嵌入式系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)越來越多地面臨設(shè)計(jì)即時(shí)顯示系統(tǒng)以支持最終用戶需求的挑戰(zhàn)。Kerry 解釋了在嵌入式設(shè)計(jì)中使用非易失性 FPGA 如何幫助提高系統(tǒng)啟動速度、集成度、安全性和組件壽命。

圖形和視頻顯示系統(tǒng)的使用持續(xù)增長，這得益于顯示價(jià)格下降和用戶期望的迅速增長。與作為顯示系統(tǒng)最大用戶的 PC 和消費(fèi)市場不同，嵌入式市場對顯示系統(tǒng)有幾個(gè)特定要求，包括：

為產(chǎn)品添加智能的能力。用戶變得更加成熟，并期待高級功能。

適應(yīng)新的和不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)的靈活性，特別是在系統(tǒng)接口和不同的顯示類型和分辨率方面。

生存能力 10-15 年。組件生命周期結(jié)束需要昂貴的產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)。

每個(gè)設(shè)計(jì)所需的設(shè)備更少，從而降低了成本并降低了功率要求。

此外，許多嵌入式系統(tǒng)必須在開機(jī)后的幾微秒內(nèi)提供即時(shí)信息。這些系統(tǒng)需要許多組件，這會增加成本并降低可靠性。此外，基于多芯片系統(tǒng)的嵌入式顯示器初始化和顯示有用信息的速度相對較慢。

雖然手機(jī)用戶可能不介意按住電源按鈕兩秒鐘然后再等待幾秒鐘以使系統(tǒng)啟動的過程，但需要即時(shí)啟動嵌入式顯示系統(tǒng)的用戶不會容忍這種延遲。例如，考慮配備 LCD 儀表組的法拉利 599 GTB Fiorano。值得懷疑的是，這輛價(jià)值 300，000 美元的汽車的駕駛員是否愿意等待 30 秒，等待處理器和圖形系統(tǒng)初始化，然后顯示器才能提供速度計(jì)值或油壓等數(shù)據(jù)。在飛機(jī)駕駛艙或核動力控制系統(tǒng)等其他應(yīng)用中，啟動延遲可能是災(zāi)難性的。

圖形系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)概述

如圖 1 所示，圖形或視頻控制器系統(tǒng)包含多個(gè)具有不同輸入的組件，包括 7:1 LVDS、Camera Link、Channel Link、USB、RGB、視頻解碼器和系統(tǒng)總線。該系統(tǒng)還包含一些用于存儲頁面和視頻信息的外部存儲器。

圖1

信號由通用處理器處理或直接發(fā)送到圖形處理器，它可以是專用標(biāo)準(zhǔn)處理器 （ASSP）、定制 ASIC 或 FPGA。根據(jù)系統(tǒng)的不同，多個(gè)顯示器可能需要額外的邏輯來管理每個(gè)顯示器的信號信息。

幾乎所有 ASSP 系統(tǒng)都針對 PC 和消費(fèi)市場，因此有時(shí)會與嵌入式市場的需求發(fā)生沖突。PC 和消費(fèi)產(chǎn)品的生命周期通常很短，產(chǎn)品開發(fā)人員預(yù)計(jì)會使用最新技術(shù)。相比之下，嵌入式市場中的產(chǎn)品具有非常長的生產(chǎn)和支持要求，無法容忍圖形處理器報(bào)廢情況所帶來的變化。

嵌入式系統(tǒng)中的 FPGA

由于 FPGA 并非特定于 PC 或消費(fèi)市場，它們?yōu)榍度胧较到y(tǒng)提供了必要的性能、功能和延長的生命周期。使用 FPGA，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)成本和功能要求靈活地集成不同的 IP 塊。FPGA 還允許設(shè)計(jì)人員在視頻控制器中包含自定義圖形加速器，以便專門針對目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化圖形性能。

用于 FPGA 的標(biāo)準(zhǔn)視頻和圖形 IP 內(nèi)核是經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，易于集成到嵌入式圖形顯示器中。IP 內(nèi)核還加快了系統(tǒng)開發(fā)，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用程序而不是接口和圖形引擎。此外，F(xiàn)PGA 可以包含最佳總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，允許設(shè)計(jì)人員為系統(tǒng)選擇最佳接口，而不是圍繞預(yù)定的圖形處理器接口或總線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

閃存和 SRAM 結(jié)合

大多數(shù) FPGA 使用 SRAM 技術(shù)，并且在掉電期間會丟失其配置。然而，這些易失性 SRAM FPGA 在歷史上比非易失性 FPGA 具有更高的邏輯密度和運(yùn)行速度。直到最近，SRAM FPGA 的優(yōu)勢通常都超過了非易失性的優(yōu)勢?，F(xiàn)在，隨著閃存和 SRAM FPGA 的推出，這種情況發(fā)生了變化，它們提供了兩全其美的優(yōu)勢：具有高端片上系統(tǒng) （SoC） FPGA 的所有特性和性能的非易失性設(shè)備。

可編程設(shè)備中的“即時(shí)啟動”是指 FPGA 能夠自主配置自身并幾乎立即激活。這僅在器件內(nèi)部包含配置啟動存儲器的 FPGA 中才有可能。上電時(shí)，數(shù)據(jù)從片上閃存?zhèn)鬏數(shù)?a target="_blank">控制器件的 SRAM 配置單元。即時(shí)啟動功能的關(guān)鍵是從閃存配置存儲器到 SRAM 配置存儲器的大規(guī)模并行編程數(shù)據(jù)傳輸。

這種即時(shí)啟動能力是單芯片 FPGA 的直接結(jié)果。閃存配置存儲器和 SRAM 配置存儲器集成在同一個(gè)芯片上，因此并行加載非常快。從實(shí)現(xiàn) VCC 到激活輸出的時(shí)間小于 2 毫秒。

基于 FPGA 的模塊化圖形和視頻處理 IP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括 2D 圖形加速器、視頻輸入模塊、畫中畫、縮放、裁剪和定位，如圖 2 所示。項(xiàng)目應(yīng)用程序在主機(jī)軟處理器上運(yùn)行，駐留在FPGA中。該主機(jī)處理器生成渲染命令并將它們傳遞給同樣位于 FPGA 內(nèi)部的視頻 IP。

圖 2

使用內(nèi)置 I/O 支持和商業(yè) IP（見圖 3）將各種 I/O 接口集成到 FPGA 中，并且使用 32 位 RISC 軟處理器內(nèi)核集成主機(jī) CPU。圖形和視頻控制器 IP 包括對多種顯示器和視頻標(biāo)準(zhǔn)以及觸摸屏反饋的支持。

圖 3

其他系統(tǒng)功能支持嵌入式應(yīng)用程序，例如遠(yuǎn)程客戶端設(shè)備，包括可以連接到應(yīng)用程序主機(jī)處理器并遠(yuǎn)程查看和控制與本地顯示器上相同的應(yīng)用程序的 PC 和手機(jī)。

靈活的設(shè)計(jì)推進(jìn)顯示技術(shù)

幾乎可以將整個(gè)圖形系統(tǒng)集成到非易失性 FPGA 中。該系統(tǒng)具有極長的生命周期、系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)場可升級性以及對不同總線、接口和顯示器的適應(yīng)性，滿足嵌入式市場對即時(shí)、高可靠性、安全顯示器的要求。

非易失性即時(shí)啟動 FPGA 允許在開發(fā)期間和整個(gè)產(chǎn)品生命周期中快速更改設(shè)計(jì)。此類 FPGA 內(nèi)的集成圖形功能為設(shè)計(jì)人員提供了為當(dāng)前和未來圖形顯示系統(tǒng)提供快速且廉價(jià)的支持的靈活性。強(qiáng)大的圖形/視頻 IP 與易于實(shí)現(xiàn)的 FPGA SoC 相結(jié)合，滿足了市場對模塊化、靈活和可擴(kuò)展的嵌入式顯示系統(tǒng)的需求。

審核編輯：郭婷