１引言

在飛機座艙顯示系統(tǒng)中圖形顯示占據(jù)重要地位[１].主顯示器尺寸不斷加大,分辨率不斷提高,并日益朝著大屏幕化、綜合化、信息化和智能化方向發(fā)展[２].隨著分辨率的提高,要顯示的信息量也大幅增加,座艙圖形綜合顯示系統(tǒng)是一個對實時性要求很高的系統(tǒng)[３],軍用飛機在做戰(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,至少要比幀或場的刷新速度快,才可以避免畫面的斷續(xù)[４Ｇ５].采用DSP＋FPGA 的圖形硬件加速架構(gòu),或者使用專用GPU 圖形生成芯片,都可以生成高分辨的機載顯示器圖形,但隨之而來的是產(chǎn)品成本的急劇增加以及功耗的不斷上升[６].為機載圖形顯示系統(tǒng)配置更合理的硬件設(shè)計和軟件架構(gòu)變得尤為迫切。

Xilinx最新平臺Zynq將處理器的軟件可編程能力與FPGA 的硬件可編程能力實現(xiàn)完美結(jié)合,以低功耗和低成本等系統(tǒng)優(yōu)勢實現(xiàn)良好的系統(tǒng)性能、靈活性和可擴展性[７].本文提出一種基于Zynq可擴展處理平臺的實時圖形生成電路,利用Zynq內(nèi)部集成的ARM 處理器以及可編程邏輯資源,實現(xiàn)了機載顯示器圖形畫面的實時生成與顯示。

２Zynq簡介

２．１Zynq構(gòu)成

Zynq構(gòu)架將內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為處理器系統(tǒng)(ProcessingSystem,PS)與可編程邏輯(ProgrammableLogic,PL)兩部分[８].PS部分包括雙ARM CortexＧA９內(nèi)核、存儲器接口以及通用外設(shè)接口等資源.PL部分也即常規(guī)的FPGA,通過PL生成的IP核可以作為ARM 內(nèi)核的擴展外圍設(shè)備或者ARM 內(nèi)核的加速部件.Zynq器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。

圖１Zynq內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Zynq架構(gòu)可以對PL和PS中運行的自定義邏輯和軟件方便地進行管理和規(guī)劃,PS和PL的單芯片綜合使其在I/O 數(shù)據(jù)帶寬、功能耦合、功耗預(yù)算等方面的性能表現(xiàn)大大超越了以往ASSP和FPGA 雙芯片解決方案。

PS和PL可以通過多種途徑實現(xiàn)互聯(lián),包括GPIO端口、AXI總線端口、EMIO 端口、中斷、DMA 等等.其中AXI總線是ARM 系統(tǒng)中連接各個模塊的主要通道,各個功能部件通過AXI總線實現(xiàn)互聯(lián).在PL中可以通過工具自動生成帶有AXI接口的IP 核,和PS 端進行高速數(shù)據(jù)交互。

２．２DDR Memory控制器

Zynq內(nèi)部集成的DDR memory控制器支持DDR２、DDR３、LPDDR２等多種存儲器類型,包含了３個主要模塊:AXI存儲器端接口DDRI、帶有傳輸調(diào)度機制的中央控制器DDRC 和物理層控制器DDRP[９].DDRmemory控制器框圖如圖２所示。

圖２DDR Memory控制器框圖

DDRI端口符合AXI總線標(biāo)準(zhǔn),包含４個６４位的同步AXI接口,分別為S０、S１、S２、S３,用于接收多個AXI主端的訪問請求,其中S０和S１端口接收PS部分CPU 的訪問請求;S２和S３端口接收PL部分邏輯端的訪問請求.DDRC對來自多個AXI主端的訪問請求按照其調(diào)度策略進行裁決,裁決實施的依據(jù)是主控端訪問的優(yōu)先級、等待時長計數(shù)器和緊急信號.DDRP 處理來自于DDRC的讀寫請求,并將其轉(zhuǎn)換成符合DDR 存儲器時序要求的特定信號。

２．３AXI VDMA

AXI VDMA 是Xilinx公司開發(fā)的一個軟核IP,用于在系統(tǒng)存儲器和支持AXI４-Stream 視頻類型的目標(biāo)IP之間提供一個高速的數(shù)據(jù)存取通道[１０].AXI４-Stream 格式數(shù)據(jù)流不能直接用于驅(qū)動顯示,還需要將數(shù)據(jù)流以視頻使能信號為界進行分割,配合行場同步信號驅(qū)動視頻終端顯示。

該IP 有兩路AXI４-Stream 接口,分別為AXI Memory Map to Stream (MM２S)Stream Master 和AXI４-Stream to Memory Map(S２MM)Stream Slave,其中MM２S為主端口,用于輸出轉(zhuǎn)換成AXI４-Stream 格式視頻流的系統(tǒng)存儲器中數(shù)據(jù).S２MM 為從端口,用于接收AXI４-Stream 格式視頻流轉(zhuǎn)換成存儲器數(shù)據(jù).MM２S和S２MM 彼此相互獨立,可以并行同時工作.PS端的處理器可通過AXI４-Lite總線對其內(nèi)部的寄存器進行訪問以控制VDMA 工作模式、獲取VDMA 工作狀態(tài)。

３設(shè)計實現(xiàn)

３．１硬件設(shè)計

３．１．１硬件架構(gòu)

本文通過Zynq完成圖形生成與顯示功能,原理框圖如圖３所示,硬件模塊主要包括Zynq、DDR３SDRAM、FLASH、雙口RAM 等.正常工作時PS中的ARM 內(nèi)核根據(jù)從雙口RAM 中接收到的繪圖指令和參數(shù)完成繪圖算法,將圖形數(shù)據(jù)寫入DDR３SDRAM 存儲器中.PL 從DDR３中讀出圖形數(shù)據(jù)進行顯示,并對DDR３SDRAM中的圖形數(shù)據(jù)進行清屏處理。

圖３Zynq圖形生成原理框圖

３．１．２Zynq硬件平臺設(shè)計

本文通過Xilinx 的ISE１４.２ 軟件集成的XPS開發(fā)環(huán)境完成Zynq圖形生成電路的硬件平臺設(shè)計.利用XPS可以快速地對Zynq系統(tǒng)內(nèi)的各種硬件資源進行定制設(shè)計,包括存儲器、外設(shè)、ARM 處理器、系統(tǒng)IP和用戶IP等.Zynq硬件平臺結(jié)構(gòu)圖見圖４所示.

圖４Zynq硬件結(jié)構(gòu)圖

本文在Zynq中的PL 部分應(yīng)用了VDMA、AXI２XSVI、XSVI２AXI、VTC等幾個IP核,其中VDMA 用于從DDR３SDRAM 中讀出圖形數(shù)據(jù),同時向DDR３SDRAM 中寫入全零數(shù)據(jù)以達到清屏目的.AXI２XSVI用于將AXIＧStream 數(shù)據(jù)流用行、場同步信號進行區(qū)隔,供外部顯示模塊進行顯示.XSVI２AXI用于將帶有行場同步信號的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成AXIＧStream 數(shù)據(jù)流.VTC 用于生成系統(tǒng)運行所需時序信號.對VTC根據(jù)顯示時序進行修改,系統(tǒng)即可產(chǎn)生多種分辨率圖形畫面。

３．１．３圖形緩沖設(shè)計

本文中對DDR３SDRAM 幀存的操作包括３種類型:PS寫入、PL讀取、PL清零.清零從本質(zhì)上說也是一種寫入操作,寫入的是全零數(shù)據(jù).讀取和寫入請求通過DDR 控制器中的調(diào)度機制和仲裁策略分別在不同時刻得以響應(yīng),得益于DDR３SDRAM 的高速高帶寬優(yōu)勢,外部可以同時進行多個通道的讀寫操作.針對本文中DDR３SDRAM 的３種操作類型,在DDR３幀存中設(shè)置了３個緩沖區(qū),分別為buffer０,buffer１,buffer２,相應(yīng)地,VDMA 中的framebuffer數(shù)目也設(shè)置為３.buffer的切換機制如表１所示.

這種三緩沖切換機制保證了寫入的都是已清零完成的buffer,清零的都是已讀出完成的buffer,讀出的都是已寫入完成的buffer。

根據(jù)buffer切換機制,VDMA 中的S２MM和MM２S通道分別以指定的buffer為操作對象.初始化狀態(tài)下為每個buffer指定默認的操作模式,而后在每個幀周期內(nèi)啟動VDMA 切換buffer操作模式,從而不間斷地輸出圖形數(shù)據(jù)。

３．２軟件設(shè)計

３．２．１Zynq系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)繪圖時,根據(jù)雙口RAM 提供的畫面內(nèi)容要求,啟動繪圖任務(wù),并將繪圖結(jié)果保存下來.顯示工作完全由PL內(nèi)部的顯示邏輯負責(zé),顯示邏輯從顯存中讀取顯示數(shù)據(jù),按照標(biāo)準(zhǔn)時序送至顯示接口.圖形軟件的接口關(guān)系如圖５所示.

圖５圖形生成軟件接口示意圖

３．２．２畫面顯示軟件

畫面顯示軟件主要包括初始化模塊和主模塊,結(jié)構(gòu)如圖６所示.初始化模塊完成ARM 內(nèi)核啟動;外設(shè)初始化信息加載;DDR３SDRAM、UART等設(shè)備初始化;VDMA 寄存器配置等初始化工作.運算控制模塊由雙口RAM 讀寫模塊;PS、PL 通信模塊以及繪圖模塊３部分組成,其中雙口RAM 讀寫模塊主要負責(zé)從雙口RAM中讀取繪圖指令數(shù)據(jù),為繪圖模塊提供必要的繪圖參數(shù);PS、PL通信模塊負責(zé)ARM 內(nèi)核與VDMA的通信,切換緩存;繪圖模塊完成分配的繪圖任務(wù),并將相應(yīng)的計算結(jié)果,也即對應(yīng)的像素點信息寫入DDR３SDRAM 中。

圖６圖形生成軟件結(jié)構(gòu)圖

４實驗與對比

４．１實驗過程

在實驗驗證階段,分別采用自主開發(fā)的Zynq圖形生成模塊和DSP圖形生成模塊作為實驗和比較對象.其中,Zynq 圖形生成模塊采用的Zynq器件型號為XC７Z０２０,集成的ARM 處理器頻率為６６７MHz,采用的DDR３SDRAM 器件型號為MICRO公司的MT４１J１２８M１６,時鐘頻率設(shè)置為５３３MHz.DSP圖形生成模塊采用的DSP器件型號為AD 公司TigerSHARC 系列的TS２０１,主頻設(shè)置為５２０MHz。

為了全面驗證Zynq平臺的圖形生成性能,本文針對幾種常規(guī)分辨率機載顯示器,對兩種平臺的圖形生成時間和幀率分別進行對比測試.機載顯示器常規(guī)分辨率有６４０×４８０、６００×６００、１０２４×７６８等幾種,每種分辨率下具體圖形生成時間和幀率與圖形內(nèi)容和復(fù)雜度有關(guān),本文選取常用的典型圖形作為測試對象,每幅圖形均包含了直線、圓弧、矩形、字符、數(shù)字、符號等內(nèi)容,如圖７所示。

圖７測試圖形

以１０２４×７６８ 分辨率的EFIS 畫面為例,Zynq平臺實時生成圖形數(shù)據(jù)并送至外部監(jiān)視器顯示的示意圖如圖８所示.

圖８Zynq平臺１０２４×７６８分辨率圖形生成示例

４．２實驗結(jié)果

針對３種分辨率典型圖形畫面,Zynq平臺和DSP平臺圖形生成時間和幀率對比分別如圖９和圖１０所示.

圖９圖形生成時間對比

圖１０圖形生成幀率對比

圖形生成時間包括圖形算法運算時間和圖形數(shù)據(jù)寫幀存時間.在進行圖形運算處理時,針對Zynq平臺的特點采取了一系列的優(yōu)化算法,圖形運算時間小于DSP平臺.另外,Zynq平臺采用的是DDR３SDRAM 幀存,操作速率遠高于DSP平臺采用的SRAM 幀存,因此寫幀存時間遠小于DSP平臺.由圖９和圖１０可見,在繪制分辨率相同的同一圖形時,Zynq平臺圖形生成時間均小于DSP平臺,幀率均高于DSP平臺.在繪制多種分辨率圖形畫面,Zynq平臺幀率均超越６０ Hz,滿足了機載顯示器的實時顯示要求。

５結(jié)論

針對機載液晶顯示器低功耗、小型化的應(yīng)用需求,提出了一種基于Zynq的圖形生成電路.運用Zynq器件集成的ARM CortexＧA９內(nèi)核作為核心繪圖部件,外部高速DDR３存儲器作為圖形幀存,對幀存采取三緩沖機制進行數(shù)據(jù)緩沖處理,配合可編程邏輯資源,可完成多種分辨率圖形的實時生成.對Zynq平臺和DSP平臺在多種分辨率下典型畫面的圖形生成時間和幀率進行了對比測試,測試結(jié)果表明,Zynq平臺性能優(yōu)于DSP平臺.在生成１０２４×７６８分辨率的EFIS圖形畫面時,Zynq平臺圖形幀率可達７４fps,滿足機載顯示器實時顯示需求。