基于SOPC的高分辨率顯示控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 燾 陶吉懷

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

0 引言

顯示控制器在嵌入式系統(tǒng)中幾乎必不可少，是實(shí)現(xiàn)圖形界面的必要手段。處理器自帶的顯示控制器通常共用系統(tǒng)內(nèi)存作為顯存［1-2］。在顯示器分辨率較高時(shí)，處理器需要管理大量的顯存數(shù)據(jù)，當(dāng)處理器主頻較低或是系統(tǒng)內(nèi)存的訪問(wèn)速率較低時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大分辨率的顯示器的驅(qū)動(dòng)［2］。一種解決的方法配備專用集成芯片設(shè)計(jì)的顯示控制器［3］，但是這種方法一般需要顯示控制器和顯示器配套定制，缺乏靈活性，而且成本較高。

SOPC［4］是一種特殊的片上系統(tǒng)，建立在可編程邏輯技術(shù)的基礎(chǔ)上，盡可能將一個(gè)大而完整的電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在一塊FPGA硅片上，具有硬件可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)，軟件在系統(tǒng)可編程的特點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在規(guī)模、功能、體積、性能、上市周期、開發(fā)成本等方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。本文基于SOPC技術(shù)提出一種顯示控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，使得在處理器主頻不是很高的情況下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率的LCD顯示器的驅(qū)動(dòng)。

1 方案設(shè)計(jì)

以 xilinx 的 microblaze［5］軟核處理器為例，顯示控制器和處理器的連接如圖1所示。顯示控制器通過(guò)處理器外設(shè)局部總線接口連接到基于SOPC的處理器上，作為處理器的一個(gè)外設(shè)。本設(shè)計(jì)提出兩種顯示控制器架構(gòu)，第一種架構(gòu)如圖2所示，第二種架構(gòu)如圖3所示。通過(guò)在顯示控制器內(nèi)部設(shè)置處理器可以讀寫的寄存器，實(shí)現(xiàn)處理器對(duì)顯示控制器的命令傳達(dá)和數(shù)據(jù)傳輸。顯示控制器內(nèi)部邏輯全部通過(guò)FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，包括指令獲取和譯碼、顯存數(shù)據(jù)處理處理、RAM的讀寫操作、VGA時(shí)序產(chǎn)生等。RAM控制器根據(jù)顯示器上點(diǎn)的坐標(biāo)位置將顯存數(shù)據(jù)寫入RAM中相應(yīng)的位置，并根據(jù)VGA時(shí)序產(chǎn)生模塊的讀取請(qǐng)求，從相應(yīng)位置讀出顯存數(shù)據(jù)。VGA時(shí)序控制模塊產(chǎn)生行同步和場(chǎng)同步信號(hào)，并根據(jù)行同步、場(chǎng)同步的信息，將顯存數(shù)據(jù)送到VGA接口，實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。

本設(shè)計(jì)中，第一種架構(gòu)使用單口的SDRAM作為圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是要求SDRAM讀寫數(shù)據(jù)的速率至少是VGA接口圖像數(shù)據(jù)速率的兩倍以上，當(dāng)顯示器的分辨率和刷新頻率較高時(shí)，對(duì)SDRAM的讀寫速率要求較高。第二種架構(gòu)采用雙口RAM來(lái)存儲(chǔ)顯存數(shù)據(jù)，這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是顯存數(shù)據(jù)的讀寫可以同時(shí)進(jìn)行，RAM的寫數(shù)據(jù)速率只要達(dá)到VGA接口的圖像數(shù)據(jù)速率即可，降低了對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的要求。

圖1 顯示控制器與處理器的連接

圖2 基于單口RAM顯示控制器架構(gòu)

1.1 接口設(shè)計(jì)

顯示控制器對(duì)外的接口包括:外設(shè)局部總線接口、VGA信號(hào)轉(zhuǎn)換接口、RAM存儲(chǔ)器控制接口以及時(shí)鐘輸入接口。

圖3 基于雙口RAM的顯示控制器架構(gòu)

外設(shè)局部總線接口由SOPC的硬件開發(fā)平臺(tái)提供。以Xilinx的SOPC硬件開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform Studio)［6］為例，XPS 為用戶提供了 PLB v4.6、Fast Simple Link、AXI4-Lite等 5 種處理器總線接口，用戶可以選擇其中的一種接口作為自己的外設(shè)和總線的接口。

VGA信號(hào)轉(zhuǎn)換接口用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為VGA接口所需的模擬信號(hào)，該接口的定義如圖4所示，其中，vsync是場(chǎng)同步信號(hào)，hsync是行同步信號(hào)，R、G、B分別為紅基色分量、綠基色分量和藍(lán)基色分量。RGB的總位寬通常有8位、16位、24位和32位幾種，本設(shè)計(jì)以8位位寬為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 VGA時(shí)序控制模塊對(duì)外接口

RAM存儲(chǔ)器控制接口由RAM的類型決定，通過(guò)該接口對(duì)RAM進(jìn)行顯存數(shù)據(jù)的讀寫操作。

時(shí)鐘輸入接口主要是為了獲取內(nèi)部硬件邏輯所需要的時(shí)鐘，本設(shè)計(jì)的顯示控制器內(nèi)部主要有兩種時(shí)鐘，一種是和系統(tǒng)處理器總線一致的時(shí)鐘，一種是VGA時(shí)序產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘。

顯示控制器內(nèi)部的接口主要包括:中央控制模塊和總線接口控制模塊間的接口，中央控制模塊和VGA時(shí)序控制模塊間的接口，中央控制模塊和RAM控制器的接口。

總線接口控制模塊由系統(tǒng)產(chǎn)生，它為用戶提供了一個(gè)用戶接口，該接口由用戶邏輯中使用的總線資源決定。當(dāng)用戶邏輯中使用可以被處理器訪問(wèn)的寄存器時(shí)，接口定義如圖5所示，其中，Bus2IP_Clk為時(shí)鐘信號(hào)，Bus2IP_Reset為對(duì)IP模塊的復(fù)位信號(hào)，其余的信號(hào)線用于讀寫用戶邏輯中可被處理器訪問(wèn)的寄存器。

圖5 總線接口控制模塊和中央控制模塊間的接口

中央控制模塊和VGA時(shí)序產(chǎn)生模塊間的接口如圖6所示，其中，en為對(duì)VGA時(shí)序產(chǎn)生模塊的使能信號(hào)，valid信號(hào)指示當(dāng)前VGA時(shí)序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的X軸坐標(biāo)X_label和Y軸坐標(biāo)Y_label是否有效，X_label和Y_label用于指示VGA時(shí)序產(chǎn)生模塊當(dāng)前請(qǐng)求的是顯示器哪個(gè)位置的RGB值。

圖6 中央控制模塊和VGA時(shí)序產(chǎn)生模塊間的接口

中央控制器和RAM控制器間的接口視RAM的類型而定，當(dāng)采用單口的SDRAM時(shí)，寫入和讀出的顯存數(shù)據(jù)需要FIFO緩存，當(dāng)采用雙口RAM時(shí)，不需FIFO緩存。以雙口RAM為例，中央控制器和雙口RAM控制器的接口如圖7所示，其中，ready用于指示RAM目前是否處于就緒狀態(tài)，clear為清除RAM命令，wr_en為寫 RAM使能，wr_addr為寫RAM的地址，wr_data為寫RAM的數(shù)據(jù)，rd_en為讀使能，rd_addr為讀RAM的地址。

1.2 VGA時(shí)序

VGA接口時(shí)序［7］如圖8所示(其中vd_en是為了說(shuō)明視頻信號(hào)vd何時(shí)有效而添加的信號(hào)，它本身不屬于VGA接口的信號(hào))。VGA接口時(shí)序中場(chǎng)同步信號(hào)決定了每幀圖像的開始和結(jié)束，行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)共同決定掃描到的點(diǎn)在顯示器上的位置。視頻信號(hào)vd由RGB值經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到，決定掃描到的點(diǎn)的彩色值。

圖7 中央控制模塊和RAM控制器間的接口

圖8 VGA時(shí)序

以分辨率為1024×768、刷新頻率為70Hz的圖像格式為例，其點(diǎn)時(shí)鐘clk為75MHz，行同步頻率為56.4759kHz。

場(chǎng)同步信號(hào) vsync的周期 t_vsync約為14.27ms，每場(chǎng)有806行，其中768行為有效顯示行，38行為場(chǎng)消隱期。場(chǎng)同步信號(hào)vsync每場(chǎng)有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度t_vs為106.24μs。場(chǎng)消隱期包括場(chǎng)消隱前肩t_vfp(3行)、場(chǎng)同步時(shí)間t_vs(6行)和場(chǎng)消隱后肩t_vbp(29行)，共38行。

行同步信號(hào) hsync的周期 t_hsync約為17.71μs，每行包括1328點(diǎn)，其中1024點(diǎn)為有效顯示區(qū)，304點(diǎn)為行消隱期(非顯示區(qū))。行同步信號(hào)hsync每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度t_hs為1.813μs。行消隱期包括行消隱前肩t_hfp(24個(gè)clk)、行同步時(shí)間t_hs(136個(gè)clk)和行消隱后肩t_hbp(144個(gè)clk)，共304個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘。

行同步和場(chǎng)同步信號(hào)分別通過(guò)行同步、場(chǎng)同步狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生。行、場(chǎng)同步狀態(tài)機(jī)通過(guò)行計(jì)數(shù)器h_cnt和場(chǎng)計(jì)數(shù)器v_cnt來(lái)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。行同步狀態(tài)機(jī)如圖9所示，場(chǎng)同步狀態(tài)機(jī)如圖10所示。行計(jì)數(shù)器的觸發(fā)信號(hào)為時(shí)鐘clk，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘，行計(jì)數(shù)h_cnt加1，當(dāng)達(dá)到最大值1327時(shí)歸零。場(chǎng)計(jì)數(shù)的觸發(fā)為h_cnt，當(dāng) h_cnt=1327 時(shí)，場(chǎng)計(jì)數(shù) v_cnt加 1，當(dāng) v_cnt=805且h_cnt=1327時(shí)v_cnt歸零。在行同步計(jì)數(shù)周期內(nèi)，當(dāng)vd_en有效時(shí)，在每個(gè)時(shí)鐘上升沿，將相應(yīng)點(diǎn)的視頻信號(hào)vd送到VGA接口。

圖9 行同步狀態(tài)機(jī)

圖10 場(chǎng)同步狀態(tài)機(jī)

1.3 寄存器設(shè)置

顯示控制器內(nèi)部設(shè)置了兩個(gè)處理器可以訪問(wèn)的32位的寄存器，一個(gè)定義為控制寄存器CTRL［31:0］，一個(gè)定義為數(shù)據(jù)寄存器DATA［31:0］。控制寄存器各比特位的定義如下:

CTRL［31］:顯示控制器使能，高電平有效;

CTRL［30］:顯存數(shù)據(jù)寫使能，高電平有效;

CTRL［29］:顯存數(shù)據(jù)讀使能，高電平有效;

CTRL［28:21］:設(shè)置顯示器分辨率模式;

CTRL［20:17］:設(shè)置顯示器刷新頻率模式;

CTRL［16］:清除顯存數(shù)據(jù)，高電平有效;

CTRL［15］:指示當(dāng)前數(shù)據(jù)寄存器值是否有效;

CTRL［14:0］:保留。

數(shù)據(jù)寄存器各比特位的定義如下:

DATA［31:30］:保留;

DATA［29:19］:對(duì)應(yīng)顯示器上的點(diǎn)的橫坐標(biāo);

DATA［18:8］:對(duì)應(yīng)顯示器上的點(diǎn)的縱坐標(biāo);

DATA［7:0］:坐標(biāo)為(DATA［29:19］，DATA［18:8］)的點(diǎn)的RGB彩色值。

2 方案驗(yàn)證

利用Xilinx的XPS開發(fā)環(huán)境搭建microblaze軟核處理器硬件平臺(tái)，將本文設(shè)計(jì)的顯示控制器作為一個(gè)設(shè)備掛載到microblaze處理器的外設(shè)局部總線上［5-6］。利用Xilinx的SDK［6］開發(fā)環(huán)境為生成硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序，利用此驅(qū)動(dòng)程序，在VGA接口的LCD顯示器上繪制圖像。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的圖像效果，實(shí)驗(yàn)中在顯示器上動(dòng)態(tài)地畫圈，畫圈的結(jié)果如圖11所示。

圖11 在顯示器上動(dòng)態(tài)畫圓圈

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在150MHz的處理器頻率下，實(shí)現(xiàn)在分辨率為1280×1024、刷新頻率為60Hz的LCD顯示器繪制動(dòng)態(tài)圖像，沒有出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以 VGA接口為例，通過(guò)在 Xilinx的Spartan-6系列的FPGA上實(shí)驗(yàn)，在主頻相對(duì)較低的軟核處理器上實(shí)現(xiàn)了大屏幕顯示器的驅(qū)動(dòng)，說(shuō)明了方案的可行性。本文設(shè)計(jì)的顯示控制器不局限于SOPC，可應(yīng)用于基于ASIC的系統(tǒng)中，針對(duì)不同的處理器，只需稍微修改總線接口控制邏輯即可，設(shè)計(jì)靈活，具有通用性。

［1］ 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程［M］.-北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［2］丁鐵夫，陳偉，鄭喜鳳等.多媒體協(xié)處理器SM501在全彩LED顯示屏脫機(jī)播放系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.液晶與顯示，2009，24(6):860-865.

［3］王立風(fēng).多媒體協(xié)處理器SM501在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，(6):42-43.

［4］ 江國(guó)強(qiáng).SOPC技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］Xilinx Company.MicroBlaze Processor Reference Guide v13.2［EB/OL］.［2011-7-6］.http://www.xilinx.com.

［6］Xilinx Company.Embedded System Tools Reference Manual v13.2［EB/OL］.［2011-7-6］.http://www.xilinx.com.

［7］ 曹允.基于FPGA的VGA時(shí)序彩條信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法及其應(yīng)用［J］.電子工程師，2002 28(7):42-45.