3 幀存控制器設(shè)計(jì)
3．1 幀存控制器結(jié)構(gòu)
在飛機(jī)座艙綜合圖形顯示系統(tǒng)中，“全羅盤畫面”和“導(dǎo)航顯示器”等畫面都是需要實(shí)時(shí)變化的畫面，這些畫面需要根據(jù)飛機(jī)的參數(shù)實(shí)時(shí)變化。實(shí)時(shí)完成圖形的改變有兩個(gè)主要途徑：（1）完全重畫，這不僅意味著復(fù)雜的二維計(jì)算，而且需要在刷新時(shí)間之內(nèi)，完成對幀存的整個(gè)重寫，這種方法效率非常低。（2）只改變需要更改的那部分，這種方法需要研究算法，因?yàn)樵诰幊讨幸_保圖形操作只改變需要更改的那部分，往往需要對圖形顯示的狀態(tài)作一串精確的記錄，保持這一串存儲記錄需要非常大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這不利于圖形的運(yùn)算［6］。而且對某個(gè)被顯示的移動部件來說，實(shí)際上是先把它在老的位置擦除，再在新的位置生成，故對圖形操作的工作量是加倍的。針對飛行儀表畫面的特點(diǎn)，提出一種新的字符圖形產(chǎn)生器顯示幀存結(jié)構(gòu)，該幀存結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)幀存輪流切換的技術(shù)，并通過FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的幀存控制器，使每個(gè)幀存具有自動消隱的功能。
幀存控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中有兩套控制總線：一個(gè)是DSP的控制總線，一個(gè)是由FPGA產(chǎn)生的控制總線。當(dāng)DSP對幀存（1）進(jìn)行寫操作時(shí)， FPGA所產(chǎn)生的控制總線對幀存（2）進(jìn)行讀操作，將幀存（2）中的像素讀出，反之亦然。FPGA對某個(gè)幀存進(jìn)行讀操作時(shí)，不是簡單的讀出，而是將讀出操作分成兩步：（1）將顯示數(shù)據(jù)讀入寄存器，（2）將背景數(shù)據(jù)寫入同一地址的幀存，這種操作方式使一個(gè)幀存在讀出所有的像素后，整個(gè)幀存僅存有背景顏色，從而在DSP對幀存進(jìn)行寫操作時(shí)，軟件上不需要龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也不需要進(jìn)行消隱操作，這種幀存結(jié)構(gòu)可以節(jié)省大量的DSP運(yùn)算時(shí)間，DSP還可以對背景寄存器進(jìn)行預(yù)先的設(shè)置，使背景寄存器的內(nèi)容由用戶定義。
3．2 幀存控制器實(shí)現(xiàn)方法
如上節(jié)所述，具有自動消隱功能的幀存控制器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何在一個(gè)像素時(shí)鐘周期內(nèi)，既讀出數(shù)據(jù)，又要寫入背景數(shù)據(jù)。為此，本文在系統(tǒng)中引入了多時(shí)鐘設(shè)計(jì)，圖5為實(shí)現(xiàn)自動消隱的時(shí)序圖，圖中有兩個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)為像素時(shí)鐘，頻率為20 MHz，它由DSP的工作時(shí)鐘40 MHz二分頻而得。一個(gè)為消隱時(shí)鐘，頻率為80 MHz，它由40 MHz倍頻而得。在Xilinx公司的SpartanII系列芯片中內(nèi)嵌了4個(gè)DLL數(shù)字延遲鎖相環(huán)，每個(gè)DLL可以倍頻和1．5，2，2．5等分頻。由 DLL實(shí)現(xiàn)的倍頻和分頻，可以保證在相位上的嚴(yán)格一致［7］。如圖5所示，頻率為80 MHz的消隱時(shí)鐘將一個(gè)像素周期分為4個(gè)節(jié)拍，分別定義為S0，S1，S2，S3。其工作過程如下：在像素時(shí)鐘的上升沿，地址總線addr的地址計(jì)數(shù)器加1，使幀存SRAM上的地址發(fā)生變化。在延時(shí)10 ns后，圖形數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，由FPGA在狀態(tài)S1讀入鎖存器，然后，F(xiàn)PGA切換數(shù)據(jù)總線方向，將背景數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)總線，同時(shí)，送出WE負(fù)脈沖，在WE的上升沿將數(shù)據(jù)總線上的背景數(shù)據(jù)寫入同一地址的幀存SRAM�？紤]到線延時(shí)，設(shè)計(jì)中，將狀態(tài)機(jī)的有效時(shí)鐘邊沿定義為消隱時(shí)鐘的下降沿。
3．3 有關(guān)自動消隱的討論
具有自動消隱功能的幀存控制器，適用于顯示圖形數(shù)據(jù)較少且需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)變化的畫面，如全羅盤畫面，80度羅盤畫面等，這類畫面所要顯示的圖形數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于背景數(shù)據(jù)。如上所述，對于顯示這種圖形，幀存的自動消隱能大大減少DSP在組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和消隱老畫面的時(shí)間。但是對于顯示飛行儀表的其它需要大量填充的畫面，如飛機(jī)座艙的全姿態(tài)指示儀（俗稱天地球）及數(shù)字地圖等畫面，使用具有自動消隱功能的幀存控制器是不適宜的，因?yàn)檫@些畫面需要對不同的區(qū)域填充不同的顏色［8］，如果用硬件自動消隱前次存入的圖形數(shù)據(jù)，則在下一次需要送入整幅圖形數(shù)據(jù)，即使對于那些沒有變化的填充圖形，也需要重新送入，自動消隱反而增加了DSP的負(fù)擔(dān)。這些需要大量填充畫面的顯示，需要在軟件上研究算法，研究怎樣只消隱變化了的填充區(qū)域，而保留沒有變化的填充區(qū)域，或者研究如何用硬件實(shí)現(xiàn)高速的圖形填充。
4 結(jié)束語
字符圖形發(fā)生器是航空綜合圖形顯示系統(tǒng)的重要組成部分，字符圖形發(fā)生器的性能好壞，直接影響到航空電子綜合顯示系統(tǒng)的性能。在字符圖形發(fā)生器中應(yīng)用FPGA技術(shù)，使電路結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方式靈活，能實(shí)現(xiàn)一些很復(fù)雜的電路，同時(shí)也提高了整個(gè)字符圖形產(chǎn)生器的可靠性，減少了設(shè)備的體積和重量。本文介紹的視頻控制器和幀存控制器，已在實(shí)際的顯示系統(tǒng)中應(yīng)用。測試表明，這種設(shè)計(jì)方式能有效提高飛機(jī)全羅盤畫面的旋轉(zhuǎn)速度，對其它類似的應(yīng)用場合也具有實(shí)際參考價(jià)值。
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