顯示系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)代飛機(jī)和其他載人飛行器的座艙顯示向駕駛員提供飛行器、發(fā)動(dòng)機(jī)和其他系統(tǒng)所測試的參數(shù)，包括從起飛、導(dǎo)航到著陸等全過程所需要的各種信息^[1]。圖形顯示系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到飛行員獲取飛行信息進(jìn)而做出判斷和決策的效率。作為設(shè)計(jì)過程的一部分，必須確定駕駛員的信息需求，并且信息顯示必須設(shè)計(jì)得確保提供充分的態(tài)勢感知^[2]。

    隨著顯示分辨率的提高,要處理的像素也越來越多, 而允許的處理時(shí)間卻受屏幕刷新率所限制^[3]。目前主流的機(jī)載顯示分辨率為UXGA(1 600×1 200×60 Hz)，數(shù)據(jù)傳輸率為345 MB/s^[4]。高速、高帶寬數(shù)據(jù)處理需要大容量高速率的幀存器件做數(shù)據(jù)緩沖。SRAM器件有著讀寫速度快、控制簡單的特點(diǎn)，但是其容量小，成本高。在各種隨機(jī)存儲(chǔ)器件中，SDRAM的價(jià)格低、體積小、速度快、容量大,是比較理想的器件^[5-6]。本文針對(duì)高分辨率圖形顯示應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了一種基于SDRAM幀存的圖形生成電路，利用DSP執(zhí)行圖形運(yùn)算算法，利用FPGA作為協(xié)處理器，利用SDRAM作為圖形幀存并采取乒乓操作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，實(shí)現(xiàn)了分辨率高達(dá)1 600×1 200的圖形實(shí)時(shí)生成與顯示。

1 圖形生成原理

    飛行技術(shù)的發(fā)展使得座艙內(nèi)需要顯示的信息量增大，尤其在做戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作時(shí)，畫面變換速度快，要求圖形的更新速度也必須很快，才可以避免畫面的斷續(xù)。為達(dá)到動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示及畫面清晰，硬件上需采用更快的圖形處理器和更合理的設(shè)計(jì)^[7]。本文采用ADI公司的TigerSHARC系列高速DSP器件TS201作為圖形處理器，以FPGA作為協(xié)處理器，采用大容量高速SDRAM器件作為圖形幀存，原理框圖如圖1所示。

    其中DSP負(fù)責(zé)圖形生成運(yùn)算并且將數(shù)據(jù)結(jié)果通過FPGA寫入SDRAM中，F(xiàn)PGA從SDRAM中讀出數(shù)據(jù)送至顯示部件進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)采用雙幀存結(jié)構(gòu)，DSP和FPGA對(duì)SDRAM的幀存操作采取乒乓方式，以場同步信號(hào)為周期進(jìn)行切換。

2 FPGA設(shè)計(jì)

    FPGA設(shè)計(jì)主要包括SDRAM控制器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接口模塊設(shè)計(jì)、乒乓模塊設(shè)計(jì)等。

2.1 SDRAM控制器設(shè)計(jì)

    SDRAM的操作時(shí)序非常復(fù)雜，控制命令主要包括：激活命令A(yù)CTIVE、讀命令READ、寫命令WRITE、預(yù)充電命令PRECHARGE、刷新命令REFRESH、操作模式加載命令LOAD MODE REGISTER等。上電之初要先進(jìn)行初始化配置，而后才可進(jìn)行正常讀寫。一個(gè)單獨(dú)的讀寫操作需要有數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期的配套操作，這也部分抵消了其高速率帶來的優(yōu)勢。全頁突發(fā)操作模式能夠很好地發(fā)揮SDRAM高速讀寫的性能[8]。突發(fā)操作是指從內(nèi)存中連續(xù)的地址讀寫有限的數(shù)據(jù),在一個(gè)SDRAM 設(shè)備的頻率周期中，可以讀寫與時(shí)鐘個(gè)數(shù)近似等量的數(shù)據(jù)^[9]。本文采取突發(fā)操作方式對(duì)SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存取處理。

    本文采用VHDL硬件描述語言并用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)SDRAM各個(gè)控制命令狀態(tài)間的切換。使用VHDL語言來描述有限狀態(tài)機(jī)，可以充分發(fā)揮硬件描述語言的抽象建模能力^[10]。SDRAM控制器邏輯框圖如圖2所示。圖中各個(gè)信號(hào)的定義如表1所示。

    控制器內(nèi)部邏輯主要分為三部分，分別為：狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊sdr_ctrl、狀態(tài)處理模塊sdr_sig、數(shù)據(jù)處理模塊sdr_data。狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊sdr_ctrl負(fù)責(zé)初始化狀態(tài)機(jī)和初始化完成后各個(gè)操作命令之間狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系的建立，狀態(tài)處理模塊sdr_sig負(fù)責(zé)各種狀態(tài)命令下對(duì)應(yīng)的地址、控制命令信號(hào)的生成，數(shù)據(jù)處理模塊sdr_data負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)端的讀寫使能三態(tài)控制。

2.2 系統(tǒng)接口模塊

    除了控制器內(nèi)部邏輯本身，F(xiàn)PGA內(nèi)部還需建立與控制器的交互關(guān)系，根據(jù)應(yīng)用要求產(chǎn)生系統(tǒng)接口模塊System，負(fù)責(zé)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)起讀寫操作。FPGA內(nèi)部相關(guān)的模塊關(guān)系如圖3所示。

    System模塊主要負(fù)責(zé)生成sdr_top模塊的激勵(lì)信號(hào)，包括sys_ADSn、sys_R_Wn、sys_A等。

2.3 乒乓操作

    在圖形產(chǎn)生系統(tǒng)中將顯存部件設(shè)置為乒乓雙緩存結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)處理效率的目的。本文中顯存部分包括兩片SDRAM存儲(chǔ)器，分別為SDRAM1和SDRAM2。對(duì)顯存的操作分為兩個(gè)主體，一個(gè)為FPGA內(nèi)部邏輯生成的SDRAM控制器1，另一個(gè)為DSP集成的SDRAM控制器2。顯存的選擇和切換管理通過場同步的二分頻信號(hào)SET實(shí)現(xiàn)，SET為“0”時(shí)，F(xiàn)PGA生成的SDRAM控制器對(duì)SDRAM1進(jìn)行操作，DSP集成的SDRAM控制器對(duì)SDRAM2進(jìn)行操作；SET為“1”時(shí)，F(xiàn)PGA生成的SDRAM控制器對(duì)SDRAM2進(jìn)行操作，DSP集成的SDRAM控制器對(duì)SDRAM1進(jìn)行操作。SDRAM乒乓操作的框圖如圖4所示。

    DSP寫入SDRAM中的數(shù)據(jù)需定時(shí)讀取并送出顯示，在顯示動(dòng)態(tài)圖形畫面時(shí)，需對(duì)幀存中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清屏處理，否則會(huì)引起畫面重影。清屏的實(shí)質(zhì)就是將整個(gè)顯示幀緩存全部填充成透明色，盡管處理簡單，但通過純軟件實(shí)現(xiàn)非常費(fèi)時(shí)^[11]。本文設(shè)計(jì)了一種利用FPGA邏輯進(jìn)行畫面消隱的方法，減輕了軟件操作的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。具體方法為：利用SDRAM的高速高帶寬優(yōu)勢，將每行數(shù)據(jù)以SDRAM操作時(shí)鐘高速讀出，通過FIFO1進(jìn)行緩沖后讀出顯示。當(dāng)一行數(shù)據(jù)從SDRAM中全部讀出后，立即通過FIFO2以SDRAM操作時(shí)序向SDRAM該行地址寫入0數(shù)據(jù)，以此達(dá)到清空該行數(shù)據(jù)的目的。每一行操作均參照此方法，則當(dāng)一幀畫面全部讀出完畢后，該幀原有數(shù)據(jù)也全部得到清空。

3 高分辨率畫面數(shù)據(jù)存取

    為了高效利用SDRAM存儲(chǔ)空間，在DSP控制SDRAM操作期間，將地址線錯(cuò)開一位相連，SDRAM地址總線第0位與DSP地址總線第1位相連，SDRAM地址總線第1位與DSP地址總線第2位相連，以此類推，這樣SDRAM的一個(gè)地址空間將存儲(chǔ)兩個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)。SDRAM位寬為32 bit，高16位和低16位分別存放兩個(gè)相鄰的像素?cái)?shù)據(jù)。針對(duì)1 600×1 200分辨率畫面，在SDRAM中一行1 600個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)只需對(duì)應(yīng)800個(gè)地址。本文所采用的SDRAM最大突發(fā)長度是512，程序中將突發(fā)長度設(shè)置為512和288兩種類型。顯示器的一行像素?cái)?shù)據(jù)和SDRAM中的兩行地址單元對(duì)應(yīng)，其中第一行512個(gè)地址單元對(duì)應(yīng)前1 024個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，第二行前288個(gè)地址單元對(duì)應(yīng)后576個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，后224個(gè)地址單元舍棄。這樣總共需2 400行存放一幀畫面數(shù)據(jù)，小于SDRAM中4 096行一個(gè)BANK的容量。

    根據(jù)VESA標(biāo)準(zhǔn)，分辨率為1 600×1 200、刷新率為60Hz的畫面，行消隱包括50個(gè)行周期，一幀畫面周期共包含1 250個(gè)行周期，式（1）給出了行周期計(jì)算公式：

    針對(duì)一行數(shù)據(jù)，需完成突發(fā)讀和突發(fā)寫兩個(gè)步驟，突發(fā)讀通過FIFO緩沖顯示，突發(fā)寫對(duì)已讀出的SDRAM數(shù)據(jù)進(jìn)行清空。每次突發(fā)讀、寫需分兩次進(jìn)行，第一次完成512個(gè)數(shù)據(jù)突發(fā)操作，第二次完成288個(gè)數(shù)據(jù)突發(fā)操作。一個(gè)行周期內(nèi)共需完成4次突發(fā)操作，需產(chǎn)生4個(gè)sys_ADSn信號(hào)。為了便于SDRAM控制器區(qū)分512突發(fā)操作和288突發(fā)操作，在System模塊中設(shè)計(jì)了一個(gè)sys_BLS(burst length select)突發(fā)長度選擇信號(hào)，其為“0”時(shí)通知控制器進(jìn)行512突發(fā)，為“1”時(shí)通知控制器進(jìn)行288突發(fā)。

    本設(shè)計(jì)中SDRAM的操作時(shí)鐘為150 MHz，式（2）給出了一行數(shù)據(jù)處理的時(shí)長：

    式(2)分子為處理一行數(shù)據(jù)所需的總時(shí)鐘周期數(shù)目，其中包含4次突發(fā)操作周期以及每次突發(fā)操作所配套的行選通、列選通、預(yù)充電、自刷新等命令所消耗時(shí)鐘周期。由式(2)知，處理一行數(shù)據(jù)的時(shí)間小于行周期13.33 μs。根據(jù)VESA標(biāo)準(zhǔn)，1 600×1 200分辨率畫面行周期包含2 160個(gè)像素時(shí)鐘周期。行同步寬度為192個(gè)像素時(shí)鐘周期，實(shí)際程序中利用行同步頭做清零處理，由式(3)可得到實(shí)際可用的操作時(shí)間為：

    HSYNC、HBLANK、sys_ADSn、sys_R_Wn、sys_BLS的時(shí)序波形圖如圖5所示。

    在行同步上升沿開始產(chǎn)生第1個(gè)低電平sys_ADSn信號(hào)，行地址加1，sys_R_Wn為高，sys_BLS為低，通知SDRAM控制器進(jìn)行512突發(fā)讀操作；完成后產(chǎn)生第2個(gè)sys_ADSn信號(hào)，行地址加1，此時(shí)sys_R_Wn為高，sys_BLS為高，通知控制器進(jìn)行288突發(fā)讀操作；完成后產(chǎn)生第3個(gè)sys_ADSn信號(hào)，行地址減1，此時(shí)sys_R_Wn為低，sys_BLS為低，通知控制器完成512突發(fā)寫操作；完成后產(chǎn)生第4個(gè)sys_ADSn信號(hào)，行地址加1，此時(shí)sys_R_Wn為低，sys_BLS為高，通知控制器進(jìn)行288突發(fā)寫操作。SDRAM的行地址按照A、A+1、A、A+1、A+2、A+3、A+2、A+3……的規(guī)律遞增，突發(fā)操作狀態(tài)按照讀、讀、寫、寫、讀、讀、寫、寫……的規(guī)律進(jìn)行。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    本文采用的DSP器件是ADI公司TigerSHARC系列的TS201，F(xiàn)PGA采用Altera公司的EP2S60F672，F(xiàn)PGA開發(fā)環(huán)境為QuartusII9.1，運(yùn)用開發(fā)環(huán)境集成的在線邏輯分析儀工具Signaltap II抓取sdram控制器的各個(gè)相關(guān)信號(hào)波形，如圖6所示。

    本文針對(duì)機(jī)載顯示器對(duì)高分辨率圖形顯示的需求，采用SDRAM器件作為圖形幀存，使用VHDL語言設(shè)計(jì)了SDRAM控制器；針對(duì)1 600×1 200分辨率畫面實(shí)時(shí)生成需求，設(shè)計(jì)了512和288兩種突發(fā)長度，通過FPGA內(nèi)部的FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖處理，對(duì)SDRAM采取乒乓操作方式，實(shí)現(xiàn)了分辨率高達(dá)1 600×1 200圖形的實(shí)時(shí)生成與顯示。

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