嵌入式高端圖形顯示控制器GDC方案應(yīng)用考慮因素

高端圖形顯示控制器(GDC)以令消費(fèi)者眩目的動(dòng)態(tài)圖形幫助定義了產(chǎn)品的風(fēng)格和價(jià)值。而普通GDC則以簡(jiǎn)單明了的方式顯示信息，采用有效且具成本效益的方式為用戶(hù)提供他們想看的內(nèi)容。從3D渲染到圖像變形，今天的GDC功能對(duì)各種創(chuàng)新應(yīng)用已不可或缺。

　　無(wú)論功能是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，都值得認(rèn)真對(duì)待圖形處理，它也會(huì)以高度直白的方式對(duì)好的設(shè)計(jì)予以回報(bào)。基本的QVGA顯示IC帶預(yù)儲(chǔ)制的圖形并可能包括視頻輸入;最高端的GDC則提供SXGA或更高的顯示分辨率，具有動(dòng)態(tài)三維圖形功能和多個(gè)輸入;中端GDC則支持WVGA顯示(主要是二維動(dòng)態(tài)圖形，也可能具有一些3D功能)和視頻輸入。

　　一些應(yīng)用對(duì)成本高度敏感，例如汽車(chē)工業(yè)，對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最低的材料成本是首要考慮之一。從基礎(chǔ)到中端應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以采用圖形控制器SoC這種單芯片方案來(lái)滿(mǎn)足成本要求。這些GDC可通過(guò)CAN總線(xiàn)與其它汽車(chē)系統(tǒng)通信，并可進(jìn)入電源關(guān)斷模式以節(jié)省電池電量。

　　但內(nèi)部顯存(VRAM)容量以及諸如總線(xiàn)速度等瓶頸限制了圖形功能的水平，并制約了靈活性、像素填充率和最大顯示器尺寸。如果性能比成本重要，那么基于多芯片架構(gòu)的更高端的SoC是上佳選擇。這些GDC依靠外部的車(chē)用MCU處理CAN通信、電源管理和步進(jìn)電機(jī)控制器等外設(shè)。它們沒(méi)有內(nèi)置VRAM和閃存程序存儲(chǔ)器，但使用高速VRAM接口支持高性能。

　　一些應(yīng)用領(lǐng)域(尤其是汽車(chē))必須要保持與智能手機(jī)中常見(jiàn)的高端圖形的同步。設(shè)計(jì)者必須要確保GDC可以生成流暢、清晰的圖像，系統(tǒng)要能迅速響應(yīng)用戶(hù)輸入。因此，GDC不能成為系統(tǒng)的短板，阻礙向最終用戶(hù)提供他們所期望的用戶(hù)體驗(yàn)。

　　對(duì)于基本和中端應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一款真正的單芯片SoC方案可能是合適的。但對(duì)高端應(yīng)用，這種器件可能仍無(wú)法提供足夠性能，這時(shí)就需采用一種具有外部VRAM和閃存的更高端的(多芯片架構(gòu))SoC方案。

　　如果產(chǎn)品的顯示系統(tǒng)支持24位RGB輸入，則一款帶24位RGB輸出的GDC就有助于避免邊帶效應(yīng)(banding effect)(同一顏色色調(diào)間的突然變化)。使用24位色彩，確保圖形看起來(lái)流暢;否則，就可能需要GDC具有抖動(dòng)功能以中和邊帶效應(yīng)。抖動(dòng)可向幀緩沖區(qū)添加隨機(jī)噪聲，以規(guī)避有限的顏色深度導(dǎo)致邊帶效應(yīng)。

　　盡管流暢、華麗的圖形總具有吸引力，但在諸如工業(yè)電子設(shè)備等應(yīng)用中，堅(jiān)固耐用和易用性是設(shè)計(jì)的首要考量，此時(shí)，基本的圖形功能就可滿(mǎn)足要求。低端GDC可為多種用途提供優(yōu)良的性能表現(xiàn)，且不會(huì)增加成本。

　　圖形內(nèi)容：靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)?

　　GDC的選用還取決于圖形內(nèi)容的性質(zhì)。如果內(nèi)容是靜態(tài)且可預(yù)先確定的，選用諸如“精靈引擎”那種低成本GDC可能就夠了。預(yù)儲(chǔ)制的圖形位圖可存儲(chǔ)在這種精靈GDC的外部閃存內(nèi)。這種GDC可非常好地處理不同的色彩格式(那些使用顏色查找表或在幀緩沖區(qū)內(nèi)具有實(shí)際像素值的格式)，還可以處理透明感和α混合。采用諸如RLD(運(yùn)行長(zhǎng)度解碼器)等低開(kāi)銷(xiāo)的壓縮方案，可顯著降低對(duì)預(yù)儲(chǔ)制圖形的存儲(chǔ)需求，從而降低了成本。

　　其它應(yīng)用可能需要實(shí)時(shí)生成的動(dòng)態(tài)圖形內(nèi)容，如地圖或隨機(jī)動(dòng)畫(huà)。這些應(yīng)用需要GDC具有根據(jù)紋理貼圖呈現(xiàn)二維或三維模型的全功能流水線(xiàn)功能。使用諸如硬件照明和霧化等功能也會(huì)使應(yīng)用更完滿(mǎn)。對(duì)于更復(fù)雜的任務(wù)，帶著色器的圖形引擎可提供更大靈活性。

　　使用靈活的顯示控制器能夠簡(jiǎn)化圖形實(shí)現(xiàn)，并可呈現(xiàn)更美觀(guān)的圖形。具體來(lái)說(shuō)，靈活的分層方案以及對(duì)多層次的支持和α平面及多種顏色深度，可極大簡(jiǎn)化圖形開(kāi)發(fā)過(guò)程。

　　然后是對(duì)二維和三維圖形的選擇。使用三維圖形會(huì)影響對(duì)GDC所需性能和功能的要求。例如，3D應(yīng)用要求比2D應(yīng)用更高的頂點(diǎn)處理速率;另外，3D圖形還要求對(duì)紋理貼圖的角度校正和“Mip映射”等功能。Mipmap是對(duì)主紋理貼圖進(jìn)行優(yōu)化并重新調(diào)整了大小的版本，它與主紋理貼圖存儲(chǔ)在一起。由于這種功能可避免調(diào)整主紋理貼圖的大小，從而有助于提高性能。

　　只是為三維圖形添加Z坐標(biāo)就能大幅提高對(duì)處理的要求。二維圖形渲染很簡(jiǎn)單，如果內(nèi)容是靜態(tài)的，它還可以預(yù)儲(chǔ)制，如前所討論的。但在動(dòng)態(tài)2D或3D內(nèi)容情況下，則需要一個(gè)具有完整流水線(xiàn)的圖形引擎。

　　分辨率要求

　　因?yàn)轶w積更大、分辨率更高的顯示器要處理更多的像素，所以使用更大顯示器的應(yīng)用需要速度更快、功能更強(qiáng)大的GDC。在航空電子和醫(yī)療應(yīng)用中，通常情況是：低端應(yīng)用一般需640x480像素的顯示器;高端則可能需要超過(guò)1,280x1,024像素的顯示器。在汽車(chē)市場(chǎng)，低端儀表盤(pán)和中控臺(tái)屏幕的顯示器分辨率通常為480x272像素;中端是800x480像素;高端為1,280x480像素或更高。

　　無(wú)論是提高一臺(tái)顯示器的分辨率還是添加多個(gè)顯示器，都倍增了所涉及的像素?cái)?shù)量，從而增加了對(duì)GDC處理能力的要求，這需要使用多個(gè)GDC。一些GDC帶有的顯示控制器可通過(guò)一個(gè)控制器控制多個(gè)顯示器，這會(huì)使視頻輸出信息倍增，此時(shí)，所需用的顯示或像素時(shí)鐘頻率是單一顯示器時(shí)的兩倍。兩個(gè)顯示器必須具有相同的時(shí)序特性和顯示分辨率。對(duì)具有相同分辨率的雙顯示汽車(chē)儀表盤(pán)來(lái)說(shuō)，此類(lèi)GDC是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　另一方面，一些GDC集成了多個(gè)顯示控制器，可驅(qū)動(dòng)具有不同時(shí)序和分辨率的多個(gè)顯示器。此類(lèi)控制器的成本低于兩個(gè)獨(dú)立GDC成本之和，且還簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。一個(gè)典型例子是汽車(chē)抬頭顯示器(HUD)，HUD的分辨率比位于儀表盤(pán)區(qū)域的主顯示器低。另一個(gè)汽車(chē)應(yīng)用是使用單一GDC同時(shí)控制儀表盤(pán)和中控顯示器。

　　GDC對(duì)于顯示來(lái)自數(shù)碼相機(jī)或其它視頻源的視頻輸入提供了一系列功能。有些GDC集成了支持模擬NTSC/PAL視頻輸入所需的模擬電路系統(tǒng)，這些控制器還可用于基礎(chǔ)級(jí)視頻采集應(yīng)用。其它的GDC工作于數(shù)字YUV/RGB視頻制式或需要模擬轉(zhuǎn)換器。

　　需要多個(gè)視頻捕獲的應(yīng)用可以借助于集成了多個(gè)視頻采集單元的更高端GDC的優(yōu)勢(shì)。而顯示控制器也必須更強(qiáng)大，以處理多個(gè)輸入、并將視頻流覆蓋到圖形的其余部分。

　　特殊要求

　　諸如圖像校正和增強(qiáng)等特殊要求也是選擇GDC時(shí)的考慮因素。相機(jī)固有的魚(yú)眼失真會(huì)造成圖像的變形。如果相機(jī)沒(méi)有內(nèi)置針對(duì)此問(wèn)題的糾正功能(通常都沒(méi)有)，則GDC需要通過(guò)采用圖像變形過(guò)程來(lái)糾正失真。該過(guò)程將視頻輸入映射到一個(gè)為取消魚(yú)眼失真特意表征的三維表面。該表面由一個(gè)包含一組(X，Y，Z)點(diǎn)的網(wǎng)格生成，如圖2所示。

圖2：借助圖像變形，GDC可調(diào)整視頻、消除魚(yú)眼失真以提供更好的觀(guān)看體驗(yàn)。原始相機(jī)圖片通過(guò)將YUV相機(jī)圖片轉(zhuǎn)換為RGB格式，可將圖片作為紋理數(shù)據(jù)加以控制。

　　此特性的另一個(gè)應(yīng)用是汽車(chē)抬頭顯示器。由于圖像投射在擋風(fēng)玻璃上，所以需要一個(gè)類(lèi)似魚(yú)眼矯正的過(guò)程，根據(jù)擋風(fēng)玻璃的曲率調(diào)適圖形。圖像變形要求GDC具有3D能力。如果GDC可以加大或縮小視頻圖像的分辨率，那也是有用的。

　　對(duì)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，一個(gè)將變得重要的應(yīng)用是：在車(chē)輛的周沿使用多個(gè)攝像機(jī)，并將這些攝像機(jī)的圖像整合成單一圖像。該應(yīng)用需要處理高清視頻的能力，以及將圖像拼合在一起的特殊圖像處理功能。

　　理想的解決方案是：GDC具有多路視頻輸入和高速圖像處理能力，從而無(wú)需外接FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。在GDC內(nèi)包含3D渲染能力就允許將這些拼接的圖像映射到一個(gè)碗狀表面，從而能全方位顯示車(chē)輛周?chē)囊粋€(gè)真實(shí)、無(wú)失真、360度的全景視圖。

　　圖像增強(qiáng)和目標(biāo)檢測(cè)功能可以幫助司機(jī)避免事故的發(fā)生。要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，需要GDC具有特殊的圖像處理模塊。有一些地區(qū)強(qiáng)制要求諸如簽名單元等安全功能，以確保圖形內(nèi)容顯示在顯示面板上正確位置。內(nèi)置這種功能，將節(jié)省成本并減少CPU的負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)軟/硬件支持和獨(dú)立的GDC要求

　　有些應(yīng)用必須復(fù)用以往設(shè)計(jì)中的CPU以支持傳統(tǒng)需求，所以不能徹底從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)。這些應(yīng)用往往能很好地使用不具有內(nèi)置CPU的獨(dú)立GDC，并且可以通過(guò)內(nèi)存、PCI或PCI Express總線(xiàn)與傳統(tǒng)CPU通信。這種方法以多種不同的性能水平和功能集支持一個(gè)可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)。

　　有些應(yīng)用需要顯示器處于遠(yuǎn)離GDC的位置。在這種場(chǎng)合，需要諸如APIX這樣的高速串行總線(xiàn)，以將視頻傳送到顯示器。這種配置允許使用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)，其中，GDC作為服務(wù)器，顯示器是客戶(hù)端。獨(dú)立開(kāi)發(fā)客戶(hù)端和服務(wù)器系統(tǒng)，有助于減少服務(wù)器端的軟件和質(zhì)量驗(yàn)證成本，因?yàn)榭舍槍?duì)一塊印刷電路板進(jìn)行調(diào)適以用于整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)。如果高速串行輸出功能集成在GDC內(nèi)，則這種實(shí)現(xiàn)就非常高效。

　　富士通提供了一個(gè)覆蓋從基本到高端應(yīng)用的豐富的GDC產(chǎn)品線(xiàn)。在每個(gè)檔次，富士通都提供了一款整合了CPU、GDC和外設(shè)的SoC。在那些不是完全重新搭建系統(tǒng)的場(chǎng)合，以及系統(tǒng)內(nèi)有若干組件需要保留的情況下，這些獨(dú)立GDC是可行的選擇。

　　今天，GDC的性能范圍使得器件選擇成為應(yīng)用開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵一步。由于廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足各種應(yīng)用領(lǐng)域定制的GDC，因而這一選擇過(guò)程變得容易。不同的GDC具有豐富的功能，并經(jīng)過(guò)了行業(yè)驗(yàn)證、有競(jìng)爭(zhēng)力且具成本效益。

圖1：平衡成本和性能的基本GDC選擇。

圖3：APIX高速串行總線(xiàn)將視頻傳送到顯示器。

圖4：富士通GDC產(chǎn)品線(xiàn)覆蓋從基本到高端應(yīng)用。