用FPGA實現(xiàn)汽車視頻和圖形控制

LCD顯示器真是無處不在，在家庭、超市、體育館以及汽車內你都可以見到它們的身影。無疑車載LCD顯示系統(tǒng)是增長最快的市場。增長的動力包括：不斷下降的顯示器價格、不斷提升的用戶體驗、更多的產品性能以及車內消費類產品的集結。

典型的圖形顯示系統(tǒng)一般都是利用標準的特殊應用標準處理器(ASSP)或者定制的特殊應用集成電路(ASIC)作為控制器來構建的。但汽車圖形設計師在利用這些器件構建系統(tǒng)時遭遇到了不小的麻煩，其中包括：較短的產品生命周期，基于PC的系統(tǒng)總線接口，無法適應新標準和新顯示器類型等。所有這些問題都限制了設計在其它應用中的重用可能性。


圖1給出了車載圖形/視頻系統(tǒng)的一個典型實例。圖的左側列出了用于驅動圖形系統(tǒng)的一些不同輸入信號。本例包括了一個MediaLB接口，一個用于視頻的兩線像素鏈路收發(fā)器，一個普通系統(tǒng)接口總線和一個NTSC/PAL視頻編碼器。一旦視頻和圖形信息進入系統(tǒng)，就由通用CPU執(zhí)行處理，或者在不同的系統(tǒng)架構下被直接送到圖形處理器。此外，絕大多數(shù)設計還含有用于程序存儲的閃存以及用于存儲頁面和視頻信息的SDRAM。

圖1：典型的圖形/視頻系統(tǒng)架構。


圖形處理器可以是ASSP、定制ASIC或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件。根據(jù)具體實現(xiàn)的不同，一個系統(tǒng)中可能會含有多臺顯示器(如圖所示)，這時還需要額外的邏輯資源來管理各種信號以便支持每臺顯示器正常工作。

如上所述，設計師在汽車設計中采用ASSP圖形控制器時會遇到一些阻礙，具體包括：

1. PC和消費電子產品通常具有非常短的生命周期，但汽車市場具有很長的生產周期和支持需求，它們無法接受生命周期結束時強制發(fā)生的變化。

2. 采用硬連線的ASSP或ASIC器件無法象傳統(tǒng)系統(tǒng)那樣支持新興的或者派生的視頻和圖象標準。

3. 硬連線系統(tǒng)也很難適應不同的顯示器類型，其不適應性具體表現(xiàn)在分辨率、長寬比或顯示器信號接口方面。

4. 絕大多數(shù)ASSP器件采用的都是PC總線接口，比如AGP、PCI 和PCI Express。如果要在內部系統(tǒng)總線和ASSP圖形器件之間構建定制接口，汽車設計師還將面臨額外的成本和復雜性問題。

ASIC的單片價格確實相當?shù)?，但是開發(fā)成本非常高。其掩膜成本可達數(shù)百萬美元，如果需要改變設計以支持新標準或者新功能，則掩膜費用還得成倍增加。


以多用途為特質的FPGA器件加上商用化知識產權(IP)能夠實現(xiàn)幾乎所有的圖形系統(tǒng)功能，包括視頻控制器、RISC處理器、顯示器接口、總線標準和不同的視頻輸入標準等，而且這些功能全都可以集成在一個器件上。

圖2：集成式車載圖形解決方案。

圖2是利用FPGA實現(xiàn)的高集成度實例。該設計無需使用外部MediaLB器件，而是在內部FPGA邏輯中處理MediaLB協(xié)議。RISC處理器則是以基于IP的32位軟核處理器形式整合在里面。再加上圖形/視頻內核模塊IP就實現(xiàn)了完整的設計，包括支持觸摸屏輸入、LCD背光控制、存儲控制器和多臺顯示器。該設計通過將所有主要的系統(tǒng)功能集成到FPGA中而大大減少了設計中的零部件數(shù)量。利用帶內置非易失性啟動閃存的FPGA還能節(jié)省其他更多的器件。

圖形系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)是總項目的一部分。設計師必須將精力集中到圖形控制器的功能上，以便為設備找到最佳的解決方案。例如，客戶信息顯示器(CID)可能只需要顯示文本消息和基本圖形，而一系列玻璃儀表板則需要高分辨率平滑圖形顯示，因為實際上它代表著用CID來替代物理度量和儀器測量。一些儀器板和導航系統(tǒng)也有實時視頻顯示器用于支持后視(rear-view)攝像視頻，這種顯示器需要一個能夠支持畫中畫和實時視頻并且不能降低其他圖像質量的圖形控制器。另外，處理多路視頻流和輸入所需的靈活性也是其典型要求。