GDC改善汽车图像系统(08-100)

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　　图像显示控制器(GDC)具有多种人机接口，是汽车信息系统的核心引擎。DGC最开始是为高档车的导航系统设计的，现已普及至中、低档汽车。车用GDC组合了汽车环境要求的多种功能，其主要功能是在显示丰富的图像内容时控制LCD面板，其它功能包括视点导航、模拟测量仪表与两刷的实时显示，以及其它对主CPU工作不构成太大压力的信息显示。
　　车用GDC与台式图像控制器不同，它是为小屏幕、低分辨率嵌入式应用设计的，其分辨率在基本信息显示时通常限于CIF(320×240)，对仪表盘应用采取超宽度VGA(1240×480)。考虑到小屏幕上需要显示的信息量以及其清晰程度，车用环境也有一些特殊的问题。GDC采用多层显示与多种透明度的选择方案，让观察者同一时间看到多个屏幕视图，并随时查阅下面的屏幕视图，提高显示的效率。屏幕可以重新设定尺寸，在显示区域内随意地移动图形，这与Windows台式系统是类似的。

性能分级
　　GDC是与MCU一起工作的，型号众多，性能各异。在性能上有五种不同的级别。

　　基本GDC包括一个简单的帧缓冲存储器和一个控制器来产生要显示的信号。主控制器处理作图功能，手控修改缓冲器中显示帧内容。稍复杂的包括帧缓冲器和一个基本2D功能的作图引擎，完成画线、画多边形基本功能。这一类GDC可以叠加二或三层视图，在它们之间完成阿尔法混合。

　　第三级复杂度GDC可重叠4-6层图像，有硬件光标，实现阿尔法混合和阿尔法平面功能，以及全部作图功能。

　　第四级GDC又增加了下列功能：几何图形处理器与作图引擎实现的2D/3D作图引擎，内部工作频率为100-200MHz，大大地提高了作图速度，显示点时钟达400MHz。典型的器件是富士通MB86296。

　　最后，高级GDC，如富士通32位MB86R01，能提供更多的多媒体功能：包括A/V译码等多项A/V功能;可编程图像雾化、加亮和色调、阴影;有更高与更快的转换速率。

　　在选择GDC时，分配给CPU的处理量有多大也是十分重要的。倘若主CPU具有400MIP的能力，甚至更高，那末就有可能上CPU执行更多的几何图形操作;而使用一个简单的GDC来进行位图形操作。如果主CPU的指令速度没有那么快，解决方案只能是使用功能强的GDC。选择处理器取决于待显示图像或图形的复杂程度，主CPU与GDC是要协调地工作的。

　　无论选用那个级别的GDC，其功耗也是重要的考虑因素。现今，多数最新型的GDC仅消耗2.3W功率，远远低于早期的那些器件，GDC的效率和性能还在不断的提高中。

存储器至关重要

　　图像存储器是GDC系统的重要组件之一。这旨保存全部图像信息的缓冲区域，也是提高图像再现效率的重要因素。在面板上要显示的帧数据是存储在图像存储器中的，因而对帧数据及时地又可靠地传送至视频输出接口有直接的关系。存储在图像存储器中的各种类型数据有：作图帧;作图帧的一个子集，显示帧;3D作图用到的Z缓冲数据;视频捕捉缓冲器，一个从视频输入接口暂存的每个像素16位的区域;多边形作图标志缓冲器，在多边形作图时需要的每个像素1位信息;显示列表缓冲器，纹理映射与光标图形等。

　　存储在图像存储器中的信息众多，使用信息的任务在存取时按优先级别操作：

　　1、 显示帧刷新;

　　2、 视频捕捉;

　　3、 显示数据处理;

　　4、 主CPU访问(显示列表、纹理映射与位映射);

　　5、 作图访问(如Z缓冲与多边形标志缓冲)。

　　显示帧刷新以每秒50-60次更新显示面板的内容。该任务需传输大量的数据，直接影响人机接口，因而被赋于最高优先权。

　　视频捕捉将输入视频数据缓冲至图像存储器。显示处理包含与显示控制器有关的各种处理过程，如显示阿尔法混合、重叠与光标图形处理。主CPU存取包括传输显示列表、纹理映射与位映射。最后一步是作图存取，它涉及Z缓冲器与多边形标志缓冲器的作图帧更新。

　　大量数据进出图像存储器接口，因而对该接口的带宽要求是很高的。典型GDC的图像存储器带宽为532Mbps。然而，一个存储器读/写需多个时钟，因此有效带宽仅为此值的二分之一或三分之二，假定时钟频率为133MHz、数据总线宽度为32位。同级GDC使用DDR-SDRAM技术，带宽可提高一倍，甚至达到1Gbps。

　　除了存储器接口，GDC还有CPU、视频捕捉与视频输出接口(见图1)。绝大多数数据要通过存储器接口。显示列表、位映射和纹理映射是由CPU传送给GDC的。CPU还可能要直接访问GDC的寄存器与存储器。当然，这些任务不会产生大量的数据。在PCI主接口(33MHz)场合，GDC通常具有50Mbps的带宽。另一方面，SRAM型主接口的带宽超过100MHz，具体带宽取决于总线时钟频率。




　　图1 GDC基本结构示意图

　　类似地，视频捕捉与视输出接口的带宽较存储器接口低。这些接口是为专用任务设置的，数据由视频捕捉接口流入，从视频输出接口流出。从以上分析可知，存储器接口是整个GDC系统的最大瓶颈，其体系结构视GDC的目标应用而定。

性能优化

　　GDC系统使用存储器有两种结构：独立存储器与共享存储器。前者，CPU与GDC分别设置一个存储器，这样可提高图像性能，但增加了电路板面积。后者，CPU与GDC共用一个存储器，存储器增加了非图像功能的任务，当然会影响图像性能。一个更佳的方法就是采用SoC，将CPU与GDC组合在一个芯片内，在芯片内更容易实现高速数据通道，用于高带宽CPU-GDC通信。

　　MB86R01(图2)就是SoC器件，它内置正规的2D/3D图形控制器，高清晰且高速地执行汽车导航和仪表盘所需的图形处理;并采用在嵌入式市场上占有压倒性份额的ARM内核作为控制CPU，易于在系统中嵌入各种中间件和驱动程序。它完全兼容2D/3D显卡功能，除阴影、纹理、纹理映射等正规的3D绘图以外，硬件还支持最适用于地图的“粗线”、“虚线”、“斜线”。与图形保真功能组合使用能够绘制出光滑漂亮的直线。还有能够根据进深绘制，简单地表达交叉点和立体交叉。


　　图2 MB86R01示意图

　　在显示功能方面，从帮助安全驾驶的角度出发，画面的重叠对于实时地收集各种信息，简明易懂地显示给司机来说是个非常实用的功能。该产品最多能重叠6个面。例如，在最下层显示地图信息，在上面的层显示通过CAN从车载通信系统获得的信息和从ITS获得的道路交通信息等，可以分别处理不同的信息来源，最后进行合成。此外，还增加了2画面同时显示，2系统的捕捉功能。可以简单地构建车载后背娱乐系统，例如在后排坐位上观看DVD或电视。(东华)