用FPGA實現(xiàn)汽車視頻和圖形控制

在實現(xiàn)圖形系統(tǒng)之前有許多問題需要回答，因為每一項都會影響最終的硬件和IP內(nèi)核的實現(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，是液晶? 等離子? 還是視頻?總共多少臺顯示器，分辨率多少？

4. 采用什么樣的應用軟件接口，使用的方便度如何？

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

6. 需要支持多個視頻頁面嗎？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？設計需要水平和垂直Bitblit選擇嗎？

9. 系統(tǒng)需要什么樣的存儲器和總線接口？

10. 最后就是是否需要支持未來的系統(tǒng)擴展？

圖3：視頻和圖形IP內(nèi)容。

圖3給出了一個模塊化二維圖形和視頻IP內(nèi)核的例子。該IP代表了當前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FPGA系統(tǒng)而開發(fā)的。其存儲控制器可以連接SDRAM或DDRAM，具體取決于應用性能和成本預算。這種IP內(nèi)核帶有可選的視頻輸入和bitblit模塊，可以用設計所需的特定性能和功能進行配置。顯示控制器可以控制采用任何顯示技術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器件設計的車載圖形顯示方案減輕了ASSP和ASIC方案所面臨的問題。FPGA方案使模塊設計開發(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實現(xiàn)了設計的高集成度，從而減小了電路板面積，并減少了元器件數(shù)量。FPGA器件的長壽命還保證了產(chǎn)品的長壽命周期。絕大多數(shù)FPGA是現(xiàn)場可升級的(有些器件甚至可以在工作的同時進行升級)，因此可以方便地支持新標準和新功能。

用于FPGA的標準視頻和圖形IP提供了經(jīng)測試和經(jīng)驗證的設計，它們能夠方便地集成進圖形解決方案。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用開發(fā)，而不是在低等級的接口和圖形引擎上。模塊化圖形IP內(nèi)核還允許設計在視頻控制器中包含客戶定制的圖形加速器。這樣，設計師就可以針對目標系統(tǒng)對圖形處理性能進行特殊調整和優(yōu)化。

FPGA還提供了多功能性，以便包括最佳的總線和接口標準。這使得系統(tǒng)架構中可以設計用于整個系統(tǒng)的最佳接口，而非僅僅圍繞圖形處理器接口或總線進行設計。采用FPGA的設計可以幫助系統(tǒng)設計師通過系統(tǒng)接口來完成控制：整個設計可以通過優(yōu)化來支持實時控制和顯示系統(tǒng)，并且視頻流的處理不會影響系統(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，這一過程不會影響PCB版圖。通過密度移植可以降低開發(fā)、生產(chǎn)、維護和物流成本。

獲得AEC-Q100 Grade-2認證的FPGA系列產(chǎn)品目前已能付運，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，后者在掉電時用來可以存儲內(nèi)部存儲區(qū)中的內(nèi)容。過去，設計師覺得在汽車系統(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，使得FPGA的單片價格相對于其他圖形解決方案具有極高的競爭力。

利用FPGA器件構建視頻和圖形控制器還可以使設計師在其他應用中提升圖形顯示技術。在汽車應用中通過采用符合AEC-Q100 Grade-2標準的FPGA器件來代替與PC相關的圖形控制器后，產(chǎn)品壽命遠比目前ASSP解決方案的2到3年要長得多。