車(chē)輛導航和娛樂(lè )系統中的控制器應用

　　圖形顯示控制器(GDC)是位于車(chē)輛信息和娛樂(lè )系統中心的關(guān)鍵引擎，通常這些信息娛樂(lè )系統包括需要各類(lèi)人機接口的頭端單元和全配置的各種儀器。開(kāi)始為日本和歐洲市場(chǎng)上的高端車(chē)輛中的導航系統設計的圖形顯示控制器，現在已經(jīng)出現在世界各地的各種型號的中檔乃至低端車(chē)輛中。在車(chē)輛的娛樂(lè )系統中也在采用。

　　車(chē)輛GDC是一款獨特的器件，它整合了車(chē)輛娛樂(lè )系統中所需的許多功能。GDC的基本功能是控制LCD面板，并產(chǎn)生寬范圍的豐富圖像內容。GDC可以實(shí)現先進(jìn)的功能，如導航，模擬儀表的表征，振動(dòng)斑點(diǎn)屏蔽(vibrant splash screens)以及在不占用主CPU過(guò)多資源的條件下其他的更生動(dòng)體驗等。此外，GDC還完成功率管理，這使得可以省去一些外部的冷卻部件，例如風(fēng)扇或散熱器。

　　與臺式電腦圖形控制器不一樣，為嵌入式應用設計的GDC用于低分辨率的小屏幕應用。汽車(chē)顯示器的分辨率通常從基本信息顯示所用的CIF(320×240)到儀器所用的Ultra Wide VGA(1024?480)。由于車(chē)輛中復雜環(huán)境，需要在這些小屏幕上顯示大量的信息，并且要求顯示清晰，從而帶來(lái)了一些特殊的挑戰。GDC選用多層和多種透明度，使得觀(guān)看者能夠同時(shí)觀(guān)看幾個(gè)屏幕。與Windows工作臺系統類(lèi)似，屏幕尺寸需要調整和移動(dòng)顯示區域。GDC將允許從屏幕或圖像的下方觀(guān)看，從而改善顯示效果。

　　GDC性能分類(lèi)

　　隨著(zhù)采用的微控制器不同，GDC有許多不同的類(lèi)型和性能等級?；旧?，有5類(lèi)不同的性能等級。

　　第一類(lèi)是基本型的GDC，它包括一個(gè)簡(jiǎn)單的幀緩沖存儲器和一個(gè)產(chǎn)生顯示信號的控制器。主控制器處理繪圖功能，在緩沖器上手動(dòng)改變顯示幀。第二類(lèi)是復雜一點(diǎn)的版本，包括幀緩沖器和一個(gè)具有2D功能圖形引擎，例如繪制直線(xiàn)和多邊形圖形。這類(lèi)GDC將覆蓋2層或3層，完成層間的α混合。

　　第三類(lèi)的GDC覆蓋更多的層——可能多達4到6層。這一級別的IC用硬件傳感器來(lái)實(shí)現α混合和α平面，并包括全功能的繪圖功能。

　　第四類(lèi)的GDC在上述功能的基礎上增加了下屬功能：一個(gè)2D/3D圖形引擎，一個(gè)幾何處理器，還有一個(gè)內部工作頻率為100～200MHz的繪圖引擎，它能提供高繪圖速率，用于顯示點(diǎn)時(shí)鐘(dot clock)時(shí)可以達到400MHz。實(shí)際例子就是富士通的32位的MB86296。

　　最后一類(lèi)也是最先進(jìn)的GDC，例如富士通的MB86R01，這是另外一種32位的IC，能夠提供很多額外的多媒體功能，包括對音視頻的支持，能夠對音視頻進(jìn)行解碼，而并非像其他類(lèi)型只是捕獲和調整。還包括霧化，加亮和可編程屏蔽功能，從而可以提供生動(dòng)體驗和現場(chǎng)感，而且繪圖速率在所有圖形顯示控制器中是最快和最高的。

　　在選擇GDC時(shí)，確定將送到CPU的處理量也是重要的事情，如果可能的話(huà)。如果主處理器處理能力能夠達到400MIPs或更高，則將會(huì )有很多可用周期，于是則可能用CPU來(lái)執行幾何操作，而用一個(gè)簡(jiǎn)單的GDC執行位圖操作。另一方面，如果主處理器不具備足夠高的處理速度，就必須利用功能強大的GDC。主處理器必須足夠快，以保持為GDC提供位圖坐標和顯示列表，故必須考慮處理器和GDC的相對等級級別。當然，處理器中的主要考慮取決于所顯示的圖像或圖形的復雜度。

　　不論哪種IC，都要求它們在執行任務(wù)的同時(shí)消耗盡可能少的功率。許多最新的和效率最高的控制器所消耗的功率小于2.3瓦，遠小于以前的功耗水平。所以說(shuō)，圖形顯示控制器在不斷改善其效率和性能。

　　存儲器：GDC中的關(guān)鍵部件

　　圖形存儲器是GDC系統中的最重要的部件之一。在GDC作為有效執行繪圖功能的幾何圖形和繪圖引擎時(shí)，圖形存儲器提供了緩沖區，所有的圖形信息都保存在這里。車(chē)輛中的顯示器上的顯示幀也被存儲在圖形顯示器中。對于及時(shí)且可靠地將幀數據提供到視頻輸出接口來(lái)說(shuō)，這是非常重要的。有一系列不同類(lèi)型的數據存儲在圖形存儲器里，包括繪圖幀，作為繪圖幀的子集的顯示幀，攜帶3D繪圖所需信息的Z-緩沖數據，來(lái)自視頻輸入接口的視頻捕獲緩沖數據(每像素16比特)，在繪制多邊形時(shí)所需的多邊形繪圖標志緩沖數據(每像素1比特)，顯示列表數據，紋理圖和指針圖(Cursor Patterns)數據等。

　　有如此大量的信息存儲在圖形存儲器中，提取信息的存儲器訪(fǎng)問(wèn)必須按照如下的優(yōu)先級：

　　1. 顯示幀刷新

　　2. 視頻捕獲

　　3. 顯示處理

　　4. 主CPU訪(fǎng)問(wèn)(用于顯示列表，紋理圖和位圖)

　　5. 繪圖訪(fǎng)問(wèn)(Z-緩沖，多邊形標志緩沖等)

　　顯示幀刷新更新顯示器上的內容，每秒50或60次。該工作需要傳輸大量的數據，它直接影響人機交互的效果。因此，必須賦之于最高的優(yōu)先級。

　　上述第二重要的是視頻捕獲，需要在圖形存儲器中緩沖輸入視頻數據。

　　下一個(gè)是顯示處理，包括與顯示控制器相關(guān)的各種處理，例如顯示α混合、覆蓋、指針圖處理及其他。再下來(lái)是主CPU訪(fǎng)問(wèn)，這包括將顯示列表、紋理圖和位圖傳遞到存儲器中。最后一個(gè)是繪圖訪(fǎng)問(wèn)，它包括利用Z-緩沖器和多邊形標志緩沖器來(lái)更新繪圖幀。

　　由于大量的數據通過(guò)圖形存儲器接口，故對該接口的帶寬需求非常高。典型的GDC的圖形存儲器帶寬是532MB/s。不過(guò)，由于存儲器讀寫(xiě)都要占用多個(gè)時(shí)鐘周期，實(shí)際上的有效帶寬將只有該值的1/2到2/3，假定存儲器時(shí)鐘頻率為133MHz，而數據總線(xiàn)寬度為32位。高端GDC的存儲器帶寬比該值高一倍，或者說(shuō)接近1GB/s?？梢圆捎肈DR-SDRAM技術(shù)來(lái)增加最高端GDC的存儲器帶寬。

　　如圖1所示，除了存儲器接口之外，GDC還有一個(gè)CPU接口，視頻捕獲接口和視頻輸出接口。顯然，絕大多數數據通過(guò)存儲器接口。而顯示列表、位圖和紋理圖則從CPU傳送到GDC。CPU可能也要直接訪(fǎng)問(wèn)GDC寄存器或存儲器。但所有這些任務(wù)都不產(chǎn)生大量的數據。對于PCI主機接口(33MHz)來(lái)說(shuō)，GDC的典型帶寬為50MB/s。另一方面，SRAM型主機接口帶寬高于100MB/s。該值取決于總線(xiàn)時(shí)鐘頻率。

　　圖1：典型GDC的方框圖。除了存儲器接口外，GDC還有一個(gè)CPU接口，視頻捕獲接口，以及視頻輸出接口。

　　類(lèi)似地，與存儲器接口相比，視頻捕獲和視頻輸出接口所需的帶寬比較低。這些接口都執行專(zhuān)門(mén)的任務(wù)，數據流入視頻捕獲接口，而從視頻輸出接口輸出。所以說(shuō)，存儲器接口是整個(gè)GDC系統中的最大瓶頸。其架構取決于GDC的目標應用。

　　專(zhuān)用存儲器架構：性能最優(yōu)

　　根據上述，存儲器接口必須專(zhuān)用。如果為存儲器分配非圖形功能，例如劃撥其一部分作為主CPU的工作區，將會(huì )占用帶寬并直接影響GDC的性能。為了提升性能，這種情況必須避免。該方案，即Fujitsu GDC采用的方案，將CPU存儲器從圖形處理器中隔離出來(lái)。

　　系統需要用于GDC的分離存儲器和較大的PCB空間來(lái)供應那些不提供圖形功能的外部部件。另一種方案則是統一存儲器架構，使得主CPU和GDC能共享單一存儲器。如果系統使用分離的IC負責處理和圖形功能，就必須用CPU或GDC來(lái)實(shí)現存儲器接口。對于沒(méi)有存儲器接口的IC，存儲器數據流就必須通過(guò)將其連接到另一片IC的接口來(lái)傳輸。

　　圖2：外部和內部CPU-GDC通信的比較。

　　實(shí)現這種架構的一種較好的方法是利用一片SOC，利用SOC中的高速數據通道將主CPU和GDC同時(shí)集成到一個(gè)芯片上，來(lái)實(shí)現高帶寬CPU-GDC通信。這種接口在芯片內實(shí)現起來(lái)比在外部實(shí)現起來(lái)容易，能夠在不犧牲GDC性能的條件下同時(shí)滿(mǎn)足帶寬需求和空間約束條件。采用當今的處理技術(shù)，有可能以合理的成本開(kāi)發(fā)出這樣的SOC。

　　如今，GDC的豐富種類(lèi)和性能能夠在世界各地的車(chē)輛中實(shí)現一系列創(chuàng )新的信息娛樂(lè )應用。在導航和視頻產(chǎn)品中它們是關(guān)鍵的基礎部件，隨著(zhù)汽車(chē)制造商差異化其車(chē)型和類(lèi)型，它們將變得更加重要。