基于可重編程平臺設計的FPGA數(shù)字顯示方案實現(xiàn)降低系統(tǒng)成本

如今數(shù)字顯示設備中引起成本變化的主要因素是顯示屏。在設計階段，不斷推進基于平臺的顯示設計的決策可以大大減少采購成本。如果能支持多種顯示屏尺寸，原始設備制造商（OEM）能從一個供應商那里得到較大的折扣。為了支持多種顯示屏供應商的規(guī)范，OEM可以創(chuàng)建競爭形勢以得到較低的價格。這兩種方案節(jié)省的開支大于由于需要額外的器件而引起價格的上升，例如能實現(xiàn)基于平臺設計的FPGA。此外，多個供應商的支持降低了連續(xù)供給的風險。

基于平臺的顯示設計的一些考慮

為了采用基于平臺的方法獲取最佳的成本節(jié)省和靈活性，系統(tǒng)設計者為系統(tǒng)挑選器件時須遵循下列準則：不同地方的對圖形處理器的要求不同，可編程特性支持全球的多種標準和格式，加速終端產(chǎn)品的上市；整個系統(tǒng)I/O接口和控制邏輯集成支持現(xiàn)有的設計/ASSP芯片組橋接功能，諸如802.11a或者HiperLAN2和用戶定制的接口邏輯；現(xiàn)場可重編程支持不斷變化的標準和不斷更新的圖像處理算法。

圖1：可重構FPGA支持多種屏尺寸、I/O標準和改變圖像處理算法。

先進的FPGA能滿足所有這些要求，提供靈活的解決方案。最有效的FPGA解決方案是那些在顯示設計中用于圖像處理、存儲器控制和I/O支持的，能提供綜合的、基于可重編程平臺的解決方案。

帶有嵌入DSP解決方案的FPGA

系統(tǒng)設計的關鍵在于CPU/軟件、ASIC、ASSP和FPGA解決方案的平衡，決定基于平臺的顯示設計中可編程解決方案對哪一種功能是最佳的。通常選擇可編程器件時，需要對下面的三種電路的要求進行評估：

1.低擺幅差分信令（RSDS）和低電壓差分信令（LVDS）支持屏接口；

2.DDR SDRAM支持圖像處理存儲器；

3.用于圖像處理功能的DSP功能和性能。

圖1中列出了滿足這些要求的FPGA解決方案。輸入至FPGA的是圖像處理芯片和其它的ASSP，諸如無線以太網(wǎng)。輸出包含屏驅(qū)動電路和顯示定時發(fā)生器。此外，圖中間的FPGA塊實現(xiàn)圖像處理功能，支持多種廠商的屏、尺寸和地區(qū)要求。

在輸入部分，F(xiàn)PGA幫助設計者橋接ASSP功能至圖形處理器或系統(tǒng)處理器。橋接的例子包括無線以太網(wǎng)（802.11a/g，HiperLAN2）和用戶接口控制邏輯。下一代的顯示設備和投影儀或許通過802.11a或HiperLAN2支持無線以太網(wǎng)。此外，定制的用戶接口邏輯可以使開發(fā)商的顯示產(chǎn)品與競爭商的形成差異化。兩種功能均用一個FPGA解決方案來橋接或控制。

對于圖像處理部分，F(xiàn)PGA提供縮放、屏幕高寬比的轉(zhuǎn)換、色彩空間轉(zhuǎn)換、降噪和其它的視頻幀DSP功能，以支持多種不同尺寸的顯示屏和多家廠商。這些圖像處理算法可以是專有的，諸如輪廓的清晰度增強，這樣由于算法的不斷改進可以形成產(chǎn)品的差異化。

有嵌入式DSP的FPGA能容易地進行圖像處理的重復編程。一些低于10美元含有嵌入式DSP的FPGA支持3000MMAC，每MMAC小于0.3美分，這對于圖像處理功能來說能節(jié)省成本。有嵌入式DSP功能的FPGA含有幾個乘法模塊，而一些FPGA也有嵌入的加法器、減法器和累加器，大大增強了圖像處理功能。雖然低成本FPGA工作在小于300MHz系統(tǒng)時鐘頻率，通過片上的多個DSP模塊并行執(zhí)行多個DSP功能可以達到高的DSP吞吐率（3000MMAC）。

另外，F(xiàn)PGA可以為DDR SRAM圖像處理幀緩沖器提供存儲器控制和接口。DDR存儲器在系統(tǒng)時鐘的上升沿和下降沿讀寫數(shù)據(jù)，相對于傳統(tǒng)的SDR（單數(shù)據(jù)率），在相同的時鐘速率情況下，采用DDR有著雙倍的吞吐量。DDR SDRAM通常用于幀緩沖存儲器，需要用于圖像處理的大量低成本、快速的存儲器。

表1：RSDS和LVDS的電氣特性。

DDR SDRAM器件的DM數(shù)據(jù)屏蔽功能用來簡化圖形顯示應用的數(shù)據(jù)處理。取代執(zhí)行讀、修改、寫周期以改變寬字中的一部分，屏蔽的寫周期和DM屏蔽信號一起用來使能和禁止在寬字內(nèi)個別字節(jié)的寫。因為單個寫周期取代了讀、修改、寫周期，對系統(tǒng)性能的提高是顯而易見的。寫屏蔽簡化了在一個數(shù)據(jù)塊中改變所選擇的位，增加了顯示色彩管理任務的性能。

在較低的時鐘速度，100MHz以下，采用通用I/O和邏輯的FPGA實現(xiàn)DDR存儲器接口很容易。然而在較高的頻率下，要求FPGA有專有電路，能可靠地與DDR存儲器接口。這些專有電路包含特別的布線和用于DQS選通的基于DLL的相移，DQ數(shù)據(jù)有效電路通知存儲器讀猝發(fā)的起始。當DQS選通退出和再次進入三態(tài)時，前同步和后同步檢測器正確地處理DQS的選通，片上終端電路提供最大的信號完整性。不是所有的FPGA都有這些專有電路，實現(xiàn)高速DDR存儲器的接口成本和復雜性變化相當大，這取決于FPGA系列的規(guī)范。

存儲器讀周期時，存儲器驅(qū)動邊沿對齊的DQ數(shù)據(jù)和DQS選通信號。允許FPGA用選通信號獲取數(shù)據(jù)，選通信號必須準確地相對數(shù)據(jù)相移90度，然后同時捕獲所有的數(shù)據(jù)位。因為DQS選通信號不是自由選擇路徑的信號，F(xiàn)PGA里可以使用主從DLL方法，主DLL鎖存至系統(tǒng)時鐘，然后控制將選通信號精確地相移90度的從延時線。

信號從FPGA到存儲器再返回FPGA，電路板上的延時通常是未知的，且隨著溫度和電壓而變化。因此，從發(fā)出一個存儲器讀命令到有效的數(shù)據(jù)到達FPGA的時間是不確定的。FPGA里的DQ數(shù)據(jù)有效電路可以用來監(jiān)控DQS選通和發(fā)出讀脈沖開始信號，啟動有效數(shù)據(jù)。通常這要求一些檢測手段，在讀脈沖前同步開始時檢測選通信號從三態(tài)到激活的變化。

因為DDR存儲器使用SSTL和HSTL的電氣接口，它們并行地終止到一半電壓，所以處于三態(tài)的信號總是浮動到輸入緩沖器的域值電壓。這會導致DQ數(shù)據(jù)和DQS選通信號的寄生振蕩，除非有專門的電路來阻止這種行為。FPGA含有雙域值輸入緩沖器和最小脈沖寬度檢測器，用來阻止讀前同步之前和讀后同步之后的DQS選通振蕩。

DDR SRAM和SDRAM器件用于各種單端和差分SSTL和HSTL電氣信號的組合。這些存儲器的時鐘輸入是差分的，因此FPGA輸出驅(qū)動器必須使正負信號間的偏斜最小。同樣，為了確保在存儲器接口上最大的信號完整性，具有的串行和并行終結(jié)能力的FPGA應該用來驅(qū)動和接受構成接口的各種信號。

當前新一代的DDR存儲器系統(tǒng)使用靜態(tài)并行終結(jié)，或者在電路板上或者在存儲器控制器芯片內(nèi)。為了達到較高的速度，同時在相同的時間減少系統(tǒng)終端功耗，在存儲器和控制器里，新一代DDR2使用可開關的并行終端，以及控制輸出阻抗驅(qū)動器。針對DDR2應用的FPGA包括這些功能。

對于輸出部分，F(xiàn)PGA通過LVDS或者新出現(xiàn)的RSDS標準實現(xiàn)圖像處理與屏驅(qū)動電路的接口。LVDS和RSDS是低噪聲、低功耗、低振幅差分信號，用于在銅線上發(fā)送高速、每秒吉比特的數(shù)據(jù)傳輸信號。RSDS有著比標準LVDS更低的電壓擺幅和輸出驅(qū)動電流，以致有較低的EMI和功耗，如表1所示。

本文小結(jié)

選擇支持諸如LVDS和RSDS的FPGA就能把屏驅(qū)動電路放入FPGA。此外，系統(tǒng)設計者期望FPGA制造商提供知識產(chǎn)權核和容易使用的設計工具，以便進一步降低成本和加速產(chǎn)品上市時間。LatticeECP-DSP FPGA系列支持多種需求，包括RSDS、LVDS、DDR和DSP，而且可編程邏輯可支持多種顯示標準和格式。另外，由于支持多種DSP知識產(chǎn)權核與Matlab Simulink，也使得設計更加便利。

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