嵌入式系统的显卡方案设计

嵌入式系统可以用各种微处理器代替通用计算机的CPU，实现既定功能并驱动显示系统以方便人机交流。早期的单片机由于低时钟频率(小于5 MHz)和低I/O口数量的限制，一般只驱动像素比较少(5 000像素以内)的液晶显示器[1-2]。近年来随着制作工艺的发展和设计结构的优化[3]，单片机的最高时钟频率和I/O口的数量都得到了很大提高，低耗能低电压单片机不断出现[4]，新调试技术使开发过程效率更高[5]，驱动几千像素的液晶显示器早已出现。然而，更友好的人机界面需要更高分辨率的液晶显示器。考察目前流行的液晶显示器驱动方式可以看到，无论使用何种单片机或作为嵌入式系统的微处理器，都会被液晶显示器的驱动控制部分占据大量资源，这就给单片机的性能带来了巨大的挑战。例如三星某显示器模组，分辨率为800×480，输入时钟要求为32.24 MHz～48 MHz，这样的要求使得单片机力不从心。本文研究并开发一种面向嵌入式系统的通用显示器。它以类似于通用计算机的显存存储图像数据，以FPGA控制并读/写显存中的数据，控制液晶屏的驱动。嵌入式微处理器仅需要在改变图像时输出数据，这样，其他时间便可全部空出，用于控制其所在的自动化系统。

1 系统构架

由于DDR SDRAM(83 MHz～167 MHz)和液晶显示器(32.24 MHz～48 MHz)之间的时钟周期不匹配，FPGA在设计中主要起控制协调作用。系统总体构架框如图1， 分为以FPGA为中心的控制模块和液晶显示模块两部分。

FPGA控制模块部分主要负责接收来自单片机的图像数据D[5：0]和控制信号Hsys(行同步信号)、Vsys(场同步信号)和随路传输的输出图像数据的时钟信号CLK(50 MHz以下)。为了节省单片机内部的时钟资源和输出口的数量，对于18 bit彩色显示的LCM，FPGA连接单片机的图像数据输入口可设计为6 bit，再在FPGA内部将接收到的数据串并转换为18 bit数据输出至液晶显示模块。因此在FPGA与单片机接口处，每个时钟FPGA仅接收R、G、B三组颜色数据中的一组D[5：0]，经过FPGA的片内RAM缓存满480个D[5：0]以后再一次存储到一行DDR SDRAM中，同时给出存储单元的地址和各种控制信号。

硬件接口上，由于DDR SDRAM是高速器件，主要考虑与FPGA之间的互连。在布局布线时要求各数据线DQ和数据采样线DQS严格等长，以及采用FPGA对DDR SDRAM的专用接口。

2 FPGA内部模块设计

高实时性是系统设计的基本要求。为统筹兼顾重要性各不相同的任务，一般采用时序和电路结构优化[6]，以及各模块并行处理[7]实现。

本系统中，3个主要器件都需要FPGA控制，且控制信号较多，数据通路设计又需考虑到3个时钟域的互相转换和相互通信，较为复杂。设计采用了自顶向下的模块化设计思路[8]，将数据通路和数据控制通路分离，如图2。单独设计控制信号模块，并输入数据通路模块以控制和处理数据，使输出的数据达到设计要求。

2.1 数据通路设计

数据通路由如图3所示的模块构成。图中未标注的控制信号接口与控制信号模块相连。

PLL(Phase Lock Loop)：锁相环是FPGA内部底层资源，此处将输入的50 MHz的时钟通过倍频、移相等得到系统所需的System clk(100 MHz，相位偏移0°)、Write clk(100 MHz，相位偏移-90°)和LCM clk(33 MHz，相位偏移0°)。

DQS：DQS信号控制模块，控制与DDR SDRAM的DQS引脚相连的DQS引脚，双向接口在使能信号oe的控制下产生或接收DQS信号，并将接收到的DQS信号移相90°以后作为FPGA内部对DQ数据组的采样信号。

BUFFER IN：输入缓存模块，在外部时钟和外部控制信号的作用下接收数据并缓存到片内RAM，每满480个数据发出一次Ready信号，表示缓存中已存满可占用一行DDR SDRAM存储单元的数据。

DQ：DQ数据控制模块，控制与DDR SDRAM的DQ引脚组相连的DQ引脚组，双向接口，在使能信号oe的控制下输出或接收DQ组数据。输出数据时使用Write clock，输入数据时使用DQS模块产生的dqs read信号对输入数据采样，并将结果输出到下级模块。

BUFFER OUT：输出缓存模块，缓存来自DDR SDRAM的数据，并在控制信号的控制下按LCM时序输出彩色图像数据。

2.2 控制模块设计

顶层控制信号模块由CONTROL模块和LCM DRIVEN模块两部分构成，如图4所示。主要负责各模块之间的通信，产生控制信号控制数据的流向，向各器件输出控制信号等。

CONTROL：控制模块，为DDR SDRAM分配读、写时间：以200 MHz的数据率在读时间段读出5行DDR SDRAM中的数据，缓存到BUFFER OUT，再以33 MHz的速度读出并输出到LCM；在写时间段探测数据通路中的BUFFER IN中的数据是否缓存完成，若完成则产生信号开始对DDR SD