嵌入式系統(tǒng)的顯卡方案設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹具有面向微處理器的通用接口顯卡系統(tǒng)，可使低速微處理器輕松驅(qū)動(dòng)高分辨率顯示器，且占用微處理器的時(shí)間極少。該方案以DDR SDRAM為顯存存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，以FPGA為核心，控制并讀/寫顯存中的數(shù)據(jù)，并將顯存中的數(shù)據(jù)同步到液晶屏的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘下，形成持續(xù)的數(shù)據(jù)流，同時(shí)輸出控制信號(hào)控制液晶屏的驅(qū)動(dòng)，嵌入式微處理器僅需要在改變圖像時(shí)輸出數(shù)據(jù)，而不需持續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)和數(shù)據(jù)流，從而大大降低嵌入式處理器的驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；FPGA；顯卡；DDR SDRAM

嵌入式系統(tǒng)可以用各種微處理器代替通用計(jì)算機(jī)的CPU，實(shí)現(xiàn)既定功能并驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)以方便人機(jī)交流。早期的單片機(jī)由于低時(shí)鐘頻率(小于5 MHz)和低I/O口數(shù)量的限制，一般只驅(qū)動(dòng)像素比較少(5 000像素以內(nèi))的液晶顯示器[1-2]。近年來(lái)隨著制作工藝的發(fā)展和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[3]，單片機(jī)的最高時(shí)鐘頻率和I/O口的數(shù)量都得到了很大提高，低耗能低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)不斷出現(xiàn)[4]，新調(diào)試技術(shù)使開(kāi)發(fā)過(guò)程效率更高[5]，驅(qū)動(dòng)幾千像素的液晶顯示器早已出現(xiàn)。然而，更友好的人機(jī)界面需要更高分辨率的液晶顯示器?？疾炷壳傲餍械囊壕э@示器驅(qū)動(dòng)方式可以看到，無(wú)論使用何種單片機(jī)或作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器，都會(huì)被液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)控制部分占據(jù)大量資源，這就給單片機(jī)的性能帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。例如三星某顯示器模組，分辨率為800×480，輸入時(shí)鐘要求為32.24 MHz～48 MHz，這樣的要求使得單片機(jī)力不從心。本文研究并開(kāi)發(fā)一種面向嵌入式系統(tǒng)的通用顯示器。它以類似于通用計(jì)算機(jī)的顯存存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，以FPGA控制并讀/寫顯存中的數(shù)據(jù)，控制液晶屏的驅(qū)動(dòng)。嵌入式微處理器僅需要在改變圖像時(shí)輸出數(shù)據(jù)，這樣，其他時(shí)間便可全部空出，用于控制其所在的自動(dòng)化系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)構(gòu)架
由于DDR SDRAM(83 MHz～167 MHz)和液晶顯示器(32.24 MHz～48 MHz)之間的時(shí)鐘周期不匹配，F(xiàn)PGA在設(shè)計(jì)中主要起控制協(xié)調(diào)作用。系統(tǒng)總體構(gòu)架框如圖1， 分為以FPGA為中心的控制模塊和液晶顯示模塊兩部分。

FPGA控制模塊部分主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自單片機(jī)的圖像數(shù)據(jù)D[5：0]和控制信號(hào)Hsys(行同步信號(hào))、Vsys(場(chǎng)同步信號(hào))和隨路傳輸?shù)妮敵鰣D像數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)CLK(50 MHz以下)。為了節(jié)省單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘資源和輸出口的數(shù)量，對(duì)于18 bit彩色顯示的LCM，F(xiàn)PGA連接單片機(jī)的圖像數(shù)據(jù)輸入口可設(shè)計(jì)為6 bit，再在FPGA內(nèi)部將接收到的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換為18 bit數(shù)據(jù)輸出至液晶顯示模塊。因此在FPGA與單片機(jī)接口處，每個(gè)時(shí)鐘FPGA僅接收R、G、B三組顏色數(shù)據(jù)中的一組D[5：0]，經(jīng)過(guò)FPGA的片內(nèi)RAM緩存滿480個(gè)D[5：0]以后再一次存儲(chǔ)到一行DDR SDRAM中，同時(shí)給出存儲(chǔ)單元的地址和各種控制信號(hào)。
硬件接口上，由于DDR SDRAM是高速器件，主要考慮與FPGA之間的互連。在布局布線時(shí)要求各數(shù)據(jù)線DQ和數(shù)據(jù)采樣線DQS嚴(yán)格等長(zhǎng)，以及采用FPGA對(duì)DDR SDRAM的專用接口。
2 FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)
高實(shí)時(shí)性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。為統(tǒng)籌兼顧重要性各不相同的任務(wù)，一般采用時(shí)序和電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]，以及各模塊并行處理[7]實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)中，3個(gè)主要器件都需要FPGA控制，且控制信號(hào)較多，數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)又需考慮到3個(gè)時(shí)鐘域的互相轉(zhuǎn)換和相互通信，較為復(fù)雜。設(shè)計(jì)采用了自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)思路[8]，將數(shù)據(jù)通路和數(shù)據(jù)控制通路分離，如圖2。單獨(dú)設(shè)計(jì)控制信號(hào)模塊，并輸入數(shù)據(jù)通路模塊以控制和處理數(shù)據(jù)，使輸出的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.1 數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)通路由如圖3所示的模塊構(gòu)成。圖中未標(biāo)注的控制信號(hào)接口與控制信號(hào)模塊相連。

PLL(Phase Lock Loop)：鎖相環(huán)是FPGA內(nèi)部底層資源，此處將輸入的50 MHz的時(shí)鐘通過(guò)倍頻、移相等得到系統(tǒng)所需的System clk(100 MHz，相位偏移0°)、Write clk(100 MHz，相位偏移-90°)和LCM clk(33 MHz，相位偏移0°)。

DQS：DQS信號(hào)控制模塊，控制與DDR SDRAM的DQS引腳相連的DQS引腳，雙向接口在使能信號(hào)oe的控制下產(chǎn)生或接收DQS信號(hào)，并將接收到的DQS信號(hào)移相90°以后作為FPGA內(nèi)部對(duì)DQ數(shù)據(jù)組的采樣信號(hào)。
BUFFER IN：輸入緩存模塊，在外部時(shí)鐘和外部控制信號(hào)的作用下接收數(shù)據(jù)并緩存到片內(nèi)RAM，每滿480個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)出一次Ready信號(hào)，表示緩存中已存滿可占用一行DDR SDRAM存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)。
DQ：DQ數(shù)據(jù)控制模塊，控制與DDR SDRAM的DQ引腳組相連的DQ引腳組，雙向接口，在使能信號(hào)oe的控制下輸出或接收DQ組數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)時(shí)使用Write clock，輸入數(shù)據(jù)時(shí)使用DQS模塊產(chǎn)生的dqs read信號(hào)對(duì)輸入數(shù)據(jù)采樣，并將結(jié)果輸出到下級(jí)模塊。
BUFFER OUT：輸出緩存模塊，緩存來(lái)自DDR SDRAM的數(shù)據(jù)，并在控制信號(hào)的控制下按LCM時(shí)序輸出彩色圖像數(shù)據(jù)。
2.2 控制模塊設(shè)計(jì)
頂層控制信號(hào)模塊由CONTROL模塊和LCM DRIVEN模塊兩部分構(gòu)成，如圖4所示。主要負(fù)責(zé)各模塊之間的通信，產(chǎn)生控制信號(hào)控制數(shù)據(jù)的流向，向各器件輸出控制信號(hào)等。

CONTROL：控制模塊，為DDR SDRAM分配讀、寫時(shí)間：以200 MHz的數(shù)據(jù)率在讀時(shí)間段讀出5行DDR SDRAM中的數(shù)據(jù)，緩存到BUFFER OUT，再以33 MHz的速度讀出并輸出到LCM；在寫時(shí)間段探測(cè)數(shù)據(jù)通路中的BUFFER IN中的數(shù)據(jù)是否緩存完成，若完成則產(chǎn)生信號(hào)開(kāi)始對(duì)DDR SDRAM寫入數(shù)據(jù)。在DDR SDRAM的讀寫過(guò)程中根據(jù)需要產(chǎn)生DDR SDRAM控制信號(hào)、讀寫行列地址信號(hào)，為驅(qū)動(dòng)LCM產(chǎn)生控制信號(hào)：行、場(chǎng)同步信號(hào)(Hsys LCM、Vsys LCM)，數(shù)據(jù)有效信號(hào)(DE LCM)。
LCM DRIVEN：LCM驅(qū)動(dòng)模塊，輸入LCM的控制信號(hào)，產(chǎn)生LCM驅(qū)動(dòng)所需的各種控制信號(hào)，并輸出到FPGA的I/O，結(jié)合外圍電路，驅(qū)動(dòng)LCD。
3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果
數(shù)據(jù)接口利用Altera公司專用SignalTapⅡ邏輯分析儀驗(yàn)證。圖5、圖6是用邏輯分析儀截取的芯片運(yùn)行時(shí)在各引腳或邏輯單元處的實(shí)時(shí)波形圖。圖5表示數(shù)據(jù)輸入FPGA直到進(jìn)入DDR SDRAM的數(shù)據(jù)通路部分。數(shù)據(jù)輸入經(jīng)緩沖模塊后按照進(jìn)入FPGA的順序，分奇偶兩路(Qj、Qo)進(jìn)入DQ接口模塊，并合并成一路雙倍速經(jīng)DQ端口輸出FPGA。該過(guò)程同時(shí)輸出CAS、RAS、WE等命令信號(hào)和地址信號(hào)(ADDR)。由于設(shè)定了邏輯分析儀以系統(tǒng)時(shí)鐘100 MHz速率采樣各信號(hào)，因此對(duì)于數(shù)據(jù)率是200 MHz的DQ雙向口，該采樣信號(hào)只能間隔一個(gè)數(shù)據(jù)采樣一次，而不能完全反映出DQ輸出口的數(shù)據(jù)率。

圖6表示數(shù)據(jù)讀出DDR SDRAM進(jìn)入FPGA經(jīng)緩沖輸出FPGA的數(shù)據(jù)通路部分。DDR SDRAM在CAS、RAS、WE等命令信號(hào)和地址信號(hào)(ADDR)控制下，將對(duì)應(yīng)地址存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)以200 MHz的雙倍數(shù)據(jù)率經(jīng)DQ雙向I/O口輸入FPGA，并經(jīng)DQ接口模塊轉(zhuǎn)換為100 MHz的單倍數(shù)據(jù)率，分兩路輸出(inst9、inst10)。經(jīng)輸出緩沖模塊緩存后，再轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CM模塊所需的時(shí)鐘頻率33.33 MHz，并行輸出FPGA。類似的，由于邏輯分析儀以系統(tǒng)時(shí)鐘100 MHz速率采樣，DQ輸入口的數(shù)據(jù)率在圖中不能完全反映出來(lái)。
至此，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了設(shè)計(jì)中所有為其設(shè)置的模塊和接口，包括輸入接口、輸入緩沖模塊、DQ/DQS接口、輸出緩沖模塊和輸出接口。
設(shè)計(jì)ARM輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘是0.3 MHz，隨著數(shù)據(jù)逐漸經(jīng)片內(nèi)輸入緩存輸入DDR SDRAM替換掉原有數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)在屏上的圖像也逐漸被替換，該驗(yàn)證過(guò)程說(shuō)明DDR SDRAM在過(guò)程中起到了幀存儲(chǔ)器的作用，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與預(yù)期要求相符。
該顯卡系統(tǒng)以單片DDR SDRAM為顯示存儲(chǔ)器存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，以FPGA為控制中心，嵌入式系統(tǒng)僅需通過(guò)I/O口在需改變圖像時(shí)輸出一幀數(shù)據(jù)至顯卡，不需實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)流和各種顯示器控制信號(hào)，從而使嵌入式微處理器有足夠的時(shí)間控制其所在的自動(dòng)化系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)采用800×480分辨率液晶顯示器為圖像輸出設(shè)備，具有面向微處理器的通用接口，可匹配數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘頻率50 MHz以下的微處理器。由于系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)來(lái)自單片機(jī)，因此分立的系統(tǒng)沒(méi)有數(shù)據(jù)來(lái)源，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，驗(yàn)證步驟里采用了周立功單片機(jī)有限公司的EasyARM2131開(kāi)發(fā)板驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。驗(yàn)證結(jié)果表明，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求。
參考文獻(xiàn)
[1] KWOK L H，HO S.A unique application specific MCU for handheld data bank and terminals.Consumer Electronics. 1989，35(8)：654-659.
[2] 趙志衡，馬金海，李文清，等.89C51與液晶模塊MSCG12864的接口設(shè)計(jì).微處理機(jī)，2006，06：12-17.
[3] HU Yue Li，CAO Jia Lin，RAN Feng，et al.Design of a high performance microcontroller.High Density Microsystem Design and Packaging and Component Failure Analysis，2004.HDP′04.Proceeding of the Sixth IEEE CPMT Conference on.Proceeding of HDP′04：25-28.
[4] CHANG K L，GWEE C B.A low-energy low-voltage asynchronous 8051 microcontroller core.Circuits and Systems，2006.ISCAS 2006.Proceedings.2006 IEEE International Symposium on.ISCAS 2006：3181-3184.
[5] HU Yue li，XIONG Bing.Design of an embedded on-chip debug support module of a MCU.High Density Microsystem Design and Packaging and Component Failure Analysis，2006.HDP′06.Conference on.Proceeding of HDP′06：5-8.
[6] CONG J，MINKOVICH K.Optimality study of logic synthesis for LUT-Based FPGAs.Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems.Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，IEEE Transactions on，2007，26(2)：230-239.
[7] 龔大年，何蕓，曹志剛.視頻信號(hào)處理器的并行結(jié)構(gòu)綜述及分類.電子學(xué)報(bào)，2000，28(7)：96-101.
[8] CILETTI M D.Advanced digital design with the verilog HDL. Publishing House of Electronics Industry，2006：74-79.