高速鏈路設(shè)計(jì)難？利用HPM6750雙千兆以太網(wǎng)透傳實(shí)現(xiàn)LED大屏實(shí)時控制

LED大屏顯示系統(tǒng)利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成大面積顯示屏顯示字符、圖像等信息，具有低功耗、低成本、高亮度、長壽命、寬視角等優(yōu)點(diǎn)，近年來隨著LED顯示技術(shù)的不斷更新，廣泛應(yīng)用在各類媒體場合。

LED大屏由無數(shù)個LED RGB燈組成，通過實(shí)時控制每個LED RGB的亮度及色彩，來顯示不同的圖案。在LED大屏顯示應(yīng)用中，傳統(tǒng)的核心控制芯片選擇可謂多種多樣，MCU、FPGA或PLD都可以被作為核心控制芯片來進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的效果也是各有優(yōu)劣。 在LED大屏顯示應(yīng)用不斷拓展的同時，大屏顯示系統(tǒng)對刷新頻率和延遲也提出了更嚴(yán)苛的要求：

更高的刷新頻率：刷新頻率越高，顯示的圖像越穩(wěn)定，眼睛感覺到疲勞可能性就越小；

更低的延遲：整個數(shù)據(jù)鏈路的延遲進(jìn)一步降低，減少閃屏或卡頓。

為確保LED大屏高刷新頻率和低延遲，避免閃屏或卡頓的情況，就必須通過高速的鏈路來實(shí)時控制這些LED RGB燈。要實(shí)現(xiàn)更高刷新頻率、更低延遲的LED大屏系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主控芯片的選擇非常關(guān)鍵。以MCU為核心的LED大屏顯示控制系統(tǒng)常常被詬病數(shù)據(jù)處理速度無法滿足實(shí)時性要求很高的場合，其實(shí)不然。 RISC-V內(nèi)核的MCU，得益于RISC-V本身的簡潔性和模塊化設(shè)計(jì)，CPU能以更高的頻率運(yùn)行，帶來更高的性能。因此，基于RISC-V的高主頻MCU能讓LED大屏顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的驅(qū)動頻率及更高的實(shí)時性。HPM6750就是上海先楫半導(dǎo)體公司開發(fā)的采用RISC-V 內(nèi)核、具有高主頻及創(chuàng)新總線架構(gòu)的雙核高性能MCU。HPM6750擁有兩個完全獨(dú)立的CPU且主頻高達(dá)816MHz，模擬外設(shè)包括4組共32路精度達(dá)2.5ns的PWM、3個12位高速ADC以及1個16位高精度ADC，其性能在市場同類產(chǎn)品中居于領(lǐng)先水平。不僅如此，對于LED大屏顯示應(yīng)用，高性能HPM6750能通過雙千兆以太網(wǎng)透傳的方案加雙核加持完美解決高速的鏈路設(shè)計(jì)。HPM6750支持2個以太網(wǎng)控制器ENET，支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC，支持10/100/1000Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率，支持RMII和RGMII模式的PHY，ENET以太網(wǎng)控制器自帶DMA，因此在數(shù)據(jù)接收和發(fā)送上CPU負(fù)載為0。HPM6750通過以太網(wǎng)控制器，將兩個PHY收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)相互透傳，透傳速率達(dá)780Mb/s?；诟咝阅蹾PM6750的LED大屏顯示方案在對實(shí)時控制要求極高的應(yīng)用中絲毫不遜色于FPGA方案，不僅成本更低而且進(jìn)一步降低了開發(fā)難度。

< 解決方案分享>

先楫高性能MCU

LED大屏顯示雙千兆以太網(wǎng)透傳應(yīng)用

案例為720P 1280x720分辨率的LED大屏顯示控制，也就是至少需要實(shí)時控制1280x720個LED RGB燈，調(diào)整亮度及色彩來顯示不同的圖案。為確保LED大屏高刷新率及低延遲，避免閃屏或卡頓的情況，就必須通過高速的鏈路來實(shí)時控制這1280x720個LED RGB燈。本案例使用兩個RTL8211 RGMII模式的千兆PHY。

通信框圖如下：

LED RGB燈需要通過特定的波形驅(qū)動，案例由UCS1903 LED驅(qū)動控制器驅(qū)動。UCS1903時序波形圖如下：

整體的應(yīng)用方案使用高精定時器GPTMR+DMA+GPIO的方案來驅(qū)動LED。DMA:HPM6750支持2個DMA控制器：XDMA和HDMA，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的外設(shè)寄存器和內(nèi)存及內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)搬移。 支持DMA請求路由器(DMAMUX)。將來自各個外設(shè)模塊的DMA請求分配到16個輸出信號，作為XDMA和HDMA的DMA傳輸請求源。 DMAMUX 的輸出0-7連接到外設(shè)總線DMA控制器HDMA，DMAMUX的輸出8-15連接到系統(tǒng)總線DMA控制器XDMA。 用戶可以通過配置DMAMUX寄存器，把來自特定外設(shè)的DMA請求，連接到XDMA或者HDMA的各個通道。

DMA控制器支持8對請求-響應(yīng)的握手信號，請求信號來自功能模塊并經(jīng)由DMAMUX路由至DMA控制器，DMA控制器根據(jù)配置使用某個通道執(zhí)行改請求，完成長度為SrcBurstSize的數(shù)據(jù)傳輸后發(fā)送響應(yīng)信號給DMAMUX，完成硬件握手。

GPTMR:HPM6750支持11個通用定時器，每個通用定時器支持4個通道，每個通道支持32位計(jì)數(shù)器，重載寄存器和一個輸入捕獲/輸出比較通道，支持通用計(jì)時，輸入捕獲，輸出比較，PWM 生成，以及產(chǎn)生中斷和DMA請求。 其中：

8 個定時器位于系統(tǒng)電源域稱為通用定時器 GPTMR0～7

2 個定時器位于系統(tǒng)電源域的 CONN 子系統(tǒng)，稱為網(wǎng)絡(luò)定時器 NTMR0, NTMR1

1 個定時器位于電源管理域，稱為電源管理域定時器 PTMR。

GPIO:HPM6750支持2個GPIO控制器和2個快速GPIO控制器?？焖貵PIO控制器IO翻轉(zhuǎn)速率可達(dá)到主頻的一半400Mhz。GPIO控制器IO翻轉(zhuǎn)速率在10Mhz左右。 快速GPIO控制器FGPIO是CPU私有，外設(shè)無法直接訪問。

本案例中波形頻率是800khz，使用GPIO控制器速率完全足夠。

< 應(yīng)用細(xì)節(jié) >

為獲得高刷新幀率，結(jié)合HPM6750雙核加持，一個核專門用來觸發(fā)ENET DMA 做網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)透傳，另一個核用來解析、轉(zhuǎn)換、觸發(fā)HDMA，HDMA結(jié)合GPTMR拉取波形。故網(wǎng)絡(luò)透傳、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、拉取波形三者并發(fā)執(zhí)行。 案例中使用HDMA和GPTMR硬件握手來驅(qū)動GPIO高低生成指定的波形，CPU完全不參與，CPU的工作僅僅是解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和觸發(fā)DMA，故CPU在波形產(chǎn)生上，負(fù)載為0。因?yàn)槭褂昧薍DMA訪問，因此要強(qiáng)調(diào)的是HDMA訪問地址必須連續(xù)，需要使用的PIN管腳必須是同一組管腳，如：PA0~31/PB0~31/PC0~31/PD0~31等。 LED控制器UCS1903波形周期為800Khz，即一個周期1250ns。一個周期分為5段，即GPTMR定時器的頻率為4x800Khz=4Mhz，每段1250/5=250ns（頻率及分段情況，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目調(diào)整）。1碼前4高后1低（高電平時長：250x4=1000ns）；0碼前2高后2低（高電平時長：250x2=500ns）。每路燈驅(qū)動點(diǎn)亮延時（每路第一個燈珠）在4ns左右，且完全的并發(fā)。

本方案最大支持32路，以32路計(jì)算占用RAM，4(32路32bit，4byte)×5(每個周期分為5段)×24(每個燈占用24個周期)×720(每路720個燈)為338k，。為提升執(zhí)行速率，源數(shù)據(jù)建議放到DLM或SRAM中，SDRAM速率相對較慢，SRAM讀寫時間短，靜態(tài)功耗更低，總線利用率高，更適合性能要求較高的應(yīng)用。

LED大屏幕刷新頻率（幀率）則和LED大屏分辨率以及LED燈組合方式相關(guān)。本案例為1280x720的分辨率，每路串聯(lián)720個燈驅(qū)動需耗時21.6ms(該耗時為UCS1903物理特性，和MCU性能無關(guān))，需要1280/32=40個MCU通過千兆串聯(lián)。 一幀圖像的數(shù)據(jù)大小為1280x720x3(RGB三種顏色值)=2700KByte=21.1Mbit，HPM6750千兆透傳速率780Mb/s, 所以一幀圖片傳輸耗時27.05ms。 每幀數(shù)據(jù)解析后將32(每個32路)x720x3圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指定格式并觸發(fā)HDMA，實(shí)測耗時26.03ms。 以上拉波形耗時21.6ms、網(wǎng)絡(luò)傳輸耗時27.05ms、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理耗時26.03ms均為并行執(zhí)行，故1280x720分辨率的刷新一幀耗時為27.05ms，刷新幀率36.97幀/s fps。

雙千兆以太網(wǎng)透傳速率實(shí)測可達(dá)780Mb/s，通過上面計(jì)算可以看到，HPM6750雙核加持下的高速鏈路完全能滿足實(shí)時控制需求，確保了LED大屏顯示的高刷新率及低延遲。

高性能驅(qū)動

HPM6750芯片介紹

HPM6750采用雙RISC-V內(nèi)核，主頻達(dá)816MHz，憑借先楫半導(dǎo)體的創(chuàng)新總線架構(gòu)、高效的L1緩存和本地存儲器，創(chuàng)下了高達(dá)9220CoreMark和高達(dá)4651 DMIPS 的MCU性能新紀(jì)錄。與ARM Cortex-M家族中性能領(lǐng)先的M7相比，HPM6750的 Coremark/MHz 跑分高出約10%。 除了高算力RISC-V CPU，HPM6700系列產(chǎn)品還創(chuàng)造性地整合了一系列高性能外設(shè)，包括支持2D圖形加速的顯示系統(tǒng)、高速USB、千兆以太網(wǎng)、CAN FD等通訊接口，高速12位和高精度16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，面向高性能電機(jī)控制和數(shù)字電源的運(yùn)動控制系統(tǒng)。

欲了解更多HPM6750產(chǎn)品特點(diǎn)與應(yīng)用案例，歡迎關(guān)注并推薦 “先楫半導(dǎo)體HPMicro” 及 “先楫芯上人”。

審核編輯 ：李倩