張 鋒，楊粵濤，高偉林，祁 偉，樊 濤，楊炳偉

(蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151)

0 引 言

飛機座艙顯示器是飛行員獲取飛機信息、地圖信息、作戰(zhàn)信息的重要人機交互接口，是座艙系統(tǒng)的重要設(shè)備[1-3]。圖形系統(tǒng)主要承擔(dān)圖形顯示、視頻處理、總線通信等功能,是飛機座艙顯示器的重要模塊之一。圖形系統(tǒng)中的圖形生成技術(shù)主要有兩種架構(gòu)：一種是片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)方式[4-5]，采用片上系統(tǒng)的內(nèi)部資源實現(xiàn)機載顯示器畫面的實時生成與顯示，適用于對功耗尺寸要求較高的小尺寸顯示器；另一種是中央處理器(Central Processing Unit，CPU)+圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)方式[6-8]，采用專用的獨立CPU和GPU實現(xiàn)機載顯示器畫面的實時生成與顯示，適用于對性能要求較高的大尺寸顯示器。

以往在這兩種主流設(shè)計架構(gòu)中核心器件均采用進口芯片，存在一定的風(fēng)險，而當(dāng)前國產(chǎn)元器件發(fā)展迅速，如天津飛騰、中科龍芯以及長沙景嘉微等公司的核心器件在國產(chǎn)產(chǎn)品中得到大量應(yīng)用[9-11]。其中，國產(chǎn)CPU+GPU架構(gòu)的圖形系統(tǒng)也已經(jīng)在逐步應(yīng)用[12]，但這種架構(gòu)體積偏大，功耗較高，無法適用于小尺寸低功耗機載顯示器應(yīng)用場景。

鑒于小尺寸低功耗圖形系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)較高，本文提出一種基于龍芯2K1000的機載顯示器圖形系統(tǒng)，采用國產(chǎn)SoC和國產(chǎn)現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)構(gòu)建硬件架構(gòu)平臺。該平臺尺寸小、功耗低，并搭載航空專用的國產(chǎn)天脈操作系統(tǒng)軟件，支持圖形實時生成與顯示、外視頻輸入處理與疊加顯示、擴展航空總線通信，能夠滿足小尺寸低功耗顯示器應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及其工作原理

1.1 圖形系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

圖形系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)典型畫面刷新率>25 frame/s；

(2)功耗<10 W；

(3)支持嵌入式開放圖形庫(Open Graphics Library for Embedded Systems，OpenGL ES)繪圖接口；

(4)支持視頻疊加；

(5)支持3路RS422和2路高級數(shù)據(jù)鏈路控制(High Level Data Link Control，HDLC)通信；

(6)支持固態(tài)硬盤(Solid State Disk，SSD)，容量不小于2 GB；

(7)軟硬件全部國產(chǎn)化。

1.2 圖形系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

如圖1所示，圖形系統(tǒng)主要由圖形生成模塊、視頻處理模塊以及通信接口模塊構(gòu)成。圖形生成模塊由龍芯2K1000和外部第三代雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器(Double-Data-Rate Three Synchronous Dynamic Random Access Memory，DDR3 SDRAM)組成。龍芯2K1000內(nèi)部包含兩個64位GS264 處理器核，最高主頻1 GHz；1個集成GPU；1個支持兩路輸出的顯示控制器。DDR3 SDRAM包含圖形顯示所需的幀存空間。除此之外，圖形生成模塊還包含系統(tǒng)工作必備的存儲子模塊和調(diào)試子模塊。

圖1 圖形系統(tǒng)模塊圖

視頻處理模塊和通信接口模塊均位于FPGA中。視頻處理模塊由圖像緩存子模塊、視頻疊加子模塊和啟動Logo產(chǎn)生子模塊組成。通信接口模塊由寄存器存儲及地址解析子模塊、通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)子模塊、HDLC子模塊組成。

1.3 圖形系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)的基本工作原理為：GS264處理器核心解析基于OpenGL ES的繪圖指令，通過內(nèi)部多級互聯(lián)總線將繪圖圖元指令信息送至GPU核心單元；GPU核心單元根據(jù)指令繪制圖形，生成幀存數(shù)據(jù)，存儲在DDR3 SDRAM中；根據(jù)圖形顯示分辨率(如1 024 pixel×768 pixel@60 Hz)配置顯示接口時序，顯示控制器從DDR3 SDRAM中讀取幀存數(shù)據(jù)，生成數(shù)字RGB三原色視頻信號給視頻處理模塊；為防止幀存數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致畫面破裂，DDR3 SDRAM中開辟兩片幀存區(qū)域，GPU和顯示控制器交替存儲和讀取幀存區(qū)域，幀存區(qū)域的切換由軟件來控制。

視頻處理模塊接收圖形生成模塊輸入的內(nèi)部視頻和外部設(shè)備輸入的外部視頻，緩存后進行疊加處理，外部視頻作為后景，內(nèi)部視頻作為前景，支持透明度調(diào)節(jié)；處理后的視頻經(jīng)過外部視頻編碼器，轉(zhuǎn)換成低壓差分信號(Low-voltage Differential Signaling，LVDS)送給液晶顯示組件顯示。

通信接口模塊對外擴展出機載總線(如RS422、HDLC等)，用于與外部機載設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，接收圖形顯示控制信息，發(fā)送圖形系統(tǒng)的響應(yīng)信息等。對內(nèi)通過內(nèi)總線與圖形生成模塊進行上述數(shù)據(jù)傳遞。圖形顯示軟件根據(jù)接收的圖形顯示控制信息，使用相應(yīng)的OpenGL ES繪圖指令生成內(nèi)部視頻，同時通過內(nèi)總線向視頻處理模塊傳遞視頻疊加信息，控制內(nèi)部視頻的顯示透明度，最終實現(xiàn)圖形系統(tǒng)機載畫面的實時生成顯示。

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖如圖2所示，主要分為龍芯2K1000核心處理電路設(shè)計、FPGA視頻處理電路設(shè)計及外圍電路設(shè)計三個部分。

圖2 圖形系統(tǒng)硬件原理圖

龍芯2K1000核心處理電路包括其供電、復(fù)位、晶振、內(nèi)存、存儲器、調(diào)試接口等，其中，DDR3 SDRAM選用紫光的HXI15H4G160AF-13K芯片，設(shè)計中采用4片DDR3 SDRAM，數(shù)據(jù)線共64位，容量共為16 Gb；串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)FLASH選用深圳國微的SM25QH128M，用于存放PMON(龍芯boot程序)和操作系統(tǒng)；SSD存儲芯片采用綠芯的GLS85LS1002E，容量為2 GB，用于存放應(yīng)用程序。

FPGA視頻處理電路包括FPGA電路、視頻解碼電路和視頻編碼電路，其中，F(xiàn)PGA選用復(fù)旦微的JFM7K325T8，最大頻率550 MHz，內(nèi)部資源豐富；視頻解碼電路采用振芯科技GM7145器件將差分?jǐn)U展圖形陣列(Extended Graphics Array，XGA)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)XGA，然后再采用該公司的GM7002集成解碼器將標(biāo)準(zhǔn)XGA信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字RGB信號，給到FPGA的輸入輸出端口，實現(xiàn)疊加處理；視頻編碼電路采用振芯科技GMG7123芯片將FPGA輸出的RGB和行場信號編碼為單端XGA視頻信號，再通過該公司的GM7148器件將單端XGA轉(zhuǎn)換成三線制差分XGA信號。

外圍電路主要用于實現(xiàn)RS422、HDLC等通信接口的電平轉(zhuǎn)換，通信協(xié)議由FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。

本系統(tǒng)硬件設(shè)計中全部選用國產(chǎn)元器件，滿足國產(chǎn)化需求。

2.2 FPGA軟件設(shè)計

FPGA軟件設(shè)計分為通信接口模塊軟件設(shè)計和視頻處理模塊軟件設(shè)計。

2.2.1 通信接口模塊軟件設(shè)計

通信接口模塊用于圖形系統(tǒng)與外部的通信，設(shè)計中要求滿足3路RS422和2路HDLC。本模塊主要包括寄存器存儲與地址解析子模塊、UART子模塊、HDLC子模塊。寄存器存儲與地址解析模塊負責(zé)將龍芯2K1000內(nèi)總線的數(shù)據(jù)解析存儲到相應(yīng)的FPGA本地寄存器中，此外再將本地寄存器的數(shù)據(jù)通過特殊的時序發(fā)往龍芯2K1000，本地的寄存器包含UART寄存器和HDLC寄存器。UART模塊負責(zé)RS422的收發(fā)通信，HDLC模塊負責(zé)HDLC協(xié)議的收發(fā)通信。下面主要介紹HDLC模塊的設(shè)計。

本文設(shè)計的模塊框圖如圖3所示，主要包括HDLC發(fā)送單元、HDLC接收單元、波特率發(fā)生器、先入先出隊列(First Input First Output，F(xiàn)IFO)單元、循環(huán)冗余校驗碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)校驗單元、HDLC發(fā)送地址解析單元和HDLC接收地址解析單元等。

圖3 HDLC模塊功能框圖

HDLC模塊處于發(fā)送狀態(tài)時，龍芯2K1000往HDLC數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器的地址寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)暫存在發(fā)送FIFO中；HDLC發(fā)送單元查詢FIFO中的數(shù)據(jù)個數(shù)，若FIFO中的數(shù)據(jù)個數(shù)不為0，則讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，HDLC發(fā)送單元先發(fā)送包頭再發(fā)送數(shù)據(jù)，邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊對數(shù)據(jù)進行CRC校驗，最后發(fā)送數(shù)據(jù)位最終CRC校驗的值，由此完成一包數(shù)據(jù)的發(fā)送。此外，在進行數(shù)據(jù)接收的時候，HDLC接收單元檢測包頭，如果包頭滿足要求，則接收余下的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)緩存到FIFO中去，HDLC接收單元邊接收數(shù)據(jù)邊進行CRC校驗，當(dāng)滿足接收的數(shù)據(jù)等于CRC校驗時，則給出中斷信號，由龍芯2K1000從數(shù)據(jù)接收寄存器中讀取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)的長度為FIFO中數(shù)據(jù)的個數(shù)。

2.2.2 視頻處理模塊軟件設(shè)計

視頻處理模塊主要用于異步視頻時序的同步化處理，實現(xiàn)內(nèi)部視頻與外部視頻的疊加，以及啟動Logo產(chǎn)生，包括圖像緩存子模塊、視頻疊加子模塊和啟動Logo產(chǎn)生子模塊。

(1)圖像緩存模塊

圖像緩存模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，由3個視頻直接存儲器存取(Video Direct Memory Access，VDMA)構(gòu)成，第一個VDMA實現(xiàn)龍芯2K1000產(chǎn)生的圖形畫面即內(nèi)部視頻的緩存，第二個VDMA實現(xiàn)XGA圖像即外部視頻的緩存，第三個VDMA實現(xiàn)Logo圖像的緩存。不同的是，第一個VDMA單獨采用一個視頻緩存區(qū)域進行緩存，第二個和第三個VDMA采用同一片視頻緩存區(qū)域進行緩存。若XGA信號沒有的話，則選擇Logo圖像緩存進入圖像緩存區(qū)，否則選擇XGA視頻信號。

圖4 圖像緩存模塊功能框圖

(2)視頻疊加模塊

視頻疊加模塊將前景和后景的圖像數(shù)據(jù)按透明度比例進行疊加，生成最終的顯示圖像數(shù)據(jù)。透明度取值范圍為0～255，當(dāng)透明度為0時，只顯示前景圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)透明度為255時，只顯示后景圖像數(shù)據(jù)。前景的數(shù)據(jù)來自于龍芯2k1000的內(nèi)部視頻，后景數(shù)據(jù)來自于XGA的外部視頻，透明度值由龍芯2K1000軟件設(shè)置，再由地址解析模塊解析給出。

(3)Logo產(chǎn)生模塊

Logo產(chǎn)生模塊實現(xiàn)在上電時初始化顯示器的畫面，Logo的數(shù)據(jù)存儲于FPGA存儲器。Logo產(chǎn)生模塊將存儲器里面的Logo數(shù)據(jù)通過一定的時序讀出并緩存進入FPGA內(nèi)存中，替代XGA的緩存區(qū)域，將透明度的值調(diào)整到最小，則完成開機顯示Logo。

2.3 操作系統(tǒng)及圖形驅(qū)動軟件設(shè)計

圖形系統(tǒng)采用國產(chǎn)天脈操作系統(tǒng)作為上層圖形顯示軟件運行平臺。基于天脈系統(tǒng)設(shè)計圖形驅(qū)動軟件，包括OpenGL ES接口驅(qū)動、幀存驅(qū)動、顯示控制器驅(qū)動，滿足上層圖形顯示軟件設(shè)計的通用需求。

2.3.1 天脈操作系統(tǒng)移植

天脈操作系統(tǒng)是一款通用實時類操作系統(tǒng)，適用于實時性要求高的領(lǐng)域，能夠給上層應(yīng)用提供任務(wù)管理、中斷/異常管理、任務(wù)間通信、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等功能。圖形系統(tǒng)天脈操作系統(tǒng)移植以現(xiàn)有的參考板級支持包為基礎(chǔ)，根據(jù)圖形系統(tǒng)硬件資源，主要完成模塊支持層(Module Support Layer，MSL)和操作系統(tǒng)(Operating System，OS)的配置，以及外設(shè)驅(qū)動開發(fā)。

依次創(chuàng)建MSL工程和OS工程(綁定MSL),配置主要包括MSL加載及運行內(nèi)存空間配置、OS運行內(nèi)存空間配置、SPI FLASH地址空間配置和內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit，MMU)地址空間映射等，其余配置(如串口網(wǎng)口調(diào)試配置、操作系統(tǒng)初始任務(wù)、內(nèi)核參數(shù)配置等等)采用默認配置即可。需要注意的是，MSL運行內(nèi)存空間和OS運行內(nèi)存空間必須為MMU已映射的空間，而MSL加載內(nèi)存空間必須為MMU映射之外的空間，且三個空間必須不重疊，否則會引起編譯或運行錯誤。

外設(shè)驅(qū)動包括串口、網(wǎng)口、內(nèi)總線、SPI FLASH、SSD等。設(shè)備驅(qū)動架構(gòu)依據(jù)參考板級支持包的模板，結(jié)合器件手冊完成具體的功能接口設(shè)計即可，這里不再一一詳述。

2.3.2 圖形驅(qū)動軟件設(shè)計

圖形系統(tǒng)上層應(yīng)用軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL ES接口進行繪圖，需要底層圖形驅(qū)動軟件支持，從而不必關(guān)心硬件CPU、GPU、DDR3 SDRAM幀存以及顯示控制器之間的復(fù)雜交互邏輯，降低上層應(yīng)用軟件的設(shè)計難度。

以龍芯2K1000內(nèi)置GPU Linux系統(tǒng)下的圖形驅(qū)動源碼為基礎(chǔ)，將圖形驅(qū)動代碼按功能進行模塊劃分，主要包括GPU硬件驅(qū)動層、嵌入式圖形接口(Embedded Graphic Interface，EGL)驅(qū)動層、OpenGL ES接口驅(qū)動層等，進一步細分模塊為與操作系統(tǒng)相關(guān)部分和與操作系統(tǒng)無關(guān)部分。根據(jù)天脈系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)的差異性，確定操作系統(tǒng)層面上需要開發(fā)的驅(qū)動模塊，如顯示控制器驅(qū)動、幀存驅(qū)動等，這些是圖形顯示必備的驅(qū)動。Linux系統(tǒng)生態(tài)比較完善，自帶有這些驅(qū)動，而在天脈下則需要自行開發(fā)。圖形系統(tǒng)圖形驅(qū)動簡要模塊框圖如圖5所示。

圖5 圖形驅(qū)動模塊圖

各驅(qū)動子模塊的設(shè)計如下：

(1)GPU硬件驅(qū)動

完成GPU的寄存器配置、中斷引腳配置、內(nèi)存資源配置、中斷處理、繪圖指令Event處理等，與應(yīng)用層的接口為gpu_init，應(yīng)用程序中調(diào)用該函數(shù)即可完成GPU硬件的初始化，GPU硬件驅(qū)動模塊封裝形成LibGAL.a。

(2)EGL接口驅(qū)動

提供應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)的EGL圖形繪制框架接口，與操作系統(tǒng)無關(guān)，無需進行改動。

(3)OpenGL ES接口驅(qū)動

提供應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL ES圖形繪制接口，與操作系統(tǒng)無關(guān)，無需進行改動。EGL接口驅(qū)動模塊與OpenGL ES接口驅(qū)動模塊封裝形成LibGL.a。

(4)龍芯2K1000顯示接口驅(qū)動

對龍芯2K1000的顯示接口進行時序配置，使之輸出標(biāo)準(zhǔn)的視頻時序(圖形系統(tǒng)使用1 024 pixel×768 pixel@60 Hz)，并配置顯示接口使用的雙緩存幀存地址等。

(5)FrameBuffer幀存驅(qū)動

注冊FrameBuffer驅(qū)動，創(chuàng)建FrameBuffer設(shè)備，EGL通過FrameBuffer設(shè)備獲取當(dāng)前的顯示分辨率，并控制雙緩存幀存的切換等。龍芯2K1000顯示接口驅(qū)動模塊與FrameBuffer驅(qū)動模塊提供應(yīng)用程序接口合并成FrameBuffer_init，應(yīng)用程序中調(diào)用該函數(shù)即可完成顯示接口初始化和FrameBuffer設(shè)備的創(chuàng)建。

圖形系統(tǒng)上層應(yīng)用軟件調(diào)用圖形驅(qū)動的主要過程如圖6所示。gpu_init完成后，在天脈操作系統(tǒng)下創(chuàng)建/dev/galcore設(shè)備，OpenGL ES接口通過ioctl訪問/dev/galcore，生成繪圖指令發(fā)送給GPU，由GPU硬件完成繪圖。FrameBuffer_init創(chuàng)建/dev/fb設(shè)備，EGL swapbuffers通過/dev/fb來控制雙緩存的切換。

圖6 應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動示意圖

3 實驗與應(yīng)用

3.1 實驗過程

設(shè)定CPU主頻為800 MHz，GPU主頻分別為230 MHz、400 MHz、533 MHz，DDR3 SDRAM時鐘頻率為800 MHz，顯示分辨率為1 024 pixel×768 pixel@60 Hz。圖形應(yīng)用采用SCADE工具開發(fā)，自動生成基于OpenGL ES2.0的圖形代碼。測試畫面采用典型機載顯示器圖形畫面，如圖7所示。運行天脈操作系統(tǒng)版本為V1.2.1。視頻疊加功能開啟，外部通信總線開啟3路RS422和2路HDLC，其中每路RS422通信周期為100 ms，每個周期收發(fā)數(shù)據(jù)為30 B，每路HDLC通信周期為50 ms，每個周期收發(fā)數(shù)據(jù)為60 B。實驗室環(huán)境依次測試不同GPU主頻下圖形系統(tǒng)的幀率及功耗。

圖7 幀率測試畫面

3.2 實驗結(jié)果

針對兩種測試畫面，在不同的GPU主頻下，圖形系統(tǒng)幀率及功耗測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，在開反走樣的情況下，測試畫面1中，GPU主頻提升能夠較大的提升圖形性能，測試畫面2中，GPU主頻達到400 MHz后，圖形性能則不再提升。圖形系統(tǒng)功耗隨性能的提升而增加，在關(guān)閉反走樣的情況下GPU主頻提升則對性能無影響，功耗也無變化。

圖形系統(tǒng)性能與CPU、GPU密切相關(guān)，當(dāng)GPU主頻提升后，若圖形性能隨之提升，則說明當(dāng)前性能瓶頸受制于GPU，反之則受制于CPU。在不同的應(yīng)用中，需要根據(jù)實際顯示性能和功耗要求，設(shè)置合理的GPU主頻和反走樣處理方式，達到最優(yōu)設(shè)計。

3.3 應(yīng)用情況

龍芯2K1000芯片的設(shè)計功耗最大僅為5 W，在實驗室常溫環(huán)境下裸芯片無任何散熱措施，長時間運行機載典型畫面，工作無異常。在圖形系統(tǒng)運用于機載顯示器整機時，龍芯2K1000采用傳導(dǎo)散熱方式，其與機載顯示器后蓋通過導(dǎo)熱硅膠相連，并依靠整機金屬外殼進行散熱。圖形系統(tǒng)隨機載顯示器整機通過了高低溫環(huán)境試驗，在試驗溫度為-40℃～+65℃情況下，圖形系統(tǒng)啟動、圖形顯示以及各功能接口均工作正常，能夠滿足整機應(yīng)用需求。

4 結(jié) 論

本文針對機載顯示器圖形生成系統(tǒng)領(lǐng)域的小尺寸、低功耗需求，提出了一種基于龍芯2K1000的全國產(chǎn)圖形生成與處理方案，并介紹了圖形系統(tǒng)的工作原理，給出了關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計方法。與現(xiàn)有的CPU+GPU全國產(chǎn)技術(shù)方案相比，本方案集成度高、體積小，是一種更優(yōu)的小尺寸顯示器圖形系統(tǒng)全國產(chǎn)設(shè)計方法。實驗結(jié)果證明，在顯示分辨率為1 024 pixel×768 pixel@60 Hz的典型測試畫面下，圖形系統(tǒng)幀率可以達到35 frame/s以上，功耗控制下10 W以下。目前圖形系統(tǒng)已在某型機載顯示器上開展實際應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，各方面指標(biāo)均能夠滿足顯示器應(yīng)用需求。