LCD顯示器真是無處不在，在家庭、超市、體育館以及汽車內(nèi)你都可以見到它們的身影。無疑車載LCD顯示系統(tǒng)是增長最快的市場。增長的動力包括：不斷下降的顯示器價格、不斷提升的用戶體驗、更多的產(chǎn)品性能以及車內(nèi)消費類產(chǎn)品的集結(jié)。

典型的圖形顯示系統(tǒng)一般都是利用標準的特殊應(yīng)用標準處理器(ASSP)或者定制的特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)作為控制器來構(gòu)建的。但汽車圖形設(shè)計師在利用這些器件構(gòu)建系統(tǒng)時遭遇到了不小的麻煩，其中包括：較短的產(chǎn)品生命周期，基于PC的系統(tǒng)總線接口，無法適應(yīng)新標準和新顯示器類型等。所有這些問題都限制了設(shè)計在其它應(yīng)用中的重用可能性。


圖1給出了車載圖形/視頻系統(tǒng)的一個典型實例。圖的左側(cè)列出了用于驅(qū)動圖形系統(tǒng)的一些不同輸入信號。本例包括了一個MediaLB接口，一個用于視頻的兩線像素鏈路收發(fā)器，一個普通系統(tǒng)接口總線和一個NTSC/PAL視頻編碼器。一旦視頻和圖形信息進入系統(tǒng)，就由通用CPU執(zhí)行處理，或者在不同的系統(tǒng)架構(gòu)下被直接送到圖形處理器。此外，絕大多數(shù)設(shè)計還含有用于程序存儲的閃存以及用于存儲頁面和視頻信息的SDRAM。

圖1：典型的圖形/視頻系統(tǒng)架構(gòu)。


圖形處理器可以是ASSP、定制ASIC或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件。根據(jù)具體實現(xiàn)的不同，一個系統(tǒng)中可能會含有多臺顯示器(如圖所示)，這時還需要額外的邏輯資源來管理各種信號以便支持每臺顯示器正常工作。

如上所述，設(shè)計師在汽車設(shè)計中采用ASSP圖形控制器時會遇到一些阻礙，具體包括：

1. PC和消費電子產(chǎn)品通常具有非常短的生命周期，但汽車市場具有很長的生產(chǎn)周期和支持需求，它們無法接受生命周期結(jié)束時強制發(fā)生的變化。

2. 采用硬連線的ASSP或ASIC器件無法象傳統(tǒng)系統(tǒng)那樣支持新興的或者派生的視頻和圖象標準。

3. 硬連線系統(tǒng)也很難適應(yīng)不同的顯示器類型，其不適應(yīng)性具體表現(xiàn)在分辨率、長寬比或顯示器信號接口方面。

4. 絕大多數(shù)ASSP器件采用的都是PC總線接口，比如AGP、PCI 和PCI Express。如果要在內(nèi)部系統(tǒng)總線和ASSP圖形器件之間構(gòu)建定制接口，汽車設(shè)計師還將面臨額外的成本和復(fù)雜性問題。

ASIC的單片價格確實相當?shù)?，但是開發(fā)成本非常高。其掩膜成本可達數(shù)百萬美元，如果需要改變設(shè)計以支持新標準或者新功能，則掩膜費用還得成倍增加。


以多用途為特質(zhì)的FPGA器件加上商用化知識產(chǎn)權(quán)(IP)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎所有的圖形系統(tǒng)功能，包括視頻控制器、RISC處理器、顯示器接口、總線標準和不同的視頻輸入標準等，而且這些功能全都可以集成在一個器件上。

圖2：集成式車載圖形解決方案。

圖2是利用FPGA實現(xiàn)的高集成度實例。該設(shè)計無需使用外部MediaLB器件，而是在內(nèi)部FPGA邏輯中處理MediaLB協(xié)議。RISC處理器則是以基于IP的32位軟核處理器形式整合在里面。再加上圖形/視頻內(nèi)核模塊IP就實現(xiàn)了完整的設(shè)計，包括支持觸摸屏輸入、LCD背光控制、存儲控制器和多臺顯示器。該設(shè)計通過將所有主要的系統(tǒng)功能集成到FPGA中而大大減少了設(shè)計中的零部件數(shù)量。利用帶內(nèi)置非易失性啟動閃存的FPGA還能節(jié)省其他更多的器件。

圖形系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)是總項目的一部分。設(shè)計師必須將精力集中到圖形控制器的功能上，以便為設(shè)備找到最佳的解決方案。例如，客戶信息顯示器(CID)可能只需要顯示文本消息和基本圖形，而一系列玻璃儀表板則需要高分辨率平滑圖形顯示，因為實際上它代表著用CID來替代物理度量和儀器測量。一些儀器板和導(dǎo)航系統(tǒng)也有實時視頻顯示器用于支持后視(rear-view)攝像視頻，這種顯示器需要一個能夠支持畫中畫和實時視頻并且不能降低其他圖像質(zhì)量的圖形控制器。另外，處理多路視頻流和輸入所需的靈活性也是其典型要求。

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(jié)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(shù)，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(yīng)用軟件接口，使用的方便度如何？

5. 該應(yīng)用是否需要可擴展架構(gòu)，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(shè)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(yīng)用性能和成本預(yù)算。這種IP內(nèi)核帶有可選的視頻輸入和bitblit模塊，可以用設(shè)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(shù)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計在視頻控制器中包含客戶定制的圖形加速器。這樣，設(shè)計師就可以針對目標系統(tǒng)對圖形處理性能進行特殊調(diào)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(gòu)中可以設(shè)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(shè)計。采用FPGA的設(shè)計可以幫助系統(tǒng)設(shè)計師通過系統(tǒng)接口來完成控制：整個設(shè)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(shè)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(gòu)建視頻和圖形控制器還可以使設(shè)計師在其他應(yīng)用中提升圖形顯示技術(shù)。在汽車應(yīng)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(guān)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。