基于FPGA的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

　?、?視頻旋轉(zhuǎn)模塊寫數(shù)據(jù)，由于視頻處理速度和圖形處理速度不完全匹配，所以先將縮放及旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DDR3，等待圖形處理完后，再統(tǒng)一取出，讀寫數(shù)據(jù)量為237.3 MB/s。

　?、?視頻輸出讀數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像等坐標(biāo)變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為237.3 MB/s 。

　?、?預(yù)畸變參數(shù)讀數(shù)據(jù)，用64位來存儲(chǔ)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的四個(gè)預(yù)畸變參數(shù)，則讀數(shù)據(jù)量為

　　表1為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的計(jì)算表，其吞吐量合計(jì)為2677.6 MB/s 。

　　表1系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量計(jì)算表

　　本文采用DDR3作為系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器，其型號(hào)為W3H128M72E,數(shù)據(jù)寬度為72比特(64比特為數(shù)據(jù)位，8比特為校正位)，采用的時(shí)鐘為400MHz，由于DDR3在上升沿和下降沿都進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，等效于其內(nèi)部讀寫時(shí)鐘為800MHz，即數(shù)據(jù)帶寬為6400MB/s(800MHz*64bit)，滿足本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求。

　　3 機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

　　設(shè)計(jì)的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿足性能要求，但是還需要進(jìn)一步優(yōu)化。如圖 5所示，改變不同模塊之間的順序來優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)改進(jìn)算法。具體改變?nèi)缦拢?/p>

　?、?圖形整體相對(duì)于屏幕的縮放和旋轉(zhuǎn)功能在CPU端發(fā)送命令前實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镃PU端旋轉(zhuǎn)和縮放是針對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行的，方便快速，同時(shí)減少了FPGA的BRAM資源占用，減少了進(jìn)出DDR3的次數(shù);

　?、?改進(jìn)幀速率提升算法，進(jìn)一步減少延遲，提高實(shí)時(shí)性;

　?、?改進(jìn)視頻旋轉(zhuǎn)算法，進(jìn)一步降低緩存區(qū)的大小，減少BRAM的占用率;

　?、?幀速率提升和平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像都需要通過讀寫DDR3來完成，將兩者合并，同時(shí)完成，減少進(jìn)出DDR3的次數(shù)。

　　圖5 FPGA邏輯優(yōu)化的整體流程圖

　　3.1 實(shí)時(shí)性分析

　　實(shí)時(shí)性是機(jī)載顯示系統(tǒng)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，為了確保飛機(jī)運(yùn)行安全，必須確保視頻處理的各個(gè)模塊都有較高的實(shí)時(shí)性。視頻采集、視頻縮放、視頻校正、視頻輸出延遲都是幾行，延遲時(shí)間在 以內(nèi)。幀速率提升模塊的延遲遠(yuǎn)大于其他各個(gè)模塊延遲之和，需要進(jìn)一步改進(jìn)，在保證顯示質(zhì)量的同時(shí)，進(jìn)一步降低延遲時(shí)間。

　　3.1.1 幀速率提升算法優(yōu)化

　　改進(jìn)的幀速率提升算法仍使用幀復(fù)制法。在DDR3中開辟4個(gè)存儲(chǔ)空間做切換用于存放幀速率為25Hz、場速率為50Hz的PAL圖像。有4個(gè)場緩存區(qū)，當(dāng)接收當(dāng)前幀的奇場后與前一幀的偶場結(jié)合成一幀數(shù)據(jù)輸出。

　　幀速率改進(jìn)算法示意圖如圖 6所示。A場正好寫完，B場正好讀完，下一幀讀取A場數(shù)據(jù)，這樣延遲為PAL的1場(半幀);A場正好還差1行寫完，B場已讀完，下一幀繼續(xù)讀B場，這樣延遲為PAL的1+(25/60)=1.42場。延遲為PAL的1~1.42場。最大延遲為。

　　圖6 幀速率改進(jìn)算法示意圖

　　3.2 BRAM資源占用

　　原設(shè)計(jì)的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)使用反向映射的方法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)算法，每一行旋轉(zhuǎn)后數(shù)據(jù)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)需要緩存334行視頻旋轉(zhuǎn)前數(shù)據(jù)，即需要279個(gè)36Kb的BRAM。相對(duì)于其它模塊緩存幾行相比，占用了大量的BRAM空間，因此需要改進(jìn)。

　　3.2.1 視頻旋轉(zhuǎn)算法優(yōu)化

　　視頻旋轉(zhuǎn)提出了一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)映射法，降低緩存空間。示意圖如圖 7所示。對(duì)以行掃描的方式獲取的視頻圖像，緩存兩行就能開始旋轉(zhuǎn)處理，先進(jìn)行正向映射，根據(jù)當(dāng)前兩行對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)后浮點(diǎn)坐標(biāo)，找到兩行內(nèi)的整點(diǎn)坐標(biāo)，再對(duì)其進(jìn)行反向映射，利用當(dāng)前兩行來得到旋轉(zhuǎn)后整點(diǎn)坐標(biāo)的像素值。

　　圖7 視頻旋轉(zhuǎn)改進(jìn)算法示意圖

　　該算法涉及原始圖像中的2*2大小鄰域，為了提高該模塊的處理速度，設(shè)計(jì)了一組由三個(gè)雙端口塊存儲(chǔ)器BRAM組成的原始圖像數(shù)據(jù)緩存器。每個(gè)BRAM用來存儲(chǔ)1行原始圖像的數(shù)據(jù)，3個(gè)BRAM中存儲(chǔ)的原始圖像數(shù)據(jù)包括當(dāng)前旋轉(zhuǎn)計(jì)算涉及的兩行原始圖像數(shù)據(jù)以及下一行旋轉(zhuǎn)計(jì)算涉及的一行原始圖像數(shù)據(jù)。因此，需要緩存3行，使用3個(gè)36Kb的BRAM。

　　3.3 DDR3吞吐量分析

　　從圖5可以看出，優(yōu)化后的系統(tǒng)流程最多經(jīng)過DDR3共5次，下面依次介紹每次讀寫DDR3的必要性和數(shù)據(jù)量。

　?、?圖形及字符生成模塊讀寫數(shù)據(jù)，此與原模塊相同，則圖形生成模塊讀寫數(shù)據(jù)量為

　　② 圖形輸出模塊讀數(shù)據(jù)及清屏操作寫數(shù)據(jù)，由于視頻輸出模塊是對(duì)整個(gè)畫面的處理，所以需要從DDR3中讀取出來，而由于圖形及字符不是對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行操作的，所以取出后，需要進(jìn)行清屏操作。則讀寫數(shù)據(jù)量為474.6 MB/s 。

　?、?視頻旋轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)沒有嚴(yán)格按照屏幕自上而下的順序，必須將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DDR3中進(jìn)行變換操作，讀寫數(shù)據(jù)量為

　?、?視頻輸出模塊讀數(shù)據(jù)，從DDR3中取出進(jìn)行視頻輸出操作，取出的同時(shí)還能進(jìn)行一些坐標(biāo)變換操作，如平移、翻轉(zhuǎn)、鏡像等，讀寫數(shù)據(jù)量為

　?、?預(yù)畸變參數(shù)讀數(shù)據(jù)，用64位來存儲(chǔ)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的四個(gè)預(yù)畸變參數(shù)，則讀寫數(shù)據(jù)量為

　　表 2為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的計(jì)算表，其吞吐量合計(jì)為2135.7MB/s。DDR3的數(shù)據(jù)帶寬為6400MB/s(800MHz*64bit)，滿足本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求。

　　表2 優(yōu)化后系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量計(jì)算表

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的機(jī)載顯示系統(tǒng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)2D圖形繪制，構(gòu)成各種飛行參數(shù)畫面，同時(shí)疊加外景視頻圖像。實(shí)時(shí)性方面，幀速率提升模塊延遲最大為;BRAM資源占用方面，視頻旋轉(zhuǎn)算法需要279個(gè)36Kb的BRAM;DDR3吞吐量方面，系統(tǒng)吞吐量為2677.6 MB/s。

　　優(yōu)化后的機(jī)載顯示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性方面，幀速率提升模塊延遲最大為;BRAM資源占用方面，視頻旋轉(zhuǎn)算法需要3個(gè)36Kb的BRAM;DDR3吞吐量方面，吞吐量為2135.7 MB/s。

　　經(jīng)過對(duì)比分析，優(yōu)化后的機(jī)載顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)性提高、BRAM資源占用減少、吞吐量降低，整體性能得到了提升。