SDRAM在圖形生成電路中的應(yīng)用

高偉林，曹 峰，郭 超

（中航雷達(dá)與電子設(shè)備研究院 軍品研究所，江蘇 蘇州 215151）

顯示系統(tǒng)是航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)代飛機和其他載人飛行器的座艙顯示向駕駛員提供飛行器、發(fā)動機和其他系統(tǒng)所測試的參數(shù)，包括從起飛、導(dǎo)航到著陸等全過程所需要的各種信息[1]。圖形顯示系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到飛行員獲取飛行信息進(jìn)而做出判斷和決策的效率。作為設(shè)計過程的一部分，必須確定駕駛員的信息需求，并且信息顯示必須設(shè)計得確保提供充分的態(tài)勢感知[2]。

隨著顯示分辨率的提高,要處理的像素也越來越多,而允許的處理時間卻受屏幕刷新率所限制[3]。目前主流的機載顯示分辨率為 UXGA(1 600×1 200×60 Hz)，數(shù)據(jù)傳輸率為345 MB/s[4]。高速、高帶寬數(shù)據(jù)處理需要大容量高速率的幀存器件做數(shù)據(jù)緩沖。SRAM器件有著讀寫速度快、控制簡單的特點，但是其容量小，成本高。在各種隨機存儲器件中，SDRAM的價格低、體積小、速度快、容量大,是比較理想的器件[5-6]。本文針對高分辨率圖形顯示應(yīng)用需求設(shè)計了一種基于SDRAM幀存的圖形生成電路，利用DSP執(zhí)行圖形運算算法，利用FPGA作為協(xié)處理器，利用SDRAM作為圖形幀存并采取乒乓操作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，實現(xiàn)了分辨率高達(dá)1 600×1 200的圖形實時生成與顯示。

1 圖形生成原理

飛行技術(shù)的發(fā)展使得座艙內(nèi)需要顯示的信息量增大，尤其在做戰(zhàn)術(shù)動作時，畫面變換速度快，要求圖形的更新速度也必須很快，才可以避免畫面的斷續(xù)。為達(dá)到動態(tài)實時顯示及畫面清晰，硬件上需采用更快的圖形處理器和更合理的設(shè)計[7]。本文采用ADI公司的TigerSHARC系列高速DSP器件TS201作為圖形處理器，以FPGA作為協(xié)處理器，采用大容量高速SDRAM器件作為圖形幀存，原理框圖如圖1所示。

其中DSP負(fù)責(zé)圖形生成運算并且將數(shù)據(jù)結(jié)果通過FPGA寫入SDRAM中，F(xiàn)PGA從SDRAM中讀出數(shù)據(jù)送至顯示部件進(jìn)行顯示。本設(shè)計采用雙幀存結(jié)構(gòu)，DSP和FPGA對SDRAM的幀存操作采取乒乓方式，以場同步信號為周期進(jìn)行切換。

圖1 圖形顯示系統(tǒng)原理框圖

2 FPGA設(shè)計

FPGA設(shè)計主要包括SDRAM控制器設(shè)計、系統(tǒng)接口模塊設(shè)計、乒乓模塊設(shè)計等。

2.1 SDRAM控制器設(shè)計

SDRAM 的操作時序非常復(fù)雜，控制命令主要包括：激活命令 ACTIVE、讀命令 READ、寫命令 WRITE、預(yù)充電命令 PRECHARGE、刷新命令 REFRESH、操作模式加載命令LOAD MODE REGISTER等。上電之初要先進(jìn)行初始化配置，而后才可進(jìn)行正常讀寫。一個單獨的讀寫操作需要有數(shù)個時鐘周期的配套操作，這也部分抵消了其高速率帶來的優(yōu)勢。全頁突發(fā)操作模式能夠很好地發(fā)揮SDRAM高速讀寫的性能[8]。突發(fā)操作是指從內(nèi)存中連續(xù)的地址讀寫有限的數(shù)據(jù),在一個SDRAM設(shè)備的頻率周期中，可以讀寫與時鐘個數(shù)近似等量的數(shù)據(jù)[9]。本文采取突發(fā)操作方式對SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存取處理。

本文采用VHDL硬件描述語言并用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)SDRAM各個控制命令狀態(tài)間的切換。使用VHDL語言來描述有限狀態(tài)機，可以充分發(fā)揮硬件描述語言的抽象建模能力[10]。SDRAM控制器邏輯框圖如圖2所示。圖中各個信號的定義如表1所示。

圖2 SDRAM控制器邏輯框圖

控制器內(nèi)部邏輯主要分為三部分，分別為：狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊sdr_ctrl、狀態(tài)處理模塊sdr_sig、數(shù)據(jù)處理模塊sdr_data。狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊sdr_ctrl負(fù)責(zé)初始化狀態(tài)機和初始化完成后各個操作命令之間狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系的建立，狀態(tài)處理模塊sdr_sig負(fù)責(zé)各種狀態(tài)命令下對應(yīng)的地址、控制命令信號的生成，數(shù)據(jù)處理模塊sdr_data負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)端的讀寫使能三態(tài)控制。

表1 SDRAM控制器接口信號定義

2.2 系統(tǒng)接口模塊

除了控制器內(nèi)部邏輯本身，F(xiàn)PGA內(nèi)部還需建立與控制器的交互關(guān)系，根據(jù)應(yīng)用要求產(chǎn)生系統(tǒng)接口模塊System，負(fù)責(zé)在適當(dāng)?shù)臅r候發(fā)起讀寫操作。FPGA內(nèi)部相關(guān)的模塊關(guān)系如圖3所示。

System模塊主要負(fù)責(zé)生成sdr_top模塊的激勵信號，包括 sys_ADSn、sys_R_Wn、sys_A 等。

2.3 乒乓操作

圖3 FPGA內(nèi)部交聯(lián)關(guān)系圖

在圖形產(chǎn)生系統(tǒng)中將顯存部件設(shè)置為乒乓雙緩存結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)處理效率的目的。本文中顯存部分包括兩片SDRAM存儲器，分別為SDRAM1和SDRAM2。對顯存的操作分為兩個主體，一個為FPGA內(nèi)部邏輯生成的SDRAM控制器1，另一個為DSP集成的SDRAM控制器2。顯存的選擇和切換管理通過場同步的二分頻信號 SET實現(xiàn)，SET為“0”時，F(xiàn)PGA生成的SDRAM控制器對SDRAM1進(jìn)行操作，DSP集成的SDRAM控制器對SDRAM2進(jìn)行操作；SET為“1”時，F(xiàn)PGA生成的SDRAM控制器對SDRAM2進(jìn)行操作，DSP集成的SDRAM控制器對SDRAM1進(jìn)行操作。SDRAM乒乓操作的框圖如圖4所示。

圖4 FPGA內(nèi)部硬件填充框圖

DSP寫入SDRAM中的數(shù)據(jù)需定時讀取并送出顯示，在顯示動態(tài)圖形畫面時，需對幀存中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清屏處理，否則會引起畫面重影。清屏的實質(zhì)就是將整個顯示幀緩存全部填充成透明色，盡管處理簡單，但通過純軟件實現(xiàn)非常費時[11]。本文設(shè)計了一種利用FPGA邏輯進(jìn)行畫面消隱的方法，減輕了軟件操作的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)運行效率。具體方法為：利用SDRAM的高速高帶寬優(yōu)勢，將每行數(shù)據(jù)以SDRAM操作時鐘高速讀出，通過FIFO1進(jìn)行緩沖后讀出顯示。當(dāng)一行數(shù)據(jù)從SDRAM中全部讀出后，立即通過FIFO2以SDRAM操作時序向SDRAM該行地址寫入0數(shù)據(jù)，以此達(dá)到清空該行數(shù)據(jù)的目的。每一行操作均參照此方法，則當(dāng)一幀畫面全部讀出完畢后，該幀原有數(shù)據(jù)也全部得到清空。

3 高分辨率畫面數(shù)據(jù)存取

為了高效利用SDRAM存儲空間，在DSP控制SDRAM操作期間，將地址線錯開一位相連，SDRAM地址總線第0位與DSP地址總線第1位相連，SDRAM地址總線第1位與DSP地址總線第2位相連，以此類推，這樣SDRAM的一個地址空間將存儲兩個像素數(shù)據(jù)。SDRAM位寬為32 bit，高16位和低16位分別存放兩個相鄰的像素數(shù)據(jù)。針對1 600×1 200分辨率畫面，在SDRAM中一行1 600個像素數(shù)據(jù)只需對應(yīng)800個地址。本文所采用的SDRAM最大突發(fā)長度是512，程序中將突發(fā)長度設(shè)置為512和288兩種類型。顯示器的一行像素數(shù)據(jù)和SDRAM中的兩行地址單元對應(yīng)，其中第一行512個地址單元對應(yīng)前1 024個像素數(shù)據(jù)，第二行前288個地址單元對應(yīng)后576個像素數(shù)據(jù)，后224個地址單元舍棄。這樣總共需2 400行存放一幀畫面數(shù)據(jù)，小于SDRAM中4 096行一個BANK的容量。

根據(jù) VESA標(biāo)準(zhǔn)，分辨率為 1 600×1 200、刷新率為60Hz的畫面，行消隱包括50個行周期，一幀畫面周期共包含1 250個行周期，式（1）給出了行周期計算公式：

針對一行數(shù)據(jù)，需完成突發(fā)讀和突發(fā)寫兩個步驟，突發(fā)讀通過FIFO緩沖顯示，突發(fā)寫對已讀出的SDRAM數(shù)據(jù)進(jìn)行清空。每次突發(fā)讀、寫需分兩次進(jìn)行，第一次完成512個數(shù)據(jù)突發(fā)操作，第二次完成288個數(shù)據(jù)突發(fā)操作。一個行周期內(nèi)共需完成4次突發(fā)操作，需產(chǎn)生4個sys_ADSn信號。為了便于SDRAM控制器區(qū)分512突發(fā)操作和288突發(fā)操作，在System模塊中設(shè)計了一個sys_BLS(burst length select)突發(fā)長度選擇信號，其為“0”時通知控制器進(jìn)行512突發(fā)，為“1”時通知控制器進(jìn)行288突發(fā)。

本設(shè)計中 SDRAM的操作時鐘為 150 MHz，式（2）給出了一行數(shù)據(jù)處理的時長：

式(2)分子為處理一行數(shù)據(jù)所需的總時鐘周期數(shù)目，其中包含4次突發(fā)操作周期以及每次突發(fā)操作所配套的行選通、列選通、預(yù)充電、自刷新等命令所消耗時鐘周期。由式(2)知，處理一行數(shù)據(jù)的時間小于行周期13.33μs。根據(jù)VESA標(biāo)準(zhǔn)，1 600×1 200分辨率畫面行周期包含 2 160個像素時鐘周期。行同步寬度為192個像素時鐘周期，實際程序中利用行同步頭做清零處理，由式(3)可得到實際可用的操作時間為：

HSYNC、HBLANK、sys_ADSn、sys_R_Wn、sys_BLS 的時序波形圖如圖5所示。

圖5 行操作時序波形圖

在行同步上升沿開始產(chǎn)生第1個低電平sys_ADSn信號，行地址加 1，sys_R_Wn為高，sys_BLS為低，通知SDRAM控制器進(jìn)行512突發(fā)讀操作；完成后產(chǎn)生第2個sys_ADSn信號，行地址加1，此時sys_R_Wn為高，sys_BLS為高，通知控制器進(jìn)行288突發(fā)讀操作；完成后產(chǎn)生第 3個 sys_ADSn信號，行地址減 1，此時 sys_R_Wn為低，sys_BLS為低，通知控制器完成512突發(fā)寫操作；完成后產(chǎn)生第4個sys_ADSn信號，行地址加1，此時sys_R_Wn為低，sys_BLS為高，通知控制器進(jìn)行 288突發(fā)寫操作。 SDRAM 的行地址按照 A、A+1、A、A+1、A+2、A+3、A+2、A+3……的規(guī)律遞增，突發(fā)操作狀態(tài)按照讀、讀、寫、寫、讀、讀、寫、寫……的規(guī)律進(jìn)行。

4 實驗驗證

本文采用的DSP器件是ADI公司TigerSHARC系列的 TS201，F(xiàn)PGA采用 Altera公司的 EP2S60F672，F(xiàn)PGA開發(fā)環(huán)境為QuartusII9.1，運用開發(fā)環(huán)境集成的在線邏輯分析儀工具Signaltap II抓取sdram控制器的各個相關(guān)信號波形，如圖6所示。

圖6 sdram信號時序波形

本文針對機載顯示器對高分辨率圖形顯示的需求，采用SDRAM器件作為圖形幀存，使用VHDL語言設(shè)計了SDRAM控制器；針對1 600×1 200分辨率畫面實時生成需求，設(shè)計了512和288兩種突發(fā)長度，通過FPGA內(nèi)部的FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖處理，對SDRAM采取乒乓操作方式，實現(xiàn)了分辨率高達(dá)1 600×1 200圖形的實時生成與顯示。

[1]賈銀亮.基于FPGA+DSP的飛機座艙綜合圖形顯示技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[2]SPITZER C R.數(shù)字航空電子技術(shù)（上）航空電子元件、軟件和功能件[M].謝文濤，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3]孔全存，李成貴，張鳳卿.主飛行儀表圖形加速顯示系統(tǒng)的 FPGA 設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33(4)：62-64.

[4]李翠娟，陳川，張曉曦，等.幾種機載視頻技術(shù)要點分析與發(fā)展趨勢探討[J].航空電子技術(shù)，2012，42（1）：129-131，134.

[5]楊海濤，蘇濤，巫檬.基于 FPGA的 SDRAM控制器的設(shè)計和實現(xiàn)[J].電子科技，2007(1)：8-12.

[6]段曉晨，何小剛，程永強.實時視頻SDRAM控制器的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)[J].太原理工大學(xué)報，2006，37(5)：5-8.

[7]谷勇，艾德峰，魏延巖.飛機座艙顯示系統(tǒng)畫面顯示質(zhì)量的研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2009，24（6）：631-634.

[8]王利穎，蔣亞東，羅鳳武.嵌入式實時圖像處理系統(tǒng)中SDRAM控制器的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(9)：137-139.

[9]林志煌，解梅.一種簡易SDRAM控制器的設(shè)計方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(16)：18-20.

[10]張波，張煥春，經(jīng)亞枝.基于 DSP和FPGA的座艙圖形顯示系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息與控制，2003，32（6）：549-552.

[11]Micron Technology Inc..SYNCHRONOUS DRAM MT48-LC8M32B2-2 MEG ×32×4 banks[Z].2003.