基于I2C的OSD顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車載導(dǎo)航設(shè)備得到了越來越多的應(yīng)用?，F(xiàn)在主流的車載導(dǎo)航設(shè)備都集成有DVD功能，對(duì)視頻處理提出較高要求。選擇高性能平臺(tái)和高性能視頻處理器對(duì)車載導(dǎo)航設(shè)備有十分重要的意義。同時(shí)，對(duì)于音量的可視性控制和DVD控制來說，OSD技術(shù)具有很大的優(yōu)越性，它可以在不影響DVD畫面的基礎(chǔ)上疊加在屏幕上，降低了主處理器的工作量。PXA270處理器具有領(lǐng)先的高性能和低功耗功能，宏芯T128D具有強(qiáng)大的視頻處理功能，同時(shí)集成了兩層OSD處理引擎，兩者通過I2C總線連接可以大大提高車載導(dǎo)航設(shè)備的多媒體處理功能，本文陳述了在兩者基礎(chǔ)上通過I2C總線連接實(shí)現(xiàn)OSD顯示驅(qū)動(dòng)的方法。

1 基本原理

1.1 OSD顯示原理

OSD(On Screen Display)是屏幕顯示技術(shù)的一種，用于在顯示終端上顯示字符、圖形和圖像。實(shí)現(xiàn)的過程為：存儲(chǔ)器(一般為內(nèi)存的一段)的內(nèi)容與顯示終端上的像素一一對(duì)應(yīng)。

當(dāng)要輸出圖文信息時(shí)，將字符圖標(biāo)的位圖信息送至OSD位圖區(qū)域的相應(yīng)位置。OSD位圖區(qū)域由其頭部定義，每個(gè)OSD頭主要包括OSD顯示矩形區(qū)域的起始位置、大小及兩個(gè)分別指向頂場(chǎng)和底場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)的指針，還有一個(gè)指向下一個(gè)OSD位圖數(shù)據(jù)頭的指針。由于采用了這種基于指針的OSD數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，理論上OSD位圖數(shù)據(jù)塊的數(shù)目不受限制，實(shí)際上它要受到內(nèi)存大小的限制。terawinsT128提供的內(nèi)存空間為8k*16 b。頭部不僅定義了位圖區(qū)域的尺寸、位置以及顏色信息，而且提供了顏色表更新等功能。字符的顏色設(shè)置使用OSD處理單元(LUT)的顏色查找表，也稱作調(diào)色板。如圖1所示，4位的LUT意味著有16種顏色可以選擇，并且位圖中的每個(gè)像素占有存儲(chǔ)單元的4位。某個(gè)Byte中的低四bit內(nèi)容與一個(gè)像素一一對(duì)應(yīng)，其值為“3”，那么數(shù)字“3”所代表的顏色便由色板來決定，然后再驅(qū)動(dòng)OSD屏幕將像素設(shè)置為制定顏色。OSD中的2個(gè)像素對(duì)應(yīng)1 B，所以一行顯示內(nèi)容所占的存儲(chǔ)空間為320/2=160 B，設(shè)pOSDBuffer指向OSD對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)空間的首地址，為了將OSD上坐標(biāo)(x，y)的像素設(shè)置值為PixelValue(值的范圍為0x00～0x0f)，即改變?cè)撓袼氐念伾?，則需要先確定坐標(biāo)(x，y)像素對(duì)應(yīng)的字節(jié)存儲(chǔ)空間地址為：

1.2 I2C總線通信原理

I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，每個(gè)電路和模塊都有惟一的地址。CPU會(huì)發(fā)出地址碼用來選址，即接通需要控制的電路。所以，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。

I2C總線定義了嚴(yán)格的傳輸信號(hào)來完成一次傳輸。如圖2所示，SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，這是開始信號(hào)，開始傳送數(shù)據(jù)。SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

注意：SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變會(huì)被識(shí)別為起始和停止條件。接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 b數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，則判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

2 具體實(shí)現(xiàn)

2.1 接口電路

如圖3所示，PXA270芯片通過SCL和SDA兩根線(I2C)向T128D發(fā)送指令，通知其顯示OSD或者擦除OSD畫面。在本論文使用的方法里，是由PXA270通過I2C向T128D寫寄存器，將讀OSD符號(hào)的首地址傳輸給T128D。PXA270要顯示的RGB或者YPrBr信號(hào)也連接到T128D上，通過LVSYNC垂直同步信號(hào)和LYSYNC橫向同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步。通過T128D的處理，將DVD的YPrBr信號(hào)和PXA270的RGB565信號(hào)處理為模擬RGB信號(hào)，再連接LCD屏，由LCD屏顯示出來。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)框架

本文的OSD驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)使用流接口驅(qū)動(dòng)，OSD流接口驅(qū)動(dòng)的框架如圖4所示。該驅(qū)動(dòng)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)或者啟動(dòng)后的任何時(shí)候由設(shè)備管理器動(dòng)態(tài)加載。以DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式存在，系統(tǒng)加載它們后，這些驅(qū)動(dòng)程序以用戶態(tài)的角色運(yùn)行。這個(gè)OSD流驅(qū)動(dòng)通過文件操作API來從設(shè)備管理器和應(yīng)用程序獲得命令。流接口驅(qū)動(dòng)有一套標(biāo)準(zhǔn)的接口，比如XXX_Init，XXX_Open，XXX_PowerUp，XXX_IOControl，XXX_Write等。對(duì)于I/O設(shè)備尤其是數(shù)據(jù)流設(shè)備來說是非常合適的，操作接口和文件系統(tǒng)API十分類似，比如ReadFile，IO_Control等。應(yīng)用程序可以和流接口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行交互，并且可以把流接口驅(qū)動(dòng)當(dāng)作文件來操作。

本文著重要提到的流接口是OSD_Init，OSD_IOControl，OSD_write。OSD_Init在加載驅(qū)動(dòng)時(shí)通知設(shè)備管理器在為設(shè)備初始化時(shí)分配資源。OSD_IOControl是文件系統(tǒng)發(fā)送I/O控制指令的接口。OSDWrite是文件系統(tǒng)寫數(shù)據(jù)到T128D的接口。在本文中OSD_Write不進(jìn)行具體的寫操作，只是將寫命令壓人FIFO隊(duì)列。

2.3 具體操作

2.3.1 I2C總線的通信流程

由于I2C總線上掛的設(shè)備很多，可能會(huì)造成兩個(gè)設(shè)備同時(shí)占用I2C總線的情況，這樣系統(tǒng)會(huì)錯(cuò)亂。為了避免這種情況，針對(duì)一次讀寫操作，考慮到其不可打斷性以防止數(shù)據(jù)的破壞，采用Mutex互斥鎖。即每次只允許一個(gè)讀寫操作占用I2C總線。在一次讀寫操作開始之前，等待互斥鎖，直到讀寫操作完畢，釋放互斥鎖。這樣當(dāng)在一次讀寫沒有完成之前，其余設(shè)備無法占用I2C總線，而只能等待。本驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)互斥鎖的流程見圖5。

2.3.2 初始化和卸載

T128設(shè)備的初始化，主要是首先映射GPIO和T128相關(guān)寄存器到虛擬地址空間，然后檢測(cè)I2C總線驅(qū)動(dòng)有沒有初始化，創(chuàng)建互斥體，并建立一個(gè)寫線程OsdWriteProc()，同時(shí)建立一個(gè)OSD寫命令非空事件g_hevOsdQueueEmpty這樣檢測(cè)到非空事件時(shí)就可以調(diào)用OSD寫進(jìn)程。初始化設(shè)備失敗或者設(shè)備卸載的時(shí)候調(diào)用設(shè)備卸載函數(shù)，卸載時(shí)要釋放虛擬GPIO寄存器的空間，調(diào)用I2C的卸載函數(shù)，并關(guān)閉互斥體。

2.3.3 OSD寫入流程

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)在寫OSD時(shí)需要停止T128 MCU，寫完后恢復(fù)其運(yùn)行，否則OSD會(huì)錯(cuò)亂。如果要停止T128MCU時(shí)，它正在切換視頻、檢測(cè)視頻信號(hào)，操作未完成時(shí)被停掉，則液晶屏顯示會(huì)錯(cuò)亂，圖像分成幾個(gè)部分。而上層應(yīng)用的寫OSD請(qǐng)求不能丟棄，否則上層的狀態(tài)又會(huì)錯(cuò)亂，該隱藏的未隱藏，該顯示的沒顯示。因此需要設(shè)計(jì)一種機(jī)制，既保證上層的寫OSD操作不丟棄，又不與T128 MCU沖突。

如圖5所示，設(shè)計(jì)一個(gè)緩沖隊(duì)列，接收到上傳人的OSD數(shù)據(jù)壓入隊(duì)列。OSD驅(qū)動(dòng)留給上層的Write接口，不負(fù)責(zé)實(shí)際的寫操作，將數(shù)據(jù)壓入隊(duì)列(此時(shí)會(huì)激活隊(duì)列非空事件)后立即返回。創(chuàng)建一個(gè)OSD寫線程，等待緩沖隊(duì)列非空事件激活后，查詢T128 MCU狀態(tài)，待其空閑后，獲取關(guān)鍵代碼段，執(zhí)行寫操作，寫完后退出關(guān)鍵代碼段，進(jìn)入下一輪循環(huán)。

3 性能分析

T128通過3根主線跟CPU通信，由T128處理從DVD和PXA270來的視頻信號(hào)，這樣OSD就可以在各個(gè)源的信號(hào)上疊加。由于T128處理了很大一部分視頻信號(hào)，降低了CPU的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也圓滿解決了OSD在DVD信號(hào)上的疊加問題。由于I2C的多主控特點(diǎn)，不會(huì)影響掛在I2C上的其他外設(shè)的工作和性能。

4 結(jié)語

本文介紹了基于PXA270處理器和Windows CE5.0操作系統(tǒng)上的OSD驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)在本平臺(tái)上穩(wěn)定運(yùn)行，具有很好的OSD處理能力。同時(shí)，鑒于T128強(qiáng)大的處理功能，該驅(qū)動(dòng)還可以優(yōu)化和拓展，比如可以利用T128實(shí)現(xiàn)車載平臺(tái)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。