車輛導(dǎo)航和娛樂系統(tǒng)中的控制器應(yīng)用

圖形顯示控制器(GDC)是位于車輛信息和娛樂系統(tǒng)中心的關(guān)鍵引擎，通常這些信息娛樂系統(tǒng)包括需要各類人機(jī)接口的頭端單元和全配置的各種儀器。開始為日本和歐洲市場(chǎng)上的高端車輛中的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖形顯示控制器，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)在世界各地的各種型號(hào)的中檔乃至低端車輛中。在車輛的娛樂系統(tǒng)中也在采用。

　　車輛GDC是一款獨(dú)特的器件，它整合了車輛娛樂系統(tǒng)中所需的許多功能。GDC的基本功能是控制LCD面板，并產(chǎn)生寬范圍的豐富圖像內(nèi)容。GDC可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的功能，如導(dǎo)航，模擬儀表的表征，振動(dòng)斑點(diǎn)屏蔽(vibrant splash screens)以及在不占用主CPU過多資源的條件下其他的更生動(dòng)體驗(yàn)等。此外，GDC還完成功率管理，這使得可以省去一些外部的冷卻部件，例如風(fēng)扇或散熱器。

　　與臺(tái)式電腦圖形控制器不一樣，為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的GDC用于低分辨率的小屏幕應(yīng)用。汽車顯示器的分辨率通常從基本信息顯示所用的CIF(320×240)到儀器所用的Ultra Wide VGA(1024?480)。由于車輛中復(fù)雜環(huán)境，需要在這些小屏幕上顯示大量的信息，并且要求顯示清晰，從而帶來了一些特殊的挑戰(zhàn)。GDC選用多層和多種透明度，使得觀看者能夠同時(shí)觀看幾個(gè)屏幕。與Windows工作臺(tái)系統(tǒng)類似，屏幕尺寸需要調(diào)整和移動(dòng)顯示區(qū)域。GDC將允許從屏幕或圖像的下方觀看，從而改善顯示效果。

　　GDC性能分類

　　隨著采用的微控制器不同，GDC有許多不同的類型和性能等級(jí)?；旧?，有5類不同的性能等級(jí)。

　　第一類是基本型的GDC，它包括一個(gè)簡(jiǎn)單的幀緩沖存儲(chǔ)器和一個(gè)產(chǎn)生顯示信號(hào)的控制器。主控制器處理繪圖功能，在緩沖器上手動(dòng)改變顯示幀。第二類是復(fù)雜一點(diǎn)的版本，包括幀緩沖器和一個(gè)具有2D功能圖形引擎，例如繪制直線和多邊形圖形。這類GDC將覆蓋2層或3層，完成層間的α混合。
第三類的GDC覆蓋更多的層——可能多達(dá)4到6層。這一級(jí)別的IC用硬件傳感器來實(shí)現(xiàn)α混合和α平面，并包括全功能的繪圖功能。

　　第四類的GDC在上述功能的基礎(chǔ)上增加了下屬功能：一個(gè)2D/3D圖形引擎，一個(gè)幾何處理器，還有一個(gè)內(nèi)部工作頻率為100～200MHz的繪圖引擎，它能提供高繪圖速率，用于顯示點(diǎn)時(shí)鐘(dot clock)時(shí)可以達(dá)到400MHz。實(shí)際例子就是富士通的32位的MB86296。

　　最后一類也是最先進(jìn)的GDC，例如富士通的MB86R01，這是另外一種32位的IC，能夠提供很多額外的多媒體功能，包括對(duì)音視頻的支持，能夠?qū)σ粢曨l進(jìn)行解碼，而并非像其他類型只是捕獲和調(diào)整。還包括霧化，加亮和可編程屏蔽功能，從而可以提供生動(dòng)體驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)感，而且繪圖速率在所有圖形顯示控制器中是最快和最高的。

　　在選擇GDC時(shí)，確定將送到CPU的處理量也是重要的事情，如果可能的話。如果主處理器處理能力能夠達(dá)到 400MIPs或更高，則將會(huì)有很多可用周期，于是則可能用CPU來執(zhí)行幾何操作，而用一個(gè)簡(jiǎn)單的GDC執(zhí)行位圖操作。另一方面，如果主處理器不具備足夠高的處理速度，就必須利用功能強(qiáng)大的GDC。主處理器必須足夠快，以保持為GDC提供位圖坐標(biāo)和顯示列表，故必須考慮處理器和GDC的相對(duì)等級(jí)級(jí)別。當(dāng)然，處理器中的主要考慮取決于所顯示的圖像或圖形的復(fù)雜度。

　　不論哪種IC，都要求它們?cè)趫?zhí)行任務(wù)的同時(shí)消耗盡可能少的功率。許多最新的和效率最高的控制器所消耗的功率小于2.3瓦，遠(yuǎn)小于以前的功耗水平。所以說，圖形顯示控制器在不斷改善其效率和性能。

　　存儲(chǔ)器：GDC中的關(guān)鍵部件

　　圖形存儲(chǔ)器是GDC系統(tǒng)中的最重要的部件之一。在GDC作為有效執(zhí)行繪圖功能的幾何圖形和繪圖引擎時(shí)，圖形存儲(chǔ)器提供了緩沖區(qū)，所有的圖形信息都保存在這里。車輛中的顯示器上的顯示幀也被存儲(chǔ)在圖形顯示器中。對(duì)于及時(shí)且可靠地將幀數(shù)據(jù)提供到視頻輸出接口來說，這是非常重要的。有一系列不同類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在圖形存儲(chǔ)器里，包括繪圖幀，作為繪圖幀的子集的顯示幀，攜帶3D繪圖所需信息的Z-緩沖數(shù)據(jù)，來自視頻輸入接口的視頻捕獲緩沖數(shù)據(jù)(每像素16 比特)，在繪制多邊形時(shí)所需的多邊形繪圖標(biāo)志緩沖數(shù)據(jù)(每像素1比特)，顯示列表數(shù)據(jù)，紋理圖和指針圖(Cursor Patterns)數(shù)據(jù)等。

　　有如此大量的信息存儲(chǔ)在圖形存儲(chǔ)器中，提取信息的存儲(chǔ)器訪問必須按照如下的優(yōu)先級(jí)：

　　1. 顯示幀刷新

　　2. 視頻捕獲

　　3. 顯示處理

　　4. 主CPU訪問(用于顯示列表，紋理圖和位圖)

　　5. 繪圖訪問(Z-緩沖，多邊形標(biāo)志緩沖等)

　　顯示幀刷新更新顯示器上的內(nèi)容，每秒50或60次。該工作需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，它直接影響人機(jī)交互的效果。因此，必須賦之于最高的優(yōu)先級(jí)。

上述第二重要的是視頻捕獲，需要在圖形存儲(chǔ)器中緩沖輸入視頻數(shù)據(jù)。下一個(gè)是顯示處理，包括與顯示控制器相關(guān)的各種處理，例如顯示α混合、覆蓋、指針圖處理及其他。再下來是主CPU訪問，這包括將顯示列表、紋理圖和位圖傳遞到存儲(chǔ)器中。最后一個(gè)是繪圖訪問，它包括利用Z-緩沖器和多邊形標(biāo)志緩沖器來更新繪圖幀。

　　由于大量的數(shù)據(jù)通過圖形存儲(chǔ)器接口，故對(duì)該接口的帶寬需求非常高。典型的GDC的圖形存儲(chǔ)器帶寬是532MB/s。不過，由于存儲(chǔ)器讀寫都要占用多個(gè)時(shí)鐘周期，實(shí)際上的有效帶寬將只有該值的1/2到2/3，假定存儲(chǔ)器時(shí)鐘頻率為133MHz，而數(shù)據(jù)總線寬度為32位。高端 GDC的存儲(chǔ)器帶寬比該值高一倍，或者說接近1GB/s?？梢圆捎肈DR-SDRAM技術(shù)來增加最高端GDC的存儲(chǔ)器帶寬。

　　如圖1所示，除了存儲(chǔ)器接口之外，GDC還有一個(gè)CPU接口，視頻捕獲接口和視頻輸出接口。顯然，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)通過存儲(chǔ)器接口。而顯示列表、位圖和紋理圖則從CPU傳送到GDC。

　　CPU可能也要直接訪問GDC寄存器或存儲(chǔ)器。但所有這些任務(wù)都不產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。對(duì)于PCI主機(jī)接口(33MHz)來說，GDC的典型帶寬為50MB/s。另一方面，SRAM型主機(jī)接口帶寬高于100MB/s。該值取決于總線時(shí)鐘頻率。

圖1：典型GDC的方框圖。除了存儲(chǔ)器接口外，GDC還有一個(gè)CPU接口，視頻捕獲接口，以及視頻輸出接口。

　　類似地，與存儲(chǔ)器接口相比，視頻捕獲和視頻輸出接口所需的帶寬比較低。這些接口都執(zhí)行專門的任務(wù)，數(shù)據(jù)流入視頻捕獲接口，而從視頻輸出接口輸出。所以說，存儲(chǔ)器接口是整個(gè)GDC系統(tǒng)中的最大瓶頸。其架構(gòu)取決于GDC的目標(biāo)應(yīng)用。

　　專用存儲(chǔ)器架構(gòu)：性能最優(yōu)

　　根據(jù)上述，存儲(chǔ)器接口必須專用。如果為存儲(chǔ)器分配非圖形功能，例如劃撥其一部分作為主CPU的工作區(qū)，將會(huì)占用帶寬并直接影響GDC的性能。為了提升性能，這種情況必須避免。該方案，即Fujitsu GDC采用的方案，將CPU存儲(chǔ)器從圖形處理器中隔離出來。

　　系統(tǒng)需要用于GDC的分離存儲(chǔ)器和較大的PCB空間來供應(yīng)那些不提供圖形功能的外部部件。另一種方案則是統(tǒng)一存儲(chǔ)器架構(gòu)，使得主CPU和GDC能共享單一存儲(chǔ)器。如果系統(tǒng)使用分離的IC負(fù)責(zé)處理和圖形功能，就必須用CPU或GDC來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器接口。對(duì)于沒有存儲(chǔ)器接口的IC，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)流就必須通過將其連接到另一片IC的接口來傳輸。

圖2：外部和內(nèi)部CPU-GDC通信的比較。

　　實(shí)現(xiàn)這種架構(gòu)的一種較好的方法是利用一片SOC，利用SOC中的高速數(shù)據(jù)通道將主CPU和GDC同時(shí)集成到一個(gè)芯片上，來實(shí)現(xiàn)高帶寬CPU-GDC通信。這種接口在芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)起來比在外部實(shí)現(xiàn)起來容易，能夠在不犧牲GDC性能的條件下同時(shí)滿足帶寬需求和空間約束條件。采用當(dāng)今的處理技術(shù)，有可能以合理的成本開發(fā)出這樣的SOC。

　　如今，GDC的豐富種類和性能能夠在世界各地的車輛中實(shí)現(xiàn)一系列創(chuàng)新的信息娛樂應(yīng)用。在導(dǎo)航和視頻產(chǎn)品中它們是關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件，隨著汽車制造商差異化其車型和類型，它們將變得更加重要。