車載顯示器控制需求多變　FPGA開發模組大展身手

圖1　Momiji Design與Altera為車用TFT LCD顯示所設計的Thomas II顯示平台。

然而，要在現有的低成本應用架構中驅動彩色TFT有很大的難度。大部分低成本平台的處理頻寬不足，特別是缺少具有LCD控制器的處理器來控制並驅動彩色TFT LCD。此外，大部分現有的架構並沒有足夠的動態和非揮發性記憶體來儲存LCD所需的圖形內容。當設備製造商在開發具備TFT LCD的產品時，其開發效率也會因為缺乏適當的工具來處理圖形產生、管理或圖形使用者介面(GUI)等工作而顯得低落。此外，如果沒有足夠的設計資源，將很難在硬體上實現LED背光驅動器、觸控面板控制以及TFT控制所需要的大量I/O。  

為了克服這些挑戰，汽車電子設備廠商必須採用模組化的擴展平台(圖1)來為自家產品迅速加入TFT LCD顯示功能，而且必須兼顧成本。低成本現場可編程閘陣列(FPGA)與嵌入式處理器可以在這類平台中扮演非常重要的角色。  

模組化擴展概念讓設計可反覆重用  

由Momiji Design和Altera聯手開發的Thomas II平台就是一個模組化擴展設計概念的實際範例。這個模組設計以低成本FPGA為核心，因此系統製造商只須使用四層印刷電路板(PCB)就能完成整個線路布局。在實際應用中，這樣的設計架構由於具有完整的電源供電和支援周邊(圖2)，系統製造商可以獨立模組整合的方式將之連接到系統主板上，也可以視應用需求將其直接整合到主板中。

圖2　Thomas II設計結構圖

在這個模組中，同時負責系統控制和圖形產生任務的嵌入式處理器是整個架構的核心。採用嵌入式處理器後，系統可以單獨工作，也可以做為現有微控制器單元(MCU)的輔助運算器，因此，Thomas II設計可以實現低成本資訊娛樂設計的模組化擴展功能。透過一個簡單的UART，FPGA便可成為系統的圖形顯示控制器，管理並控制所有的圖形內容產生和處理任務，從而把這些任務從主機MCU中分擔出來。任何序列或者平行通訊介面，甚至是訂製或者專用標準都很容易替代FPGA設計中的UART模組。例如，通常用於實現VF或者字元LCD的通訊協定都可以重新用於控制採用模組化設計概念的TFT LCD顯示設備。這樣作法最吸引人的特性在於，即使終端產品可能配備不同尺寸的螢幕，系統主機的架構和設計原則上仍能保持不變，進而實現更高的設計重用性。  

不改動或者盡量減少改動系統，意味著同時節省了硬體和軟體資源。借助模組化概念，設計人員將可以針對多款產品使用相同的核心硬體。根據產品需求來更新或者改變GUI，而不須修改或者更新核心系統軟體。而且還可以根據應用需求來調整LCD解析度和底層圖形。  

FPGA中的LCD控制器設計很容易適應各種標準和特殊LCD解析度(圖3)，還能夠滿足雙螢幕、多螢幕和其他非標準LCD格式。

圖像版權：Disney/Pixar 圖3　以FPGA和嵌入式處理器為核心的模組可滿足不同解析度需求而毋須更動硬體，如圖中兩個顯示器的解析度分別為WQVGA和QVGA LCD，但均使用相同硬體。

圖層工具與觸控功能大幅簡化GUI設計工作  

LCD控制器模組是多圖層的LCD控制器，含有兩個16位元彩色圖像層和一個透明層(Alpha Layer)。每一層由單獨的記憶體直接存取(DMA)主機產生並進行控制。這種架構可有效地畫分採用外部DRAM架構的影格緩衝區，且每個DMA主機皆可在需要資料時自行讀取圖幀緩衝區。這使得LCD控制器模組能夠讀取外部記憶體中儲存的任意圖像解析度或者圖像尺寸。  

每一層主機讀取記憶體後，LCD控制器模組把圖層組合(或平面化)成一個組合圖像，然後將其輸出至LCD。LCD控制器模組組合了圖層之後，每一層都可以選擇是否要與透明層結合。透明層可以是一個獨立的覆蓋層，也可以與下層內容相混合。此外，每一層都可以完全打開或者關閉，根據需要來啟動或者隱藏每一個圖層。這種功能對於實現使用者介面非常有用，例如在視訊擷取圖層上覆蓋一個功能表圖層。  

為實現和使用者的互動性，Thomas II設計還在FPGA中支援四線阻抗式觸控面板控制器，可以控制任何標準四線觸控面板。其中，嵌入式處理器採集來自觸控面板的使用者事件資料並進行管理，根據GUI和系統整體設計，相應地提取或者執行命令。為方便並加速GUI的產生，嵌入式處理器很容易整合到Altia的圖形開發工具鏈中。  

利用Altia的圖形開發工具，美術設計家、互動式設計人員、工程師和編程人員可以迅速建構概念原型、模型和可實施程式碼，不存在誤解圖形整體設計或者圖形互動性的風險。從概念到程式碼，這些工具大幅縮短了整體開發週期，同時保持了圖形設計的藝術完整性。Altia還提供了奧多比(Adobe)Photoshop外掛程式，設計人員可以利用他將視訊構圖導入到Altia設計中。在Altia設計中，開發人員還可利用名為深屏(Deep Screen)的工具，在圖形設計中增加功能和行為。Altia會自動產生嵌入式處理器連接函式庫所需的圖形或行為邏輯。嵌入式處理器還可管理使用者和模型間的實際互動。  

以FPGA突破視訊擷取效能瓶頸  

採用FPGA架構的設計中實現的另一功能是視訊擷取。本文範例平台中的視訊輸入模組符合ITU-R BT.656數位視訊標準，可完成色域轉換(CSC)、剪輯、去交錯、縮放和RGB 565封裝。在嵌入式處器的控制下，每一個操作順序完成，並在暫存器裡參數化。根據需要的輸出格式，還可以選擇對視訊輸入進行剪輯和調整(放大/縮小)。採用暫存器後，可以針對各種顯示解析度和輸入視訊格式進行客製化。來自模組的視訊資料透過32位元DMA傳送至外部靜態隨機存取記憶體(SDRAM)影格緩衝區。畫素資料被封裝成565格式，使兩個畫素能夠透過DMA以一個字元的形式進行傳送，可顯著提高視訊頻寬以及記憶體存取效率。  

SDRAM提供足夠的視訊頻寬和記憶體整體頻寬，是DDR的低成本替代方案(對於所需要的密度)。而且，採用SDRAM還減小了電路板布線的複雜度，從而降低了系統整體成本。在功能上，DRAM為視訊和圖像/影格緩衝區提供共用記憶體空間，還為嵌入式處理器提供程式記憶體。Avalon系統互聯架構連接SDRAM控制器和處理器以及其他系統模組，為記憶體存取和記憶體管理提供仲裁。  

緩衝後的視訊源儲存在SDRAM中，圖像處理演算法由嵌入式處理器來完成。而FPGA的靈活性則體現在可以把演算法做為軟體、硬體，或者以軟硬體混合的形式來執行，這也是該元件的優勢所在。Altera的C語言至硬體(C2H)加速編譯器還可進一步分析軟體演算法，將函數轉換成硬體加速訂製指令以提升系統效能。最後，嵌入式處理器在執行訂製指令，具備不須反覆迭代處理週期的特性，因此設計人員可以充分發揮FPGA架構平行處理特性的優勢，建構訂製指令。內置數位訊號處理(DSP)功能可用於完成各種圖像處理演算法，如魚眼校正等。  

低成本FPGA還具備一個重要特性，亦即可以移植到其他記憶體拓撲和技術中。如果系統設備製造商需要的話，可很容易地對設計進行修改，如採用DDR、DDR2記憶體控制器，或者擴展SDRAM介面，以適應32位元SDRAM元件。  

車載顯示控制走向靈活彈性智慧化  

透過在低成本系統架構中採用彩色TFT LCD螢幕，汽車電子設計人員能夠為市場帶來一系列在視覺和功能上都非常引人注目的實際應用。採用模組化與接腳數較少的低成本FPGA，為這些應用的實現提供了平台，不但相應的設計軟體和工具可加速開發過程，而且還保持了GUI設計的完整性。此外，一顆FPGA將可整合各種功能，不須要改變主機架構和系統設計。  

(本文作者任職於Altera)