（通信与信息系统专业论文）标清数字电视机顶盒中图形引擎的设计与实现.pdf

摘耍 摘要 在数字电视机项盒的市场中，既存在广阔的前景又充满激烈的竞争，如何在 这样的环境中，有效推出自己的产品，需要考虑许多因素。其中图形处理功能作 为解决数字电视接收机和机顶盒发展初期图像质量较差的局限性和吸引用户的 一个重要组成部分，日益受到开发商的重视。 目前，国外生产的机顶盒芯片中很多都集成了2 d 3 d 图形引擎，而国内还只 是少部分产品集成了性能良好的图形引擎。为了在新一轮的市场竞争中迎头赶 上，权衡时间、成本和功能因素，本论文采用在机顶盒解码系统中集成二维图形 引擎来完成图形处理功能的流行方案，研究设计二维图形引擎，这样既能满足标 清数字电视( s d t v ) 的基本图形处理功能又能降低开发成本和缩短开发周期。 本论文采用自项向下的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 特定用途 集成电路) 设计方法，首先介绍了标清数字电视机顶盒图形引擎的整体结构与硬 件实现，然后分析重点模块的设计与实现。针对颜色处理模块在图形引擎中的关 键作用，论文对其作了重点分析，将它分成几个子模块分别介绍。该颜色处理模 块能对r g b 、v 的多种格式数据进行格式化处理，并通过简化的硬件实现方 式完成颜色空间的转换和图像子采样格式转换等。作为视频解码s o c ( s y s t e mo n c h i p 片上系统) 芯片的一个功能i p ，图形引擎还必须具备完整的接口模块以便于 i p 核复用，为此本文将其作为另一重点内容，分析并描述了a h b 总线协议和接 1 2 模块的设计思路。本设计采用了v e r i l o g 硬件描述语言对颜色处理和总线接1 2 1 这两个重点模块进行描述，并利用m o d e l s i m 、n c 等e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i c 电子设计自动化) 软件，完成对局部模块和整体模块的代码编译和功 能仿真。在论文的最后，介绍了本设计所用的验证平台，用于测试集成的图形引 擎系统，通过数据流程分析的一些典型仿真波形说明了设计的正确性。 该图形引擎具有硬件实现简单、低成本、高移植性、易修改等特点，能够作 为完整的功能i p ，为多种多媒体s o c 芯片的图形处理器设计提供参考。 关键词图形引擎；颜色处理模块；a h b 总线接口 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h e d i g i t a lt e l e v i s i o ns e t t o pb o x ( s t b ) m a r k e t , t h e r e a r eag r e a to f o p p o r t u n i t i e sa sw e l la st r e m e n d o u sc h a l l e n g e s al o to ff a c t o r sm u s tb ec o n s i d e r e di n o r d e rt od e v e l o po u ro w np r o d u c t g r a p h i c sp r o c e s s o ri m p r o v e st h eq u a l i t yo fg r a p h i c d i s p l a yw h i c hi sal i m i t a t i o na tt h ee a r l ys t a g eo fs t bd e v e l o p m e n t t h a ti sw h y i t a t t r a c t sc o n s u m e r s ，a n dl e a d st ot h ef a c tt h a tm o r ea n dm o r ed e v e l o p e r sp a ys om u c h a t t e n t i o nt ot h i sa r e a a tp r e s e n t ，al o to ff o r e i g ns t bp r o d u c t sh a v ei n t e g r a t e d2 d 3 dg r a p h i ce n g i n e i nt h e m ，b u to n l yah a n d f u lo fs t bh a v ei n t e g r a t e de x c e l l e n tg r a p h i c e n g i n ei n d o m e s t i cp r o d u c t s i no r d e rn o tt of a l lb e h i n di nt h en e wr o u n do fm a r k e tc o m p e t i t i o n ， c o n s i d e r i n gt i m i n g ，c o s ta n dp e r f o r m a n c e s ，t h i st h e s i sa d o p t sap o p u l a rm e t h o di n w h i c hg r a p h i ce n g i n ei si n t e g r a t e di ns t bv i d e od e c o d e rt or e s e a r c ha2 dg r a p h i c e n g i n e ，w h i c hn o to n l yf u l f i l l st h eb a s i cf u n c t i o no fg r a p h i cp r o c e s s i n gi ns d t v ( s t a n d a r dd e f i n i t i o nt v ) ，b u ta l s os a v e st h et i m ea n de x p e n s eo fd e v e l o p m e n t t h i st h e s i sc h o o s e st o p - d o w na s l c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) d e s i g nm e t h o d o l o g y , f i r s ti n t r o d u c et h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h e w h o l eg r a p h i ce n g i n e ，t h e nf o c u so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi m p o r t a n t m o d u l e s t h et h e s i sg i v e sad e t a i ld e s c r i p t i o no fc o l o rp r o c e s s i n gm o d u l eb e c a u s eo f i t s f u n d a m e n t a l i t y i n g r a p h i ce n g i n e ，s e p a r a t e s i ti n t os e v e r a ls u b - m o d u l e sa n d i n t r o d u c e st h e mr e s p e c t i v e l y t h i sc o l o rp r o c e s s i n gm o d u l ec a np r o c e s sm u l t i p l er g b a n dy u vf o r m a td a t a i ta d o p t e ss i m p l eh a r d w a r ea r i t h m e t i c st oi m p l e m e n tc o l o r s p a c ec o n v e r s i o na n dg r a p h i cp i x e ls u b s a m p l i n gt r a n s f o r m a t i o n a st ot h ei p r e u s e d t e c h n o l o g y , g r a p h i ce n g i n em u s tt h i n ko v e rt h ep r o b l e mo fb u si n t e r f a c ei no r d e r t ob e i n t e g r a t e di n t ot h ev i d e od e c o d e rs o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，s ot h et h e s i sm a k ei ta n o t h e r k e yp o i n t t h et h e s i sw i l lg i v ead e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h ea h b b u sp r o t o c o la n dt h e i n t e r f a c ed e s i g nm e t h o d s t h e s et w oi m p o r t a n tm o d u l e s ：c o l o rp r o c e s s i n gm o d u l ea n d b u si n t e r f a c e ，a r ed e s c r i b e db yv e r i l o gh d li nt h ed e s i g n t o o l so fe d a ，s u c ha s m o d e l s i m ，n ca n ds oo n ，a r em a d eu s eo ft op e r f o r mt h ec o m p i l i n go fr t l c o d ea n d f u n c t i o nv e r i f i c a t i o n f i n a l l y , i nt h eo v e r a l lt e s t ，v e r i f i c a t i o np l a t f o r mi si n t r o d u c e d ， a n ds o m es i m u l a t i o nw a v e f o r m so ft y p i c a ld a t ap a t h sa r eg a v et op r o v et h ec o r r e c t n e s s o ft h ed e s i g n t h i sg r a p h i ce n g i n eh a st h ef e a t u r e so fs i m p l eh a r d w a r es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，h i 【g h p o r t a b i l i t y , e a s yt om o d i f i c a t i o n ，a n ds oo n i t sa l li n t e g r a t e dr u c t i o ni p , a n dc a nb e r e f e r e da sg r a p h i cp r o c e s s o rf o rm a n ym u l t i - m e d i as o c k e y w o r dg r a p h i ce n g i n e ；c o l o rp r o c e s s i n gm o d u l e ；a h bb u si n t e r f a c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲酶陋眺业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的 复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲殛丕q 导师签名： 日期2 里拿：， 第一章绪论 詈皇曼皇曼皇量皇舅鼍i n n e l i i 一, 量曼曼曼璺曼曼鼻曼量皇皇曼曼曼曼曼曼舅量皇曼皇量皇曼邑曼葛皇鲁舅量量量曼曼量皇鲁曼葛量量量曼 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 我国数字电视机顶盒技术发展概况 我国从2 0 世纪9 0 年代末启动数字电视。2 0 0 4 年我国开始全面推进有线电 视从模拟向数字整体转换，在2 0 0 5 年开展数字卫星直播业务，计划在2 0 0 8 年全 面推广地面数字电视，2 0 1 5 年关闭模拟电视网络。 以有线数字电视机顶盒为例，2 0 0 4 年中国内地有线数字机顶盒的销售量仅 8 1 万台，而到2 0 0 5 年这一数字就猛增到3 6 8 1 万台。2 0 0 6 年，中国有线电视 数字化的整体平移的速度进一步加快，这一年中国有线数字机顶盒的销量达到了 6 9 7 9 万台，中国生产的机顶盒内销比重上升到4 0 ，有线机项盒占据9 0 的中 国机顶盒市场乜1 。根据( ( 2 0 0 8 2 0 0 9 年中国数字电视机顶盒市场研究年度报告， 随着数字化进程的加快，中国数字电视产业特别是有线数字电视进入快速发展 期。2 0 0 8 年，中国机顶盒市场销量迎来长足发展，全年中国市场共销售机顶盒 2 2 2 4 1 万台，同比增长了6 8 6 。经过4 年的快速发展，中国有线数字电视用户 已经超过了4 5 0 0 万，2 0 0 8 年底用户数为4 5 5 2 7 万户。然而，相较于近1 5 亿 户的有线用户规模，有线数字电视整体平移的工作还任重道远，中国有足够大的 用户基础支撑有线机顶盒在未来的4 - 5 年保持2 0 0 0 万的量级。同时，一户多机 的比例也在逐年的上升，这也将带来部分的销量增长动力 。 1 1 2 图形处理芯片的发展及其在数字电视机顶盒中的应用 在最近的几年里，实时图形技术特别是交互式图形技术得到了飞速的发展， 从硬件的角度上来讲，计算机图形加速卡的发展速度大大的超过计算机其他硬件 的发展速度，从1 9 9 9 年n v i d i a 公司推出第一款具有3 d 图形加速功能的 g e f o r c e 2 5 6 图形芯片，到2 0 0 5 年推出的具有强大的图形管道可编程能力的 g e f o r c e 7 系列的图形芯片，图形芯片己经发展了4 代：而在这期间，英特尔公司 的中央处理器芯片的发展仅仅从p e n t i u m l i i 发展到p e n t i u m l v ，其发展速度显然 无法和图形芯片相比较。 随着消费类电子中嵌入式设备对图像处理的需求逐步加大，许多公司都开发 了专门的图形处理芯片，如富士通( f u j i t s u ) 推出全新大规模集成电路图像处理 芯片m b 9 1 6 8 0 a t h l ，三洋( s a n y o ) 的图形显示处理器芯片l c 7 8 7 1 1 e ，飞利浦 北京】：、l p 人了i 字坝十学 i l ，论文 ( p h i l i p s ) 的用于从r g b 至i j t f t 格式转换的图形引擎芯片s a a 6 7 2 1 e 碡1 。 与p c 或游戏引擎中的图形引擎相比，数字电视中的图形处理器的性能要求 及实现难度有所降低，不需要完成非常复杂的图形生成，如果使用单独的图形处 理芯片，性能可以很好，但考虑到成本和需求因素，现在市场上很多公司采用 的是在机顶盒单片解决方案或解码系统中集成图形引擎来完成图形处理的功能。 比如s t 公司的用于h 2 6 4 a v c 和m p e g 2 的低成本高清数字电视( m t v ) 机顶盒译码器s t i 7 1 0 0 ，包含一个2 d 图形加速引擎，能够混叠两个图像层和一 个光标层，一个双端口的显示合成器用于输出混叠图像与视频后的数据流h 1 ；东 芝公司的t c 9 0 4 0 7 x b g 单片解决方案有多个引擎，其中就包括图形引擎，能对多 媒体进行计算，以减轻主c p u 的任务，使其更有效地对数字电视( d t v ) 应用进 行系统管理随1 ；n x p 的t v 5 2 0 8 x 系统采用p n x 5 0 5 x 图像质量伴侣i c ，提供了 h d 影像抖动消除和运动补偿扫描速率转换功能，从而实现了运动伪影减小等旧1 。 如上所述，考虑成本与需求因素，我们在设计标清数字电视( s d t v ) m p e g 2 解码系统中拟采用集成在解码芯片的二维图形引擎来完成图像处理功能。 1 1 3s o c 技术及a m b a 总线在s o c 系统中的发展现状 本设计是l v i p e g 2 解码芯片的一部分，此解码芯片可以被称为s o c ，下面对 s o c 技术做简单的说明： s o c ( s y s t e mo nc h i p 片上系统) ，意指一个有专用目标的集成电路，其中包 含完整系统并有嵌入软件的全部内容。s o c 也有译为”系统芯片集成”，意指它是 一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软、硬件划分，并完成设计的整个 过程。 从第一块集成电路( i c ) ( 1 9 5 9 年美国t i 公司) 发明以后，集成电路工艺技术 的发展表现在两个方面：一是沿硅片横向和垂直硅片纵向加工精度的提高；二是 芯片面积的扩大迅速增长。可以说微电子的加工技术已经达到可以在硅片上制作 出电子系统需要的所有部件，包括各种有源和无源的元器件、互连线，甚至机械 部件。因此，已经具备了由集成电路( i c ) 向系统集成( i s ) 发展的条件u 引。 在工艺能力提高的同时，i c 的设计能力也在不断提高，由于新的e d a 工具 不断出现，使得i c 设计能力大约每1 0 年出现一次阶跃式的提高，有效地缩小了 与工艺能力的差距。同时，i c 产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术 集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成。电子系统追求的目标之一就是最 大限度地简化电路设计，达到整体产品系统的可靠性、精度、稳定等品质指标。 s o c 将电路系统设计的可靠性、低功耗等都考虑在i c 设计之中，把过去许多需 要系统设计解决的问题集中在i c 设计中解决，使系统工程师可以将精力集中在 研究对象领域中的诸问题。s o c 理所当然成为微电子领域i c 设计的最终目标和 第一章绪论 现代电子系统的最佳选择。 从上可知，无论从i c 工艺条件还是设计能力以及产业需求来说，都已将s o c 推到了技术发展的前沿。 s o c 设计的一个重要特点是基于i p 核的复用，解决众多i p 核的复用问题需 要一个快速的连接方案，由此产生了片上总线o c b ( o n c h i pb u s ) 技术。片上 总线可以使i p 的接口标准化，从而有利于i p 核的移植和复用，有利于s o c 的平 台化设计。目前的片上总线没有统一的标准，各大i p 提供商先后推出了自己的 总线标准。目前，业界采用比较多的标准化、开放化的总线方案包括：i b m 公司 的c o r e c o n n e c t 、a r m 的a m b a 和s i l i c o r e 公司的w i s h b o n e ，o c p 。i p 的o c p 总线等1 2 1 。 其中，由a r m 公司推出的a m b a ( a d v a n c e dm i c r o p r o c e s s o r sb u sa r c h i t e c t u r e ) 片上总线架构由于其本身的高性能以及删核的广泛应用，成为了一种流行的 片上总线结构。大多数第三方i p 厂商提供的功能模块的接口都支持a m b a 总线 协议。a m b a 总线规范独立于处理器和制造工艺技术，增强了各种应用中的外 设和系统宏单元的可重用性，典型的基于a m b a 的s o c 核心部分如图1 - 1 所 示1 制。 图卜1 典型的a m b a - a h b 系统结构 f i g 1 1at y p i c a la m b as y s t e m 1 2 数字电视图形引擎发展研究概况及课题来源 每台数字电视里大约有5 - 7 颗主要芯片，包括数字信号调谐、数字信号解调、 m p e g 解码、后段图像处理和内存。这些芯片可以全部位于数字电视机里( 数字电 视一体机) ，也可以分别位于数字电视机项盒和电视机中，。 在数字电视接收机或机顶盒( s t b ) 发展初期，由于技术和a s i c 实现上的 不成熟，存在着很多局限性，其中就包括用户界面不友好。交互式数据业务要 求用户接口易用且直观，但由于缺乏专门的图形处理器而导致了d t v 解码器较差 的用户界面。此外，各种应用程序在解码器上运行缓慢，显示的图像质量很差， 而且闪烁的图像也令人难以接受。s t b 中的m p e g 2 芯片可以采用嵌入式o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y 屏幕显示) 处理器来处理文本和图像，然而o s d 处理器却 没有图像加速功能，没有防抖动电路，并且只支持每像素4 到8 位的图形格式。 为适应市场需求，解决上述局限性，将图形处理芯片应用于数字电视机项 北京工、l k 人辱：t 学硕十学f 汀论文 曼曼曼皇曼皇曼皇舅皇鲁喜鲁量鲁量曼皇曼皇曼皇曼皇曼曼曼皇鼍i 一 ； i 喜量鲁曼曼量邑皇曼曼皇曼曼曼曼曼量量詈曼皇曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼邑 盒，开发新一代的数字电视接收机成为新的发展方向。目前，国外生产的机项 盒芯片中很多都集成了2 d 3 d 图形引擎，而国内还只是少部分产品集成了性能良 好的图形引擎。为了在新一轮的市场竞争中迎头赶上，权衡时间、成本和功能三 个因素，本论文采用在机顶盒解码系统中集成二维图形引擎来完成图形处理功能 的流行方案，研究设计二维图形引擎，这样既能满足标清数字电视的图形处理的 基本功能，又能降低开发成本，缩短开发周期。在将来开发高清数字电视解码芯 片的时候，可考虑将本设计升级为2 d 3 d 图形引擎。 北京市嵌入式系统重点实验室自成立以来，就致力于多媒体和无线通信领域 芯片的研究和设计。本实验室在数字电视领域已经成功开发出基于欧洲数字电视 标准的信道解调芯片，所以研究信源解码s o c 的设计对于将来提供一个整体的 机顶盒解决方案或者是解调解码单芯片解决方案都将具有非常重要的意义。本论 文的设计正是s d t vm p e g 2 解码芯片一b t v 3 0 0 0 中集成的图形引擎部分，它使 得解码芯片具备基本的图像处理功能而不需要增加额外的图像处理芯片，从而节 约了开发成本、缩短了开发周期，b t v 3 0 0 0m p e g 2 解码系统框架及图形引擎的 位置如图1 - 2 所示。实验室具备a r m 处理器核授权，通过s o c 设计方法学研究 和分析基于a r m 核和a m b a 环境的数字电视信源解码s o c 及其功能i p 图形引 擎的设计，对于实验室的教学和科研也都具有很重要的理论研究意义和现实参考 价值。 图1 - 2b t v 3 0 0 0s d t vm p e g - 2 解码系统 f i g 1 - 2b t v 3 0 0 0s d t vm p e g - 2d e c o d e rs y s t e m 第一+ 章绪论 1 3 研究意义 本论文将介绍用于标清数字电视的二维图形引擎。该图形引擎可以为数字电 视机顶盒系统，d v d 解码系统提供有力的图形处理支持：提供数字电视解码芯 片中图形处理部分或o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 的设计思路，当然对其它多媒体 s o c 中的图形处理模块也有参考价值；在将来开发高清数字电视解码芯片的时 候，可进一步将本设计升级为3 d 图形引擎。 针对r g b 和y u v 格式数据在数字媒体中的重要性及y c r c b 格式易于数字 处理的特点，论文重点分析了颜色处理模块的硬件设计与实现。该模块可以作为 独立的i p 模块应用于其它视频设计中。 由于本设计是m p e g 2 解码s o c 芯片的一个i p 核，片上总线是论文必须考 虑的又一个重要内容。基于前面的分析，本设计采用的是a r m 公司的a m b a 2 0 a h b 总线架构，论文中将详细介绍a h b 总线接口模块的设计与实现，它使得图 形引擎成为真正有意义的可复用的i p 核，不仅能用于当前所在的m p e g 2 解码 芯片并且可以移植到其它需要的地方。另外，该接口模块的实现方法还为h b 接口转换设计提供很好的现实参考价值。 1 4 本文工作及结构 本文主要讨论数字电视机顶盒中的图形引擎的设计与实现问题，章节安排顺 序如下： 第一章介绍论文的研究背景和技术发展概况。主要介绍了数字电视机项盒技 术的发展概况、图形处理芯片的发展及其在数字电视机项盒中的应用、s o c 技术 的发展概况及a h b 总线在s o c 系统中的重要作用，并阐述了课题来源及研究意 义。 第二章介绍论文的研究目标，主要介绍图形引擎的主要结构及其功能，重点 介绍其中的图形处理模块。 第三章介绍图形引擎的重点内容之一：颜色处理模块，分析其中各子模块的 设计思路，并给出相应的仿真结果。该部分能够作为独立i p 模块应用于其它视 频设计中。 第四章主要结合s o c 中i p 核的复用技术，首先介绍了a h b 总线的相关知识， 之后重点分析了a h b 总线接口模块的设计思路并给出相应的仿真结果。 第五章介绍了图形引擎系统的软硬件协同验证问题。首先介绍了m e n t o r 的 s e a m l e s s 软硬件仿真平台，并基于此平台提出了图形引擎的软硬件协同验证方 法。通过功能仿真验证了集成的图形引擎系统的正确性。 北京。i ：q p 大学工学硕士学伊论文 第2 章图形引擎介绍 2 1 图形引擎的整体结构 图形引擎主要完成的功能是：从外部存储器d d r ( d o u b l ed a t ar a t e ) s d r a m 中读入各种格式的图形数据，转化成通用的y c r c b 格式，再实现拉伸 或压缩，之后混叠多个图形层作为处理后的静态图层，最后，该图形数据流与视 频解码器输出的信源解码后的视频数据流在图形混合模块中完成一定算法的混 合。 由上所述，图形引擎主要由两部分组成：图形处理模块g p m ( g r a p h i c s p r o c e s s i n gm o d u l e ) 和图形混合模块g m m ( g r a p h i c sm i x i n gm o d u l e ) ，如图2 一l 所 示。 阵储控制器k 刊d d r 霈刻号黜载f | 裂t 忙回惰鬻加裁| | ( 4 层)l 至载| 【。f 矧形 形 图形处理模块 ( g p m ) u 里u 图2 - 1 图形引擎系统结构图 f i g 2 - 1s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f g r a p h i ce n g i n e 图形处理模块g p m 是整个图形引擎的核心，它主要完成对静态图形的各种 编辑操作及4 层静态图形层的混合。静态图形通常存放在片外存储器d d r 中， 图形引擎会向存储控制器发出申请来读取这些图形数据，然后在g p m 中进行静 态图形层的处理。 图形混合模块g m m 负责把经g p m 混合后的静态图形和动态的视频图形进 行混合，最终以隔行或者逐行的形式输出，并产生显示所需的与i t u r b t 6 5 6 兼 容的光栅及时序信号。由于静态图形数据路径和视频数据路径是相互独立的，所 以整个g p m 的处理速度可以不受视频数据率的限制，可以提高g p m 的处理速 度。 垡些 b b l 形合块槲 一 (j 图混模孙 跚帮哟i 第2 章冈形引警介绍 2 2 图形处理模块介绍 图形处理模块g p m 完成对图形像素点的逻辑操作，颜色格式的处理，0 【混 合预处理，垂直、水平滤波以及静态图形层的混合处理，其结构如图2 - 2 所示。 卅匾匦巫卜 二亘 入 存储总线接【j 模块 巡竺 d m a f i f 0 图形处理控制器 1 写回 f 酊不书 滤波器| 二工二 静态图形t 混合器【 系统总线接口模块 图2 - 2 图形处理模块结构图 f i g 2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo fg l a p h i cp r o c e s s i n gm o d u l e 下面简要说明各模块的设计方法和功能。 2 2 1d m aflf 0 d m a ( d i r e c t i v em e m o r ya c c e s s ) f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 由f i f o 和对应 的控制逻辑组成，它从存储总线顺序读取需要处理并显示的图形像素数据送到后 面的功能模块。该d m a 包含两条通道( c h a n n e l ) ，可轮流工作，用来支持后面 垂直滤波器的多行模式。 2 2 2 颜色处理模块 颜色处理模块能够识别多种不同的图形像素格式，工作在r g b 模式或 模式。它首先将d m af i f o 传送来的数据根据模式的不同分别格式化成3 2 比特 a r g b 、3 2 比特的0 【y c r c b 或1 6 比特的a y c 格式( a 代表灰度) ；再经过颜色空 间转换算法将a r g b 变换到a y c r c b 空间，或利用插值算法将a y c 格式变换成 a y c r c b , 最后输出通用的a y c r c b 格式。它是整个图形引擎功能的核心模块之 一，其设计将在第三章介绍。 2 2 3 q 预处理 伐预处理模块的输入为3 2 比特a y c r c b ，它将y ， 乘，以便于后面的滤波器及静态图形混合器直接利用， 间的变换公式为： o u t = ( 1 一口) 木i n c r ，c b 部分分别与a 相 其输出o u t 与输入i n 之 ( 2 - 1 ) 北京t 、渺大学工。硕十学f ? ，论文 该模块要工作在全速状态，即y ，c r ，c b 同时处理，所以共用到3 个8 x 8 的乘法器。 2 2 4 垂直滤波器 垂直滤波器通过线性内插滤波器实现像素点的拉伸，可实现视图的整数倍放 大。它是在图形处理控制器的控制下，按1 6 4 的分辨率把任意行的像素混合起 来，可以很好的防止画面闪烁。而且对于视窗的边缘行( 顶部和底部) ，垂直滤波 器也会将其和预设的透明行进行混合( y = c = o ，a - - t r a n s p a r e n t ) ，这样可以保证画 面边缘的流畅性。 内插滤波器结构如图2 - 3 所示，对于0 【、y 、c r 和c b 每个元素都必须单独 处理，即共需要四个滤波器。硬件实现时，乘法器的两个输入均为8 比特，其中 系数为有符号数，亮度像素输入为无符号数，而色度像素输入为有符号数。加法 器的输出通过移位实现除法操作，再经过截位变成8 比特位宽。 图2 - 3 对应于一个元素的垂直滤波器 f i g 2 - 3v e r t i c a lf i l t e rf o ro n ec o m p o n e n t 垂直拉伸处理后，再通过一个2 阶滤波器来完成防闪烁功能，这里不作详细 介绍。 2 2 5 水平滤波器 如图2 4 所示，水平滤波器是通过一个2 阶8 相的插值滤波器完成可配参数 的水平拉伸。该拉伸参数通过图像处理控制器配置，取值为1 8 的倍数，范围在 1 ：1 到8 ：1 之间，使得图像视窗能够动态改变大小。 p i x e l _ i n v a l i di n h a l to u t 图2 - 4 水平滤波器的结构 f i g 2 - 4b l o c kd i a g r a mo f h o r i z o n t a lf i l t e r - 8 - lo u t 第2 罩l 引形弓i 擎介绍 滤波器的输入为p i x e ! i n ，在v a l i di n 为高时有效，由于要进行插值运算， 所以通过输出h a l to u t 来控制输入数据的频率。其中两个寄存器中分别存储当前 输入数据c u r r e n t和前一个输入数据 ，它们乘上各自的系数后_ p i x e l p r e v i o u sp i x e l 再相加得到最终的输出p i x e lo u t 。具体的插值算法流程如图2 - 5 所示。 图2 5 水平滤波器的算法流程图 f i g 2 - 5a l g o r i t h mf l o wf o rh o r i z o n t a lf i l t e r 在初始化时，根据拉伸倍数，令c o u n t e r 为每8 个输入数据所对应的输出数据 个数；e x t e n d 为每8 个输入数据所扩展的输出数据个数，即c o u n t e r - 8 ；余数 r e m a i n d e r 等于0 。采样输入数据并移位表示将c u r r e n tp i x e l 移位赋给p r e v i o u s p i x e l ，p i x e li n 移位赋给c u r r e n tp i x e l 。然后循环操作c o u n t e r 次，共输出c o u n t e r 个数，而只需要输入8 个数，每个c o u n t e r 循环中，都要计算系数c o e f l 和c o e f 2 ，并 根据系数和寄存器值输出p i x e lo u t 。 水平滤波器算法的关键部分是系数的计算，根据系数计算算法的不同，决定 了水平滤波器有两种工作模式：普通模式和平滑模式。 在普通模式时，图2 - 4 中的系数c o e f l 可表示如下： c o e f l = ( r e m a i n d e r = e x t e n d ) ? ( r e m a i n d e r e x t e n d ) 8 ：0 此时滤波器通过分数插值来实现像素的拉伸，原理就像面积扩展一样，以水 拉伸后 像素点 1 8 s o +) 8 s 1 +3 奎s 2 +4 8 台3 +5 8 s , i +6 8 s 5 7 8 s 6 + 7 8 s l ：6 8 s 2 5 1 8 s 34 日$ 4 3 8 $ 2 8 s 6 1 1 8 s 7 s 7 ： ： ： 图2 - 6 普通模式下的9 8 倍拉伸算法 f i g 2 - 6h o r i z o n t a ls t r e t c h i n gb y9 8w i t ht h en o r m a la l g o r i t h m 在平滑模式时，图2 - 4 中的系数c o e f l 可表示如下： c o e f l = ( i n t ) ( 8 0 母r e m a i n d e r ( e x t e n d + 8 ) + 0 5 ) 8 此时滤波器通过线性插值来实现像素的拉伸，原理是把像素都看成单独的 点。硬件实现时，为了避免除法器的使用，根据e x t e n d 的范围采用共有九种可 北京d u ，人学工学硕十学 一论文 能情况的较小查找表来完成除法运算，从而达到硬件实现的简化。同样，以水平 拉伸参数等于9 1 8 为例，算法可表示如图2 - 7 所示，其中上半部分为准确值，下 半部分为截位后精度变低的值。 原像素点 拉伸后 像素点 s os ls 2s 3s 4s 5s 6s 7 l 9 s o +如g s l +3 b s 2 +4 9 3 +5 9 s , i +6 9 s 5 _ 7 9 s 6 +8 ，9 s 7 + s o8 ，9 s l , 9 s 2 6 9 s 3 s e l s 4 4 9 $ 3 9 s 6 ： 2 9 s 7l 9 s 8 4 -4- 一 4 - 一 一一s o1 8 s o +8 s i +3 屈s 2 +4 8 3 +4 8 s +s s s 5 4 6 ，8 s 6 +7 8 s 7 + 7 8 s i5 6 8 s 2 5 8 s 3 4 g s 44 8 $ 3 8 s 6 ： 2 8 s 71 8 s 8 ： ! 图2 - 7 平滑模式下的9 8 倍拉伸算法 f i g 2 - 7h o r i z o n t a ls t r e t c h i n gb y9 8w i t ht h es m o o t ha l g o r i t h m 这两种模式计算结果的差别随放大倍数的增大而变大。当图像放大系数较大 时，用平滑模式的算法可以使画面看起来变化更加平滑连贯。 2 2 6 静态图形混合器 静态图形混合器是整个图形引擎的又一核心部分，其作用是将几层静态图像 按照一定的算法混合成一层视图。它把几幅图形窗口的行像素按a l p h a ( 旺) 值 进行混合叠加，并将结果存储到内部行缓冲器里。 a l p h a 混合是两层画面相互叠加时很常用的一种方法。假设图层1 的信号为 g r a p h i c l _ d a t a ，图层2 的信号为g r a p h i c 2 _ d a t a ，混合后的信号为b l e n d _ g r a p h i c _ d a t a ， 则 b l e n d _ g r a p h i c _ d a t a = t m p 木g r a p h i c l _ d a t a + ( 1 - t m p ) 宰g r a p h i c 2 _ d a t a ，o0 、 t m p a 0 ，1 】 。“ 其中t m p 是调整参数，考虑将调整参数划分为2 5 6 级可调，区间归一化到 【0 , 2 5 5 1 中的整数。因此将式( 2 - 2 ) 调整如下： b l e n d _ g r a p h i c _ d a t a = ( a l p h a 枣g r a p h i c l _ d a t a + ( 2 5 6 - a l p h a ) 木g r a p h i c 2 _ d a t a ) 2 5 6 t o a l p h a 【0 , 2 5 5 】 、口u 其中a l p h a 是调整参数，等于0 时是g r a p h i c 2 _ d a t a 画面完全覆盖 g r a p h i c l _ d a t a ，等于2 5 5 时可近似看成g r a p h i c 2 _ d a t a 画面全透h 引。 静态图形混合器内有3 个行缓冲器，可以轮流工作，某个行缓冲器被用来进 行图形绘制的时候，另外的行缓冲器则可用来输出像素点。每个行缓冲器的数据 都可以输出到隔行端口或逐行端口，或者同时输出到隔行逐行端口，也可以写回 第2 帚罔形0 l 擎介纠 外部存储器d d r 中( 写回模式) 。所以，如图2 - 8 所示，静态图形混合器混合后 的图层数据共有四种用途：作为隔行输出或逐行输出到图形混合模块；作为混合 后的最终图形数据通过存储总线写回到外部存储器；返回到输入端口继续混合新 的图层。所有的行缓冲器都采用单端的r a m 实现，彼此完全等同。这样做虽然会 使得行缓冲器成为整个图形引擎中面积开销较大的单元，但采用这种方法却可以 简化其他模块的设计，避免采用复杂的流水线结构，也减小了数据通路和控制路 径上的寄存器开销。 4 ：4 ：4 数据 隔行输出 逐行输出一 写回到存储器 的数据 下采样 图形混合 模块接口 几习 l 二一 p r o g _ o u t i 一 行缓冲器接口 混叠数据通路 行缓冲器组 司 一 l b u f ll 一 l b u f 2l 图2 - 8 静态图形混合器结构图 f i g 2 - 8s t a t i cg r a p h i cc o m p o s i t e rb l o c kd i a g r a m 2 2 7 图形处理控制器 图形处理控制器是图形引擎数据通路的控制模块，上述各模块的运作均是在 它的控制下进行的。c p u 在起始时刻配置好微代码，然后令图形处理控制器进 行命令加载，从外部存储器d d r 中载入控制微代码，通过解析这些微代码完成 控制功能。这样设计可以使得图形的处理及显示都由图形处理控制器控制，减少 c p u 的实时干涉从而减轻它的负担。 c p u 可以提前配置好4 组微代码程序存在外部存储器中，图形处理控制器每 次将一组微代码读入到其内部指令f i f o 中，然后通过执行这些指令完成对图形 数据流的控制，当需要另一种配置参数时，就读入新一组微代码。图形处理控制 器可以顺序的读取这4 组微代码程序到指令f i f o 中，所以更换设置时可以连续 进行而不需要c p u 每次都重新配置，减少了等待时间。 微代码均为3 2 比特，和通常指令一样，包含操作符和操作数，其中高4 比 特为操作符，低2 8 比特为一个或多个操作数。主要的微代码格式设计如表2 - 1 所示： 北京1 ：、f p 大学工学硕f 。学伊论