)時(shí)視頻并且不能降低其他圖像質(zhì)量的圖形控制器。另外，處理多路視頻流和輸入所需的靈活性也是其典型要求。

在實(shí)現圖形系統之前有許多問(wèn)題需要回答，因為每一項都會(huì )影響最終的硬件和IP內核的實(shí)現。這些問(wèn)題包括：

1. 數據源究竟是視頻流，還是以圖形方式提供的輸出，或者是兩者的結合，或者兩者都有？如果是視頻流，有多少路視頻流，分辨率是多少？

2. 最終的圖像是2維還是3維？

3. 用的是哪種顯示器技術(shù)，是液晶? 等離子? 還是視頻?總共多少臺顯示器，分辨率多少？

4. 采用什么樣的應用軟件接口，使用的方便度如何？

5. 該應用是否需要可擴展架構，以便滿(mǎn)足未來(lái)的發(fā)展和產(chǎn)品分級？

6. 需要支持多個(gè)視頻頁(yè)面嗎？如果需要，需要多少？

7. 需要支持圖像縮放嗎？倍率多少？如果要求縮放，還需要具備剪輯功能。

8. 需要用于支持高速圖形性能的Bitblit功能嗎？設計需要水平和垂直Bitblit選擇嗎？

9. 系統需要什么樣的存儲器和總線(xiàn)接口？

10. 最后就是是否需要支持未來(lái)的系統擴展？

圖3：視頻和圖形IP內容。

圖3給出了一個(gè)模塊化二維圖形和視頻IP內核的例子。該IP代表了當前FPGA圖形IP內核所能提供的功能和特征。這種高速圖形內核是專(zhuān)門(mén)為了嵌入進(jìn)FPGA系統而開(kāi)發(fā)的。其存儲控制器可以連接SDRAM或DDRAM，具體取決于應用性能和成本預算。這種IP內核帶有可選的視頻輸入和bitblit模塊，可以用設計所需的特定性能和功能進(jìn)行配置。顯示控制器可以控制采用任何顯示技術(shù)的單顯示器或雙顯示器。該種內核具有通用的內部32位AMBA總線(xiàn)，可以方便地與其他內部IP內核接口， 或者通過(guò)FPGA的I/O與外部邏輯相連。