用FPGA實(shí)現(xiàn)汽車視頻和圖形控制

在實(shí)現(xiàn)圖形系統(tǒng)之前有許多問題需要回答，因?yàn)槊恳豁?xiàng)都會(huì)影響最終的硬件和IP內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)。這些問題包括：

1. 數(shù)據(jù)源究竟是視頻流，還是以圖形方式提供的輸出，或者是兩者的結(jié)合，或者兩者都有？如果是視頻流，有多少路視頻流，分辨率是多少？

2. 最終的圖像是2維還是3維？

3. 用的是哪種顯示器技術(shù)，是液晶? 等離子? 還是視頻?總共多少臺(tái)顯示器，分辨率多少？

4. 采用什么樣的應(yīng)用軟件接口，使用的方便度如何？

5. 該應(yīng)用是否需要可擴(kuò)展架構(gòu)，以便滿足未來的發(fā)展和產(chǎn)品分級(jí)？

6. 需要支持多個(gè)視頻頁(yè)面嗎？如果需要，需要多少？

7. 需要支持圖像縮放嗎？倍率多少？如果要求縮放，還需要具備剪輯功能。

8. 需要用于支持高速圖形性能的Bitblit功能嗎？設(shè)計(jì)需要水平和垂直Bitblit選擇嗎？

9. 系統(tǒng)需要什么樣的存儲(chǔ)器和總線接口？

10. 最后就是是否需要支持未來的系統(tǒng)擴(kuò)展？

圖3：視頻和圖形IP內(nèi)容。

圖3給出了一個(gè)模塊化二維圖形和視頻IP內(nèi)核的例子。該IP代表了當(dāng)前FPGA圖形IP內(nèi)核所能提供的功能和特征。這種高速圖形內(nèi)核是專門為了嵌入進(jìn)FPGA系統(tǒng)而開發(fā)的。其存儲(chǔ)控制器可以連接SDRAM或DDRAM，具體取決于應(yīng)用性能和成本預(yù)算。這種IP內(nèi)核帶有可選的視頻輸入和bitblit模塊，可以用設(shè)計(jì)所需的特定性能和功能進(jìn)行配置。顯示控制器可以控制采用任何顯示技術(shù)的單顯示器或雙顯示器。該種內(nèi)核具有通用的內(nèi)部32位AMBA總線，可以方便地與其他內(nèi)部IP內(nèi)核接口， 或者通過FPGA的I/O與外部邏輯相連。

圖4：圖形和視頻控制器模塊。

一個(gè)完整的FPGA圖形和視頻模塊如圖4所示。由于采用了FPGA圖形處理方案，因此物理尺寸較小，元器件數(shù)量也很少。該模塊的尺寸僅為70x50 mm，可以使用3.3V的單電源工作。

采用FPGA器件設(shè)計(jì)的車載圖形顯示方案減輕了ASSP和ASIC方案所面臨的問題。FPGA方案使模塊設(shè)計(jì)開發(fā)變得更加容易，可以提供集成不同IP模塊的靈活度，具體取決于系統(tǒng)的成本和功能需求。FPGA實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的高集成度，從而減小了電路板面積，并減少了元器件數(shù)量。FPGA器件的長(zhǎng)壽命還保證了產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命周期。絕大多數(shù)FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)的(有些器件甚至可以在工作的同時(shí)進(jìn)行升級(jí))，因此可以方便地支持新標(biāo)準(zhǔn)和新功能。

用于FPGA的標(biāo)準(zhǔn)視頻和圖形IP提供了經(jīng)測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，它們能夠方便地集成進(jìn)圖形解決方案。利用打包的IP解決方案還能加速系統(tǒng)的研發(fā)，使工程師將精力集中于應(yīng)用開發(fā)，而不是在低等級(jí)的接口和圖形引擎上。模塊化圖形IP內(nèi)核還允許設(shè)計(jì)在視頻控制器中包含客戶定制的圖形加速器。這樣，設(shè)計(jì)師就可以針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)對(duì)圖形處理性能進(jìn)行特殊調(diào)整和優(yōu)化。

FPGA還提供了多功能性，以便包括最佳的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)。這使得系統(tǒng)架構(gòu)中可以設(shè)計(jì)用于整個(gè)系統(tǒng)的最佳接口，而非僅僅圍繞圖形處理器接口或總線進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用FPGA的設(shè)計(jì)可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通過系統(tǒng)接口來完成控制：整個(gè)設(shè)計(jì)可以通過優(yōu)化來支持實(shí)時(shí)控制和顯示系統(tǒng)，并且視頻流的處理不會(huì)影響系統(tǒng)性能。

此外，F(xiàn)PGA制造在相同的封裝尺寸內(nèi)支持密度移植，從而允許增加更多的邏輯來提升性能，或者減少邏輯容量來減少功能，這一過程不會(huì)影響PCB版圖。通過密度移植可以降低開發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)和物流成本。

獲得AEC-Q100 Grade-2認(rèn)證的FPGA系列產(chǎn)品目前已能付運(yùn)，而且?guī)卓罹哂懈郊庸δ芎偷统杀镜钠骷矊⒃?008年初開始供貨。最新的產(chǎn)品提供真正的DSP塊以及單裸片非易失性板上閃存，后者在掉電時(shí)用來可以存儲(chǔ)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)中的內(nèi)容。過去，設(shè)計(jì)師覺得在汽車系統(tǒng)中采用FPGA成本太高，但如今FPGA成本已經(jīng)降低，功能也更強(qiáng)，使得FPGA的單片價(jià)格相對(duì)于其他圖形解決方案具有極高的競(jìng)爭(zhēng)力。

利用FPGA器件構(gòu)建視頻和圖形控制器還可以使設(shè)計(jì)師在其他應(yīng)用中提升圖形顯示技術(shù)。在汽車應(yīng)用中通過采用符合AEC-Q100 Grade-2標(biāo)準(zhǔn)的FPGA器件來代替與PC相關(guān)的圖形控制器后，產(chǎn)品壽命遠(yuǎn)比目前ASSP解決方案的2到3年要長(zhǎng)得多。