基于FPGA的一種高速圖形幀存設計

幀存是圖形處理器與顯示設備之間的數(shù)據(jù)通道，所有要顯示的圖形數(shù)據(jù)首先是存放在幀存之中，然后才送出去顯示的，因此幀存的設計是圖形顯示系統(tǒng)設計的一個關鍵。傳統(tǒng)上，可以用來設計幀存的存儲器件有多種，如DRAM、VRAM、SDRAM及SRAM等。DRAM、VRAM及SDRAM屬于動態(tài)存儲器，容量大、價格便宜，但速度比SRAM慢，而且在使用中需要定時刷新。當圖形處理器沒有外部專用刷新接口時，就需要設計刷新電路，這給系統(tǒng)設計帶來不便。SRAM器件高速且接口簡單，但是價格較貴、容量小。近年來，隨著SRAM容量的不斷增大和價格的不斷下降，在一些需要高速實時顯示的圖形顯示系統(tǒng)中，用高速SRAM設計圖形幀存越來越普遍。本文介紹已在項目中實際應用的采用雙SRAM幀存交替切換的高速幀存設計方法。詳細介紹應用FPGA設計幀存控制器，實現(xiàn)幀存的交替、上電清屏及借鑒電影遮光板原理實現(xiàn)單幀雙掃描的方法。

1 圖形顯示系統(tǒng)簡介

圖1是某專用圖形顯示系統(tǒng)結構框圖，圖形顯示系統(tǒng)采用DSP+FPGA構架。圖形處理器采用AD公司的ADSP21061芯片;AMLCD采用Korry公司的KDM710全彩色液晶顯示模塊，該模塊為5×5英寸、600×600分辨率全彩色液晶顯示模塊，24位數(shù)字RGB輸入;兩個幀存A和B采用IDT公司的71V424L10V高速異步靜態(tài)RAM(讀寫速度為10ns)。系統(tǒng)采用雙幀存輪流操作方法：當DSP向其中一個幀存寫像素時，由FPGA構成的幀存控制器將另一個幀存中的像素順序讀出，送給AMLCD顯示;反之亦然。圖形顯示系統(tǒng)通過IDT公司的71V04雙口RAM接收主機的顯示信息。圖1中的幀存控制器和視頻控制器由Xilinx公司的SpartanII芯片XC2S50實現(xiàn)。 視頻控制器產(chǎn)生KDM710顯示模塊所需的一些時序控制信號：行同步信號/HSYNC、場同步信號/VSYNC、數(shù)據(jù)使能信號DATA_EN和像素時鐘信號DCLK等。幀存控制器產(chǎn)生24位RGB顏色數(shù)據(jù)信號，該RGB數(shù)據(jù)信號與視頻控制器中的時序控制信號相配合，在液晶顯示屏上顯示出穩(wěn)定的圖形。有關視頻控制器的設計方法參見文獻[2]。

2 幀存控制器設計

2.1總線切換模塊

圖2為幀存控制器總線切換模塊框圖。地址總線通過多路選擇器(MUX)切換，所有數(shù)據(jù)總線通過三態(tài)門掛在SRAM的數(shù)據(jù)總線上。幀存SRAM的數(shù)據(jù)總線上掛著三路數(shù)據(jù)：一路是DSP的數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù);一路是FPGA的數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù);還有一路是系統(tǒng)上電清屏用的背景寄存器數(shù)據(jù)?系統(tǒng)剛上電時，幀存之中存放的是隨機數(shù)，畫面顯示的將是隨機畫面，需要將背景數(shù)據(jù)送入兩個幀存　?？偩€的切換由體切換信號Sel和上電清屏信號Clear控制。幀存控制器在上電時，通過上電清屏時序?qū)蓧K幀存中寫入背景顏色數(shù)據(jù)。在上電清屏過程中，Clear信號為高。當Clear為高時，兩個地址總線選擇器都選擇FPGA總線，即FPGA的地址總線指向兩個幀存，兩個幀存的數(shù)據(jù)總線全指向背景數(shù)據(jù)寄存器，即三態(tài)門1、2、3和4關閉，而三態(tài)門5和6打開。在上電清屏時序完成之后，幀存總線的控制由體選擇信號Sel控制。當DSP對幀存A進行寫操作時，F(xiàn)PGA所產(chǎn)生的總線對幀存B進行讀操作;反之亦然。如圖2所示，當Sel為高時，DSP地址總線選擇幀存A，三態(tài)門1打開，三態(tài)門3、5關閉;FPGA地址總線選擇幀存B，相應的數(shù)據(jù)總線三態(tài)門4打開，2、6關閉。背景寄存器中的顏色數(shù)據(jù)可以由用戶自己定義。

2.2 控制模塊

幀存控制器的控制模塊產(chǎn)生體選擇信號Sel和上電清屏時序信號Clear，控制模塊的結構框圖如圖3所示。圖中，/VSYNC是場同步信號，該信號經(jīng)過一個微分電路，產(chǎn)生一個像素時鐘周期寬的使能脈沖信號，控制計數(shù)器的計數(shù)使能。計數(shù)器為一模2計數(shù)器，Sel信號為場同步信號/VSYNC的四分頻，在出現(xiàn)兩個場同步信號之后，才切換幀存，即兩個幀存使用的順序是：AABBAA...這種控制方式類似于電影遮光板的設計思想，使一幅畫面在屏幕上重復出現(xiàn)兩次，從而在25Hz的幀頻時能獲得50Hz的場頻，使系統(tǒng)視頻帶寬增加一倍。如當場頻50Hz時，圖形處理器可以有40ms的時間處理一幀圖形數(shù)據(jù)。圖4為幀存控制時序圖，Clear信號的產(chǎn)生過程如下：系統(tǒng)上電時，RST信號高一段時間(系統(tǒng)邏輯復位)后變低，在RST的下降沿，ClearA變高，此時場同步低電平有效信號還沒到，ClearB為高，Clear為高，系統(tǒng)開始清屏時序。當對兩個幀存的清屏工作結束時，場同步信號/VSYNC有效，該信號將"0"電平鎖存輸出，ClearB為低，Clear為低，系統(tǒng)開始在Sel控制下工作。從控制模塊框圖中可以看到，Clear信號僅僅在上電復位信號RST結束時(下降沿)才變?yōu)楦撸掷m(xù)一個場周期之后，Clear信號將一直為低，把控制權交給Sel體切換信號?？刂颇K的VHDL代碼及相應的時序仿真圖如圖5所示(Modelsim5.5FSE仿真器仿真)。

Entity sel_gen is

Port(clk : in std_logic;

Rst : in std_logic;

Vsync : in std_logic;

Sel :out std_logic;

Clear : out std_logic;?

end sel_gen

architecture rtl_sel_gen of sel_gen is

signal clken : std_logic;

signal cleartemp : std_logic;

signal inputrega : std_logic;

signal inputregb : std_logic ;

signal qn : std_logic_vector(1 downto 0);

signal seltemp : std_logic;

begin

process(rst,vsync)

begin

if rst'event and rst='0' then

cleartemp <='1'?

end if;

if(vsync='0')then

cleartemp <='0';

end if;

end process;

clear<=cleartemp;

process(clk)

begin

if clk'event and clk='1'then

inputregb <= inputrega;

inputrega <= not vsync;

end if;

end process;

clken <= not inputregb and inputrega;

process (clk,rst)

begin

if (rst-'1') then

qn <= (others = >'0');

elsif clk'event and clk = '1' then

if clken='1' then

if qn = 3 then

qn <= (others =>'0')?;

else

qn <=qn +1;

end if;

end if;

end if;

seltemp <=qn(1);

end process;

sel <= seltemp;

end rtl sel gen;

3 時序分析

要使高速幀存能正常工作，必須滿足一定的時延要求。AMLCD是在像素時鐘的下降沿將數(shù)據(jù)鎖存，從像素時鐘的上升沿到正確的RGB圖形數(shù)據(jù)出現(xiàn)在AMLCD的數(shù)據(jù)總線上，之間的延時T必須小于25ns(像素時鐘周期為50ns，半周期為25ns)，系統(tǒng)才能正常工作，如圖6所示。圖中的DLL(Delay-Locked Loop)為SpartanII芯片內(nèi)置的數(shù)字鎖相環(huán)，Clk_top(40MHz)經(jīng)DLL二分頻后得20MHz像素時鐘。20MHz時鐘一路作為系統(tǒng)工作時鐘為FPGA地址計數(shù)器提供計數(shù)脈沖，一路作為像素時鐘直接送至AMLCD。從圖6可以看出，延時T包括如下幾個延時：T1為Clk_top到幀存SRAM地址總線上地址的改變所需的延時(總線上各個信號的延時是不同的，T1為其中最大值);T2為幀存SRAM從地址改變到有效的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上所需的延時;T3為FPGA讀幀存數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)到輸出至AMLCD所需的延時;T4為Clk_top經(jīng)DLL產(chǎn)生像素時鐘直接輸出至AMLCD所需的延時?？梢钥闯鲅訒rT=T1+T2+T3-T4。系統(tǒng)中的幀存控制器由Xilinx公司的SparatnII 芯片XC2S50-6實現(xiàn)，經(jīng)過FPGA Express3.7綜合和Xilinx公司的ISE4.2I軟件布局布線。經(jīng)分析，布線后的延時：T1=10.994ns、T3=10.691ns、T4=7.784ns，T2 由IS61LV5128芯片的時間參數(shù)決定，T2≤10ns，從而T≤23.901ns<25ns，滿足系統(tǒng)的時序要求。一般開發(fā)工具所得出的時序報告是系統(tǒng)最壞情況下的延時，實際系統(tǒng)中的延時將小于仿真時所得出的數(shù)據(jù)。