基于改進(jìn)型二步索引算法OSD電路的FPGA實(shí)現(xiàn)

 0 引 言

  OSD(on screen display)，即在屏顯示系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互的基礎(chǔ)，在視頻處理SOC中作為重要功能模塊有著廣泛的應(yīng)用。

  基于SOC技術(shù)的模塊化設(shè)計要求各功能模塊盡可能小地占用電路資源，以滿足芯片系統(tǒng)對資源使用和面積的控制。對于OSD功能模塊而言，存儲器資源為主要開銷。因此，減少存儲器資源的使用對降低OSD模塊電路資源需求有著重要的意義。

  OSD電路中，字符索引算法的選取直接決定了存儲器資源的使用情況，因此采用更優(yōu)化的字符索引算法可以達(dá)到降低存儲器資源需求量的目的。作者在逐字符索引法的基礎(chǔ)上，針對該算法的缺點(diǎn)，提出了二步索引法。在保證OSD功能完整的同時，大大地降低了系統(tǒng)對存儲器資源的需求。

1 二步索引算法的原理及特點(diǎn)

1.1 字符索引算法原理

  字符索引算法是將OSD菜單中所顯示的字符按菜單顯示順序進(jìn)行編碼，并存儲于存儲器中，在讀取字符點(diǎn)陣信息以顯示菜單時通過讀取編碼信息來索引所需字符信息。設(shè)菜單中字符尺寸為C1×Ch(bit)，菜單共顯示m行字符，每行顯示n個字符，字符編碼Ni×j，并且存儲器中一個地址所存儲的數(shù)據(jù)(bit)大于C1。則讀取菜單中第i行第j個字符時，首先通過索引得到存儲器中相應(yīng)字符的字符編碼Ni×j，索引地址可通過公式(1)得出：

add_mi×j=addr_n0×0+(i-1)n+n-1 (1)

  將讀取出的字符編碼Ni×j轉(zhuǎn)換成相應(yīng)字符點(diǎn)陣信息在存儲器中存儲空間的首地址。地址的轉(zhuǎn)換可通過公式(2)計算得到：

addr_di×j=addr_d0×0+Ch×(Ni×j-1) (2)

式中：addr_u0×0和addr_d0×0分別是字符編碼存儲器和字符點(diǎn)陣信息存儲器中首地址指針。根據(jù)Ch控制從字符點(diǎn)陣信息存儲器中讀出地址范圍為addr_di×j到addr_di×j+Ch的數(shù)據(jù)即完成了對菜單中第i行第j個字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)信息的讀取。

  逐字符索引算法下，將空格按字符看待并進(jìn)行編碼，菜單每行固定顯示n個字符，字符長度小于n的菜單行由空格來補(bǔ)齊。由于采用定長的存儲結(jié)構(gòu)，所以字符索引電路原理簡單且易于實(shí)現(xiàn)，只需要根據(jù)菜單字行符長數(shù)n就可以計算出相應(yīng)行字符的首地址指針。但這種存儲結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也很明顯，就是對存儲器的使用量較大。在該算法下，可以計算出在OSD所需要的使用的存儲器量為：m×n×Ch，如圖1(a)所示。存人其中的“空格”(圖中編碼為“28”)會占用相當(dāng)一部分的存儲器資源。在一些情況中，用于補(bǔ)充空缺而存儲的“空格”所占用的存儲空間甚至?xí)茸址c(diǎn)陣信息的存儲空間還要多，這是對存儲器資源極大的浪費(fèi)。

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1.2 二步索引算法原理

  如果只存儲字符點(diǎn)陣信息而不存儲‘空格 i，顯然對節(jié)省存儲器資源將有著很大的幫助。為達(dá)到這樣的設(shè)計目標(biāo)，在逐字索引法的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)提出了二步索引算法。

  設(shè)第k幅菜單中顯示nk行字符，菜單第i行中顯示li個字符。其中，nk存儲于寄存器中，li存儲在一段地址長度為nk的字符數(shù)信息存儲器中。在二步索引算法下，通過讀取字符數(shù)信息存儲器中的數(shù)據(jù)以及根據(jù)nk限制讀出的li數(shù)據(jù)個數(shù)，可以確定菜單中各行所顯示的字符的個數(shù)。第k幅菜單中第i行第j個字符的編碼信息在存儲器中的地址指針可以根據(jù)公式(3)確定：

  讀出字符編碼數(shù)據(jù)Ni×j，仍然通過公式(2)得到相應(yīng)字符在點(diǎn)陣信息存儲器中存儲地址段的首地址指針，從而讀出全部的字符點(diǎn)陣信息。完整的數(shù)據(jù)讀取操作過程如圖2所示。

   在二步索引算法中，引入了行顯示字符數(shù)li和菜單顯示字符行數(shù)nk2個參數(shù)，通過nk首先索引菜單中第i行的顯示字符數(shù)li，根據(jù)li控制索引該行第j個字符編號Ni×j。根據(jù)li可以知道每行顯示的字符數(shù)，所以字符編碼信息可以按行順序緊密的存儲，即每行存儲的數(shù)據(jù)采用非定長的方式，如圖1(b)所示。與圖1(a)所示的逐字索引法存儲器結(jié)構(gòu)相比，二步索引法在對存儲器資源的節(jié)省方面效果是顯著的。

2 二步索引法OSD電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.1 字符索引電路實(shí)現(xiàn)

  如圖3所示，相比于逐字索引法的電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，二步索引法的電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中增加了字符行寄存器和用于存放行字符數(shù)信息的存儲器。字符行寄存器中存人nk，根據(jù)字符行計數(shù)器所計數(shù)據(jù)與nk比較來控制從行字符數(shù)存儲器中讀出的數(shù)據(jù)數(shù)。讀出的行字符數(shù)信息li再用以控制顯示第i行菜單字符所需從字符編碼存儲器中讀出的字符編碼數(shù)據(jù)數(shù)。讀出的字符編碼Ni×j通過地址生成電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)字符的點(diǎn)陣信息在字符點(diǎn)陣ROM中存儲地址段的首地址，從而在字符點(diǎn)陣ROM中索引出相應(yīng)字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，如此反復(fù)，可實(shí)現(xiàn)對全部字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的索引。

2.2 數(shù)據(jù)輸出控制與層混合疊加電路實(shí)現(xiàn)

  從字符點(diǎn)陣ROM中讀取出的字符點(diǎn)陣信息經(jīng)過點(diǎn)陣重組電路的處理后將按字符Cl×Ch順序的點(diǎn)陣信息轉(zhuǎn)換成按菜單行順序的格式存入到輸出緩存中。輸出緩存中數(shù)據(jù)的存儲順序如圖3所示。

  輸出緩存能夠存儲整幅菜單的顯示信息，以使菜單生成和菜單輸出顯示2個過程相互獨(dú)立，從而使得在顯示菜單的同時，可進(jìn)行新菜單內(nèi)容的讀入，保證菜單顯示的連貫勝。輸出緩存容量大小由包含顯示信息最多的一幅菜單決定。[!--empirenews.page--]

   從輸出緩存中讀出的數(shù)據(jù)用于控制生成菜單字符層，在層選擇電路中與菜單背景層和屬性條層進(jìn)行疊加處理后輸出一幅完整的菜單。字符層、菜單背景層和屬性條層相互獨(dú)立，由層混合控制電路控制進(jìn)行混合疊加處理，再將菜單與屏幕背景層進(jìn)行疊加輸出混合視頻信號。層混合疊加電路的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 OSD電路的FPGA實(shí)現(xiàn)及功能驗證

  設(shè)計在Xilinx公司的ISE6.3軟件環(huán)境下，使用Verilog HDL硬件描述語言對其電路邏輯進(jìn)行描述，并以Xilinx公司xc2v1500bg575-4型為核心芯片的FPGA仿真驗證平臺對其進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)及功能驗證。FPGA驗證平臺架構(gòu)如圖5所示。

   驗證平臺輸入模擬視頻信號，經(jīng)SAA7111A芯片電路A／D采樣轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字視頻信號接入FPGA驗證平臺。經(jīng)過視頻處理電路去隔行、尺寸縮放等處理的視頻信號在圖象混合電路中與OSD菜單混合后輸出經(jīng)DS90C38芯片電路轉(zhuǎn)為LVDS(低壓差分信號)信號并驅(qū)動液晶屏顯示結(jié)果。

   對2種字符索引算法下實(shí)現(xiàn)的OSD電路進(jìn)行驗證比較。OSD字符索引電路部分使用到的存儲器資源可以分為字符編碼存儲器、行字符數(shù)存儲器、字符行寄存器3種。以生成圖6中所示菜單為例分析2種算法下OSD字符索引電路對存儲器資源的使用情況，將結(jié)果列于表1中。

  從表中可以看出，以二步索引算法實(shí)現(xiàn)的字符索引電路使用了8個bytes的行字符數(shù)存儲器和1個byte的字符行寄存器，而以逐字索引算法實(shí)現(xiàn)的字符索引電路在這2類存儲器上的使用量均為0。但是，后者在字符編碼存儲器的使用上卻達(dá)到了96 bytes，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于前者50 bytes的使用量。從表1中可以看到，前者對存儲器資源的總使用量比起后者減少了很大一部分。隨著菜單尺寸的增加和顯示的字符信息的增加，二次索引算法對存儲器資源的節(jié)省效果也會更加的顯著。

4 結(jié)束語

   采用模塊化設(shè)計方法實(shí)現(xiàn)的OSD電路，作為視頻格式處理芯片的子電路模塊，對硬件資源的使用將影響到整塊芯片的電路性能。本文針對OSD電路中以存儲器為硬件資源的主要開銷這個特點(diǎn)，提出了采用二步索引算法實(shí)現(xiàn)的一種改進(jìn)型字符索引結(jié)構(gòu)的OSD電路。引入字符行寄存器和行字符數(shù)存儲器，通過對行字符數(shù)和字符編碼的二步索引，從而得到了菜單的顯示信息，同時大大地降低了對存儲器資源的使用。該算法的硬件結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)了同樣的電路功能的前提下，大大節(jié)省了硬件資源的開銷。

     本文所介紹的基于二步索引算法實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)字符索引結(jié)構(gòu)的OSD電路，將作為子模塊電路集成于一款視頻格式轉(zhuǎn)換多媒體芯片的系統(tǒng)中，為其提供人機(jī)交互功能。該系統(tǒng)可應(yīng)用于汽車電子、視頻顯示等多媒體處理場合。