嵌入式系統(tǒng)開發(fā)團隊越來越多地面臨設(shè)計即時顯示系統(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 和消費市場不同，嵌入式市場對顯示系統(tǒng)有幾個特定要求，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)展的標準的靈活性，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。

每個設(shè)計所需的設(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)必須在開機后的幾微秒內(nèi)提供即時信息。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值或油壓等數(shù)據(jù)。在飛機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)實現(xiàn)概述

如圖 1 所示，圖形或視頻控制器系統(tǒng)包含多個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，它可以是專用標準處理器 （ASSP）、定制 ASIC 或 FPGA。根據(jù)系統(tǒng)的不同，多個顯示器可能需要額外的邏輯來管理每個顯示器的信號信息。

幾乎所有 ASSP 系統(tǒng)都針對 PC 和消費市場，因此有時會與嵌入式市場的需求發(fā)生沖突。PC 和消費產(chǎn)品的生命周期通常很短，產(chǎn)品開發(fā)人員預(yù)計會使用最新技術(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)計人員可以創(chuàng)建模塊化設(shè)計，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，以便專門針對目標系統(tǒng)優(yōu)化圖形性能。

用于 FPGA 的標準視頻和圖形 IP 內(nèi)核是經(jīng)過驗證的設(shè)計，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準，允許設(shè)計人員為系統(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行設(shè)計。

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。現(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，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芯片上，因此并行加載非?？臁膶崿F(xiàn) VCC 到激活輸出的時間小于 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。項目應(yīng)用程序在主機軟處理器上運行，駐留在FPGA中。該主機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 CPU。圖形和視頻控制器 IP 包括對多種顯示器和視頻標準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，例如遠程客戶端設(shè)備，包括可以連接到應(yīng)用程序主機處理器并遠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。

靈活的設(shè)計推進顯示技術(shù)

幾乎可以將整個圖形系統(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、高可靠性、安全顯示器的要求。

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

審核編輯：郭婷