基于μC／OS-II的多窗口顯示屏控制器設(shè)計(jì)

摘要：多窗口顯示屏控制采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)管理運(yùn)行模式，各窗口視頻數(shù)據(jù)由線程管理，Nios II 32位處理器作為顯示屏控制器硬件系統(tǒng)的核心，軟件系統(tǒng)控制多窗口任意顯示。在1片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)顯示屏控制器的硬件系統(tǒng)，利用SOPC Builder軟件定制系統(tǒng)所需的IP核，外擴(kuò)存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)，解決了FPGA內(nèi)部資源相對不足的問題。通過重構(gòu)視頻數(shù)據(jù)，合理組織數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，解決視頻數(shù)據(jù)的灰度控制問題，減少數(shù)據(jù)處理過程，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。
關(guān)鍵詞：μC／OS-II；Nios II；控制器；FPGA

引言
    LED大屏幕顯示屏是當(dāng)今室外平面顯示的主流，其控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展也日趨成熟，控制系統(tǒng)按數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩類：同步顯示和異步顯示。同步顯示控制系統(tǒng)即LED顯示屏和視頻數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)保持一致，視頻信號實(shí)時(shí)變化。異步顯示控制系統(tǒng)通過USB、通用串行接口、以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)通信方式，更新大屏幕控制系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。數(shù)據(jù)更新由上位機(jī)控制，LED顯示屏的視頻信息變化由視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)決定。在異步顯示系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)將顯示屏分為若干區(qū)域，不同的區(qū)域?qū)?yīng)不同的存儲(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)更新時(shí)可以只更新其中的一個(gè)或幾個(gè)窗口。本設(shè)計(jì)采用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II的多線程控制方式，分別控制各個(gè)窗口的數(shù)據(jù)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)單屏幕多窗口的任意位置顯示，使得顯示方式更加靈活方便。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    采用SOPC技術(shù)在FPGA上構(gòu)建Nios II軟核作為LED顯示控制系統(tǒng)的處理器，實(shí)現(xiàn)32位的嵌入式系統(tǒng)操作。通過基于μC／OS-II的嵌入式操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，完成對DVI視頻顯示數(shù)據(jù)的接收和預(yù)處理。掃描電路接收視頻數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行再組織并送往掃描屏。
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    多窗口顯示屏控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    計(jì)算機(jī)顯卡數(shù)據(jù)通過DVI接口將數(shù)據(jù)傳送給顯示屏控制系統(tǒng)的解碼電路部分，DVI解碼芯片將獲得的視頻數(shù)據(jù)解碼，得到RGB視頻數(shù)據(jù)和控制信號?？刂菩盘栔邪袙呙栊盘柡蛨鰭呙栊盘?，顯示屏控制系統(tǒng)根據(jù)場掃描信號判斷采集1幀視頻數(shù)據(jù)是否結(jié)束，并將視頻數(shù)據(jù)寫入發(fā)送系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM進(jìn)行緩存。FPGA從RAM存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)按照灰度級分為8個(gè)區(qū)域模塊進(jìn)行重新組織、轉(zhuǎn)換，然后通過移位串行時(shí)鐘送入LED顯示屏進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實(shí)現(xiàn)。
1．2 軟件總體設(shè)計(jì)
    全彩色LED大屏幕數(shù)據(jù)量大，本設(shè)計(jì)將顯示屏從邏輯上劃分為多個(gè)窗口，軟件部分基于μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)。μC／OS-II操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度算法比較先進(jìn)，在顯示系統(tǒng)中，可以將每個(gè)窗口的顯示操作都交給某個(gè)任務(wù)來執(zhí)行，這樣可以從很大程度上提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度和軟件的可靠性。
    軟件基于Nios II IDE開發(fā)完成，應(yīng)用程序基于μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。軟件主要由2個(gè)任務(wù)和1個(gè)定時(shí)器中斷服務(wù)程序組成，任務(wù)間采用信號量的方式進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的顯卡數(shù)據(jù)經(jīng)DVI解碼模塊解碼后得到RGB視頻數(shù)據(jù)。任務(wù)1接收RGB視頻信息，并對視頻信息進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)的位組合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的重新組合等處理操作。任務(wù)2從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理，把分析處理完的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊。利用μC／OS-II的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)的特點(diǎn)，采用嵌入式文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

2 控制器的硬件部分設(shè)計(jì)方案
2．1 視頻數(shù)據(jù)解碼模塊分析
    采取從顯卡的DVI接口獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過視頻控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)變換，再發(fā)送到LED顯示屏上顯示。此模塊用來獲取視頻源數(shù)據(jù)，完成對顯卡DVI接口傳輸?shù)腡MDS編碼數(shù)據(jù)的接收。通過TMDS解碼，實(shí)現(xiàn)對RGB視頻數(shù)據(jù)和像素時(shí)鐘CLOCK、像素有效信號DE、行同步信號HSYN、場同步信號VSYN、同步檢測信號SCDT等視頻顯示控制信號的恢復(fù)。
    計(jì)算機(jī)顯卡輸出的DVI差分信號不能直接作為LED的掃描數(shù)據(jù)信號，需要經(jīng)過解碼，將該信號恢復(fù)為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)RED[7．．0]、GREEN[7．．0]、BLUE[7．．0]等像素信息，還需要恢復(fù)控制信號，如行同步信號HSYNC、場同步信號VSYNC、數(shù)據(jù)使能信號DE和時(shí)鐘CLK等控制信
息。需要一個(gè)解碼電路對DVI差分信號進(jìn)行解碼，本設(shè)計(jì)采用TFP401A DVI解碼芯片實(shí)現(xiàn)該功能，解碼后的數(shù)據(jù)信息用于提供給LED屏控制器使用。
2．2 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織模塊分析
    數(shù)據(jù)寫入SRAM存儲(chǔ)器中的組織方式有兩種：位平面法和組合像素法。位平面法是指像素的每一位分別存放在不同的存儲(chǔ)設(shè)備中；組合像素法是指畫面上每個(gè)像素的所有位均集中存放在單個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備中。LED屏像素?cái)?shù)據(jù)每一位的權(quán)值是不同的，高位的權(quán)值高，也就意味著高位為1時(shí)LED的點(diǎn)亮?xí)r間要長。根據(jù)兩種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對于LED屏，采用位平面結(jié)構(gòu)有利于提高LED屏的顯示效果，從而更容易實(shí)現(xiàn)D／T(data to time)轉(zhuǎn)換。位平面法的數(shù)據(jù)需要重新組織，利用位平面結(jié)構(gòu)有利于提高LED屏的顯示效果。數(shù)據(jù)重構(gòu)示意圖如圖2所示。

    數(shù)據(jù)重構(gòu)后，通過QuartusⅡ軟件編譯，得出如圖3所示仿真波形。其中，當(dāng)col為1時(shí)，表示已寫完上面8個(gè)地址的數(shù)據(jù)，此時(shí)讀地址計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。datain為串行輸入數(shù)據(jù)，dout為串行輸出數(shù)據(jù)。

2．3 掃描控制模塊
    將數(shù)字視頻信號進(jìn)行緩存處理，并將RGB信號通過脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換為供LED顯示所需的信號送往掃描模塊。掃描控制模塊由用戶自定義的PWM IP核和顯存組成，顯存采用1片SRAM實(shí)現(xiàn)，用來保存當(dāng)前顯示的1幀點(diǎn)陣信息數(shù)據(jù)。PWM模塊通過Avalon總線和Nios IICPU連接，將從CPU接收到的數(shù)據(jù)按指定地址寫入顯存，然后再按一定的尋址方式從顯存中讀取點(diǎn)陣信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描。
2．4 其他功能模塊
    串口控制器、定時(shí)器、存儲(chǔ)器控制器通過SOPC Builder軟件定制集成IP核自動(dòng)生成。

3 控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)
    該操作系統(tǒng)利用高效任務(wù)調(diào)度算法調(diào)度每個(gè)任務(wù)，而每個(gè)窗口的顯示由單個(gè)任務(wù)完成。
3．1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)形式直接影響數(shù)據(jù)的存取速度和控制的復(fù)雜度，本系統(tǒng)對顯存中的數(shù)據(jù)和緩存區(qū)的數(shù)據(jù)均重新組織，降低了數(shù)據(jù)處理和掃描控制復(fù)雜度。
3．1．1 顯存數(shù)據(jù)的組織
    LED顯示屏的每個(gè)像素點(diǎn)都包括紅、綠、藍(lán)3種基色，每種顏色的灰度級均為256級，即由8位數(shù)據(jù)對像素點(diǎn)灰度級進(jìn)行編碼，故每個(gè)像素點(diǎn)需要占用3字節(jié)的存儲(chǔ)空間。顯示時(shí)，每個(gè)像素的紅管、綠管、藍(lán)管是同時(shí)點(diǎn)亮的，也就是說，3種顏色的數(shù)據(jù)是并行上屏的。據(jù)此，可將紅綠藍(lán)3種顏色對應(yīng)的數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)，以方便操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式如圖4所示。每種顏色的數(shù)據(jù)集中存放在某個(gè)區(qū)中，每個(gè)區(qū)域的首地址作為3種顏色的基址，在進(jìn)行數(shù)據(jù)存放時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)只需給出相對變化地址(變址)，然后加上不同的基址就可以在3個(gè)區(qū)域中找到對應(yīng)點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)。

     LED顯示屏灰度的實(shí)現(xiàn)方法，是分權(quán)重掃描的。這樣就需要把顏色數(shù)據(jù)位分離，然后同權(quán)重的位重新組合。為了方便操作，存儲(chǔ)時(shí)把圖4所示的分區(qū)中的每個(gè)區(qū)再分為8個(gè)權(quán)重區(qū)，所有同權(quán)重的數(shù)值集中放于對應(yīng)權(quán)重區(qū)中。所謂位分離就是把數(shù)據(jù)的高低位按權(quán)重分開，然后重新組織。位分離的實(shí)現(xiàn)在可編程邏輯器件中也比較容易實(shí)現(xiàn)，可以劃出一塊邏輯矩陣，操作時(shí)橫向存入，縱向讀出即可。位分離示意圖如圖5所示。

3．1．2 緩存數(shù)據(jù)的組織
    若要進(jìn)行特技效果顯示，則當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)幀和下一個(gè)數(shù)據(jù)幀存在著某種變換關(guān)系，由于CPU只能對顯存進(jìn)行寫操作，所以需在緩存中劃分出一塊大小和顯存相等、地址一一對應(yīng)的區(qū)域screen，用于存儲(chǔ)當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)幀信息。如果各窗口之間存在重疊現(xiàn)象，且特技數(shù)據(jù)處理運(yùn)算直接在screen區(qū)域進(jìn)行，則窗口重疊部分信息可能發(fā)生混亂。故在緩存中再為每一個(gè)窗口劃分出一塊存取空間(part 1，part 2，…，part n)，用于存儲(chǔ)本窗口顯示的前一幀數(shù)據(jù)信息。在特技數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時(shí)，先在part區(qū)域處理各窗口的數(shù)據(jù)信息，然后將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)送往各窗口在screen區(qū)域所對應(yīng)地址的存取空間，最后將screen中的數(shù)據(jù)寫入地址對應(yīng)的顯存，從而完成顯示。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
    基于上述方案，程序的設(shè)計(jì)將變得非常簡潔。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后從Flash中讀取屏參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)初始化。接著建立任務(wù)Task Control，對各窗口顯示任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，它擁有比各窗口顯示任務(wù)都高的優(yōu)先級。它每隔1 s對reset標(biāo)志進(jìn)行一次查詢，如果reset=1，則刪除原先建立的各窗口顯示任務(wù)，從Flash中讀取新的窗口個(gè)數(shù)，然后依此建立新任務(wù)，將每個(gè)窗口的顯示交由單個(gè)任務(wù)來控制。
    下面是TaskControl任務(wù)的程序演示：


    窗口顯示任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)屏幕各窗口的顯示。它可根據(jù)各窗口顯示方式的不同在其相應(yīng)area區(qū)域中進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的運(yùn)算。在完成1幀數(shù)據(jù)顯示后，調(diào)用OSTime DlyHMSM()使當(dāng)前任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)并進(jìn)行一次任務(wù)調(diào)度，將系統(tǒng)控制權(quán)交給其他處于就緒狀態(tài)的顯示任務(wù)，由此完成和窗口顯示任務(wù)之間的切換。也可以通過調(diào)整OSTimeDlyHMSM()的參數(shù)來改變各窗口2幀顯示信息之間的時(shí)間間隔，從而可調(diào)整各窗口特技顯示的效果，如移動(dòng)顯示的移動(dòng)速度。下面是其中一個(gè)窗口顯示任務(wù)的程序演示：


4 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)充分利用了Nios II 32位處理器的高性能和μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效的任務(wù)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了單屏幕多窗口顯示，顯示屏控制變得更加靈活。整個(gè)控制系統(tǒng)在1片F(xiàn)PGA芯片上完成，有效降低了系統(tǒng)的成本。