基于FPGA的汽車視頻和圖形控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LCD顯示器真是無處不在，在家庭、超市、體育館以及汽車內(nèi)你都可以見到它們的身影。無疑車載LCD顯示系統(tǒng)是增長最快的市場。增長的動力包括：不斷下降的顯示器價(jià)格、不斷提升的用戶體驗(yàn)、更多的產(chǎn)品性能以及車內(nèi)消費(fèi)類產(chǎn)品的集結(jié)。

典型的圖形顯示系統(tǒng)一般都是利用標(biāo)準(zhǔn)的特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)處理器(ASSP)或者定制的特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)作為控制器來構(gòu)建的。但汽車圖形設(shè)計(jì)師在利用這些器件構(gòu)建系統(tǒng)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(tǒng)總線接口，無法適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)和新顯示器類型等。所有這些問題都限制了設(shè)計(jì)在其它應(yīng)用中的重用可能性。

圖1給出了車載圖形/視頻系統(tǒng)的一個典型實(shí)例。圖的左側(cè)列出了用于驅(qū)動圖形系統(tǒng)的一些不同輸入信號。本例包括了一個MediaLB接口，一個用于視頻的兩線像素鏈路收發(fā)器，一個普通系統(tǒng)接口總線和一個NTSC/PAL視頻編碼器。一旦視頻和圖形信息進(jìn)入系統(tǒng)，就由通用CPU執(zhí)行處理，或者在不同的系統(tǒng)架構(gòu)下被直接送到圖形處理器。此外，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)還含有用于程序存儲的閃存以及用于存儲頁面和視頻信息的SDRAM。

圖1：典型的圖形/視頻系統(tǒng)架構(gòu)。

圖形處理器可以是ASSP、定制ASIC或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件。根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)的不同，一個系統(tǒng)中可能會含有多臺顯示器(如圖所示)，這時(shí)還需要額外的邏輯資源來管理各種信號以便支持每臺顯示器正常工作。

如上所述，設(shè)計(jì)師在汽車設(shè)計(jì)中采用ASSP圖形控制器時(shí)會遇到一些阻礙，具體包括：

1. PC和消費(fèi)電子產(chǎn)品通常具有非常短的生命周期，但汽車市場具有很長的生產(chǎn)周期和支持需求，它們無法接受生命周期結(jié)束時(shí)強(qiáng)制發(fā)生的變化。

2. 采用硬連線的ASSP或ASIC器件無法象傳統(tǒng)系統(tǒng)那樣支持新興的或者派生的視頻和圖象標(biāo)準(zhǔn)。

3. 硬連線系統(tǒng)也很難適應(yīng)不同的顯示器類型，其不適應(yīng)性具體表現(xiàn)在分辨率、長寬比或顯示器信號接口方面。

4. 絕大多數(shù)ASSP器件采用的都是PC總線接口，比如AGP、PCI 和PCI Express。如果要在內(nèi)部系統(tǒng)總線和ASSP圖形器件之間構(gòu)建定制接口，汽車設(shè)計(jì)師還將面臨額外的成本和復(fù)雜性問題。

ASIC的單片價(jià)格確實(shí)相當(dāng)?shù)?，但是開發(fā)成本非常高。其掩膜成本可達(dá)數(shù)百萬美元，如果需要改變設(shè)計(jì)以支持新標(biāo)準(zhǔn)或者新功能，則掩膜費(fèi)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(quán)(IP)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎所有的圖形系統(tǒng)功能，包括視頻控制器、RISC處理器、顯示器接口、總線標(biāo)準(zhǔn)和不同的視頻輸入標(biāo)準(zhǔn)等，而且這些功能全都可以集成在一個器件上。

圖2：集成式車載圖形解決方案。

圖2是利用FPGA實(shí)現(xiàn)的高集成度實(shí)例。該設(shè)計(jì)無需使用外部MediaLB器件，而是在內(nèi)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(nèi)核模塊IP就實(shí)現(xiàn)了完整的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)通過將所有主要的系統(tǒng)功能集成到FPGA中而大大減少了設(shè)計(jì)中的零部件數(shù)量。利用帶內(nèi)置非易失性啟動閃存的FPGA還能節(jié)省其他更多的器件。

圖形系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)是總項(xiàng)目的一部分。設(shè)計(jì)師必須將精力集中到圖形控制器的功能上，以便為設(shè)備找到最佳的解決方案。例如，客戶信息顯示器(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?yàn)閷?shí)際上它代表著用CID來替代物理度量和儀器測量。一些儀器板和導(dǎo)航系統(tǒng)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能夠支持畫中畫和實(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(xiàn)圖形系統(tǒng)之前有許多問題需要回答，因?yàn)槊恳豁?xiàng)都會影響最終的硬件和IP內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)。這些問題包括：

1. 數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)用軟件接口，使用的方便度如何？

5. 該應(yīng)用是否需要可擴(kuò)展架構(gòu)，以便滿足未來的發(fā)展和產(chǎn)品分級？

6. 需要支持多個視頻頁面嗎？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(shè)計(jì)需要水平和垂直Bitblit選擇嗎？

9. 系統(tǒng)需要什么樣的存儲器和總線接口？

10. 最后就是是否需要支持未來的系統(tǒng)擴(kuò)展？

圖3：視頻和圖形IP內(nèi)容。

圖3給出了一個模塊化二維圖形和視頻IP內(nèi)核的例子。該IP代表了當(dāng)前FPGA圖形IP內(nèi)核所能提供的功能和特征。這種高速圖形內(nèi)核是專門為了嵌入進(jìn)FPGA系統(tǒng)而開發(fā)的。其存儲控制器可以連接SDRAM或DDRAM，具體取決于應(yīng)用性能和成本預(yù)算。這種IP內(nèi)核帶有可選的視頻輸入和bitblit模塊，可以用設(shè)計(jì)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(nèi)核具有通用的內(nèi)部32位AMBA總線，可以方便地與其他內(nèi)部IP內(nèi)核接口， 或者通過FPGA的I/O與外部邏輯相連。