（控制理论与控制工程专业论文）基于dvi协议动态全彩led大屏幕发送卡设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息时代的到来，计算机多媒体技术得到了迅猛发展。网络技术的普遍应用， 大到指挥监控中心，小到视频会议，都需要获得大画面、多彩色、高亮度、高分辨率的 显示效果，而传统的c r t 显示器很难满足人们这方面的要求。近些年来迅速发展的l e d 大屏幕显示技术成为解决彩色大画面显示的有效途径。其市场因需求的增长而日渐活 跃，应用范围也进一步拓展。 l e d 大屏幕显示技术集成了光电、计算机以及控制等技术，主要由显示屏、一块发 送卡、若干块接收卡以及控制显示的计算机四个部分组成。当需要用l e d 大屏幕实现 实时动态全彩显示时，对显示屏发送卡处理和传输数据的性能要求会变得很高。现有产 品均采用价格比较昂贵的器件来实现，这样使得l e d 大屏幕系统成本无法降低，从而 限制了其使用范围。如何降低成本、提高器件的使用效率便成为推广这项技术一个亟待 解决的问题。 本文首先对d v i 协议和e d a 设计进行分析，探讨了d v i 协议特点和e d a 的设计 流程。通过对发送卡的数据传输速度和传输的数据量的深入研究，给出了基于d v i 协议 的l e d 大屏幕发送卡的实现方案。由于需要实时动态的显示，这样就需要发送卡传输 速率比较高，而且传输的数据量也比较大，因此选用f p g a 来实现发送卡与计算机，发 送卡与接收卡的高速的信息通讯。通过对以太网，d v i 接口，p c 机串口，s d r a m 的 控制时序分析，将发送卡功能进行模块化，用硬件描述语言v h d l 来进行实现。通过优 化设计提高f p g a 工作频率，使发送卡在内部资源相对比较少的低成本f p g a 上运行速 度达到1 3 3 m h z ，在保证高效率数据传输的基础上有效地降低了系统成本。本设计完成 了从f p g a 功能模块设计到f p g a 内部速度与资源优化，提高f p g a 的使用效率，生成 文件下载到实物。与接收卡的实验室传输显示测试，表明了本设计方案的可行性和有效 性 关键词：l e d 大屏幕；f p g a ；d v i 接口；e d a 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft r a n s m i t t i n gc a r df o rc o l o r f u la n d d y n a m i cl e dl a r g es c r e e nd i s p l a yb a s e do nd v ip r o t o c o l a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to f t h ei n f o r m a t i o na g e ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y i n m a n yo c c a s i o n s ，s u c ha st h eu n i v e r s a la p p l i c a t i o no fn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h ec o m m a n d c o n t r o lc e n t e r s ，t h ev i d e om e e t i n g s ，w eh a v em o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t st ol a r g es c r e e n , m u l t i c o l o r , h i g hb r i g h t n e s s ，a n dh i g hr e s o l u t i o nd i s p l a y b u tt r a d i t i o n a lc r t m o n i t o r sa l e d i f f i c u l tt om e e ts u c hd e m a n d s i nr e c e n ty e a r s ，t h ef a s td e v e l o p i n gl a r g 渊r e a nd i s p l a y t e c h n o l o g yi sr e a l l ya ne f f e c t i v em e a n st om a n a g el a r g ec o l o r f u lp i c t u r e s ，a n di th a se x t e n s i v e s c o p eo fa p p l i c a t i o n s c o n s e q u e n t l yi t sm a r k e tb e c o m e sm o r ea n dm o r ea c t i v eb e c a u s eo f t h e i n c r e a s i n gd e m a n d s t h et e c h n o l o g yo fl e dd i s p l a y i n t e g r a t e s t h e o p t o e l e e t r o n i c s ，c o m p u t e r a n d c o m p u t e r i z e dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，a n di t i sm a d el 】po ff o u rc o m p o n e n t sw h i c ha r cd i s p l a y 剐$ r e e n ，at r a n s m i t t i n gc a r d ，s e v e r a lr e c e i v i n gc a r d sa n dt h ec o m p u t e rf o rc o n t r o ld i s p l a y w h e nl e dl a r g e s c r e e nn e e d sc o l o r f u la n dd y n a m i cd i s p l a ya tr e a lt i m e ，t h et r a n s m i t t m g c a r d sm u s tp r o c e s sm u c hm o r ed a t aw i t hh i g h e re f f i c i e n c y a v a i l a b l ep r o d u c t su s u a l l y a c h i e v ei m p r o v e dp e r f o r m a n c eb ya d o p t i n gd e v i c e sw i t hr e l a t i v e l yh i g hp r i c e ，w h i c h i n e v i t a b l yi n c r e a s es y s t e mc o s t a n dt h u sr e s t r i c t st h ea p p l i c a t i o no fl e dl a r g es c r e e n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt of i n daw a y t or e d u c ec o s t sa n di m p r o v ee f f i c i e n c yo f t h ed e v i c e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d v ip r o t o c o la n de d a d e s i g na r ei n t r o d u c e df i r s tw i t ha n a l y s i so n t h ec h a r a c t e ro ft h ed v ip r o t o c o la n dt h ef l o wo fe d ad e s i g n t h e nat r a n s m i t t i n gc a r d d e s i g ns c h e m eo fl e dl a r g es o l e c ui sp r o p o s e da f t e rd e e p l yr e s e a r c ho nd a t al o a da n ds p e e d o f t h et r a n s m i t t i n gc a r d b e c a u s eo f l e dl a r g e - s c r e e nd i s p l a yc o l o r f u lc o n t e n td y n a m i c a l l ya t ar e a lt i m e t h et r a n s m i t t i n gc a r dm u s tw o r k 谢t 1 1h e a v yd a t al o a dw i t l l1 l i g hb a u dr a t e w e s e l e c tf p g aw h i c ha c c o u n t sf o ra c h i e v i n gt h et o ps p e e df o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e t r a n s m i t t i n gc a r da n dr e c e i v i n gc a r d s ，t h et r a n s m i t t i n gc a r da n dt h ec o m p u t e r t h r o u g ht h e t i m ea n a l y s i so fe t h e m e t 、d v ii n t e r f a c e 、s e r i a li n t e r f a c ea n ds d r a m f u n c t i o nb l o c k sa c l a s s i f i e da n df i n a l l yc o d e dw i t hh a r d w a r ed e s e r i p t i o nl a n g u a g ev i - i d l 1 1 c o d ei s o p t i m i z e df o ri n c r e a s i n gw o r k 丘e q u e n c ys ot h a tt h ec o s t - o r i e n t e df p g a c a nr u na tt h e1 3 3 m h z 、v i t l lm u c hl e s si n - c h i pr e s o u r c e s t h u sh i g hq i i a l i t yd a t at r a n s m i s s i o nc a nb eg u a r a n t e e d w i 血r e d u c e ds y s t e mc o s t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , d e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ef p g am o d u l e s t oi n c r e a s es p c c da n dd e c r e a s ei e , s o u r c e sa r ed i s c u s 蹦l , a n df i n a l l yi ti si m p l e m e n t e di na i i i 董王里塑塑堡垫查全墅! 婴堑壹垄鳖望生兰壅墨 p h y s i c a lf p g a l a b o r a t o r yt r a n s m i s s i o na n dd i s p l a yt e s ts h o w st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h i sd e s i g n k e yw o r d s ：l e dl a r g e - s c r e e n ；f p g a ；d v ip r o t o c o l ；e d a i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：么z 趔。日期：型2 ：! 三：歹 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：么z 挺 导师签名：型l 勉 型2 年上月丑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 现代社会已经迈入信息化时代，大量的信息通过“信息高速公路”传送着，图像是 人们感受信息的直接方式之一。研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中， 近2 3 的信息是通过眼睛获得的，而图像显示正是为人们提供各种各样重要信息的一个 窗口。进入2 l 世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应用于社会生活 的各个方面。 目前已经开发和应用的各类显示设备有：液晶显示器、等离子体显示器、场发射显 示器、真空荧光显示器、发光二极管( u d ) 等等。其中，l e d 作为一种新型的显示设备， 从一问世，就引起了世人的极大关注【i 】。 1 1l e d 显示屏概述 发光二极管( u d ) 是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件。七十年代，随着 半导体材料合成技术、单晶制造技术和p n 结形成技术的研究进展，发光二极管在发光 颜色、亮度等性能方面得以提高，并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，开始 出现平板显示产品，即l e d 显示屏1 2 】。 l e d 显示屏是一种新型的信息显示媒体，它是利用发光二极管点阵模块或像素单元 组成的平面式显示屏幕，以发光效率高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、组 态灵活、色彩丰富等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信 息显示领域得到了广泛的应用。随着计算机技术和半导体技术的发展，把计算机技术和 先进的半导体技术连接起来，使l e d 大屏幕显示系统成为集计算机控制技术、视频技 术、光电子技术、微电子技术、通信技术、数字图像处理技术为一体的显示设备。它己 成为既可以播放来自于计算机的动态视频信息，也可以播放来自存储设备的静态图像的 综合的多功能的大型显示设备。 l e d 显示屏的应用涉及到社会经济的许多领域，主要包括【3 】： ( 1 ) 机场、航班、港口、车站旅客引导信息显示。以l e d 显示屏为主体的信息系 统和广播系统、票务信息系统、列车通讯显示系统等共同构成客运枢纽的自动化系统。 ( 2 ) 证券交易、金融信息显示。在证券行情屏、银行汇率屏、利率屏等方面应用占 较大比例，是l e d 显示屏的主要需求行业。 ( 3 ) 邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。 基于d v i 协议动态全彩l e d 大屏幕旋i 抹设计与实现 ( 4 ) 道路交通信息显示i 】。随着智能交通系统的兴起，在城市交通、高速公路等领 域，l e d 显示屏作为可变情报板、限速标志等，都有了较大的发展，为最大限度地减少 交通事故、维护良好交通管理提供帮助。 ( 5 ) 高校教学管理信息发布显示。为学生、教师提供方便快捷的获取信息的手段为 最大限度地减少教学事故、维护良好教学管理提供帮助。 ( 6 ) 室外产品广告及信息发布。 1 2l e d 大屏幕的发展状况与趋势 1 2 ，1l 印大屏幕的发展状况 在使用l e d 技术设计和制造大尺寸显示屏幕这领域，s a e o s m a r t v i s i o n 公司处于 世界领先地位。该公司推出的l e d 显示屏采用数百万个分散的红、绿、蓝l e d 制造而 成；提供的分辨率和观察视角要远远好于任何一种投射或者层叠大尺寸显示器。该公司 为纽约时代广场制造的纳斯达克全彩屏最为闻名，这台超级显示屏面积为1 2 0 英尺9 0 英尺，由1 9 0 0 万只超高亮度的蓝、绿、红色l e d 组成，该屏不仅具有巨大的尺寸，而 且具有良好的分辨率和多功能性p 】。 在高亮度大屏幕视频显示技术方面，j u m b o t r o n 系统被公认为是世界的领先者。 j u m b o t r o n 的技术特点在于采用了独特的图像控制器，确保了图像的高清晰度。目前， 全世界有2 3 个国家在使用j u m b o t r o n 超大屏幕电子显示屏，总使用面积己超过1 4 0 0 0 平方米。 我国l e d 显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，国内的l e d 显示屏发展经 历了三个阶段i o j ： ( 1 ) 1 9 9 0 年以前l e d 显示屏的成长形成时期 一方面，受l e d 材料器件的限制，l e d 显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方 面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的l e d 显示屏在国外应用较广，国内没有广泛使用。 ( 2 ) 1 9 9 0 - 1 9 9 5 年，l e d 显示屏迅速发展的时期 进入9 0 年代后，国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，l e d 显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在l e d 显示屏的设计制造技术与应用水 平上都得到了迅速的提高。l e d 显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图像显示屏， 一直到全彩色视频显示屏的发展过程。无论在器件的性能( 超高亮度及蓝色发光灯等) 和 系统的组成( 计算机化的全动态显示系统) 等方面都取得了长足的进步 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 1 9 9 5 年以来，l e d 显示屏应用领域更为广阔 近年在全彩色l e d 显示屏、2 5 6 级灰度视频控制技术、多级群控技术等方面均有国 内先进、达到国际水平的技术和产品出现。我国l e d 显示屏的发展可以说基本上与世 界水平同步，至今己形成了一个具有相当发展潜力的产业。其中南京洛普股份有限公司 是专业从事大型公众信息显示屏的企业，产品已批量出口，并在本行业中获有较高的知 名度。 1 2 2l e d 大屏幕的发展趋势 目前l e d 电子显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀比、更 高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行，操作与维护也向集成化、网络化、 智能化方向发展。二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，l e d 显示屏作为平板显 示的主导产品之一将有更大的发展【7 1 ( 1 ) 高亮度、全彩化 蓝色及绿色超高亮度l e d 产品出现以来，成本逐年快速降低，使l e d 全彩色显示 屏产品成本下降，推广速度加快。同时，随着控制技术的发展和屏体稳定性的提高，使 全彩色l e d 显示屏的亮度、色彩、对比度均达到比较理想的效果，完全可以满足户外 全天候的环境条件要求。 ( 2 ) 标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后，l e d 显示屏的标准化和规范化将成为 l e d 显示屏发展的一个趋势。近几年，业内的几次价格的调整，产品的价格已经基本达 到稳定后，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对l e d 显示屏的 标准化和规范化有了较高的要求。行业规范和标准体系的形成，i s 0 9 0 0 0 系列标准的应 用，使l e d 显示屏行业的发展趋于有序。 ( 3 ) 产品结构多样化 随着信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，l e d 显示屏的应用前景更为广阔。预 计大型或超大型l e d 显示屏为主流产品的局面将会发生改变，适合于服务行业特点和 专业性要求的小型l e d 显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的l e d 显示屏产品门 类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、 停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小 型化的标准系统l e d 显示屏在l e d 显示屏市场总量中将会占有多数份额。 基于d v i 协议动态全彩l e d 大屏幕发送卡设计与实现 总之，在l e d 大屏幕材料研制方面单色、多色l e d 点阵模块产品己经很成熟， 目前的发展方向为全彩色l e d 显示屏；在产品方面，大屏幕朝标准化、大型化和小型 化的方向发展。 1 3 本课题的提出及意义 随着世界电子信息产业的快速发展，显示技术的不断进步和新技术的不断涌现，国 内的l e d 大屏幕显示市场的日益壮大成熟，l e d 大屏幕显示技术产业也得到越来越多 的关注。当前控制l e d 大屏幕的彩色大画面显示方法有很多，但当需要用l e d 大屏幕 实现实时动态全彩显示时，显示屏发送卡必须使用性能和价格都比较高的器件来实现， 这样使得l e d 大屏幕控制系统使用成本变高，从而大量限制l e d 大屏幕实时显示的使 用，如何降低成本、提高器件的使用效率嗍，实现l e d 大屏幕显示成为一个亟待解决的 问题。 1 4 本文工作 。 本文通过对p c 机显示系统的d v i 接口和e d a 设计进行了深入的研究给出了基 于f p g a 实现高速数据传输方案，并对f p g a 资源和速度进行了具体分析，充分提高了 f p g a 的使用效率，采用v h d l 语言对f p g a 编程，最终实现p c 机与l e d 大屏幕发 送卡的高速数据通信。 论文第一章介绍课题研究的背景及意义；第二章对d v i 接口协议和e d a 设计进行 了较深入的研究，分析了两部分特点及设计流程：第三章给出了l e d 大屏幕发送卡的 设计方案，可编程逻辑器件的选择，将发送卡按功能划分为6 个模块进行设计，对基于 f p g a 的l e d 大屏幕发送卡数据传输速度进行具体分析和设计；第四章介绍l e d 大屏 幕发送卡的具体实现；第五章介绍对发送卡功能进行测试及l e d 大屏幕的使用。最后 给出结论，并对后续工作进行了展望 大连理工大学硕士学位论文 2 e d a 设计与l e d 大屏幕关键技术研究 2 1 e d a 设计研究 2 1 1e d a 概述 e d a 是电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 的缩写，在2 0 世纪9 0 年代 初从计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助测试( c a t ) 和计算 机辅助工程( c a e ) 的概念发展而来的【9 l 。 2 0 世纪9 0 年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电 子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在 电子技术设计领域，可编程逻辑器件( 如c p l d 、f p g a ) 的应用，已得到广泛的普及， 这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬 件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这 一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了e d a 技术 的迅速发展l l “。 e d a 技术就是以计算机为工具，设计者在e d a 软件平台上，用硬件描述语言h d l 完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、 布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。e d a 技术的出现，极大地提高了电路设计的效率，减轻了设计者的劳动强度。 2 1 2e d a 发展及基本特征 电子设计技术的核心就是e d a 技术，e d a 是指以计算机为工作平台，融合应用电 子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子c a d 通用软件包，主要能 辅助进行三方面的设计工作，即i c 设计、电子电路设计和p c b 设计。e d a 技术已有 4 0 年的发展历程，大致可分为三个阶段。7 0 年代为计算机辅助设计( c a d ) 阶段，人们 开始用计算机辅助进行i c 版图编辑、p c b 布局布线，取代了手工操作。8 0 年代为计算 机辅助工程( c a e ) 阶段。与c a d 相比，c a e 除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了 电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设 计。c a e 的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，p c b 后 分析。9 0 年代为电子系统设计自动化( e d a ) 阶段。 e d a 代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它主要的基本特征是：设计人员 按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路 一5 一 基于d v i 协议动态全彩l e d 大屏幕发送卡设计与实现 用一片或几片专用集成电路( a s i c ) 实现，然后采用硬件描述语言( h d l ) 完成系统行为 级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次 的电子设计方法。下面介绍与e d a 基本特征有关的几个基本概念。 ( 1 ) “自顶向下”的设计方法：1 0 年前，电子设计的基本思路还是选用标准集成电 路“自底向上”的构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔， 不仅效率低、成本高而且容易出错。高层次设计是一种“自项向下”的全新设计方法， 这种设计方法首先从系统设计人手，在项层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框 图级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统级进行 验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷 电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有 利于早期发现结构设计上的错误，节省了工作时间，又减少了逻辑功能仿真的工作量， 提高了设计的一次成功率。 ( 2 ) a s i c 设计：现代电子产品的复杂度日益提高，一个电子系统可能由数万个中 小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解决这一问题的 有效方法就是采用a s i c 芯片进行设计。a s i c 按照设计方法的不同可分为全定制a s i c 、 半定制a s i c 和可编程逻辑器件。设计全定制a s i c 芯片时，设计时要定义芯片上所有 晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由厂家去进行制造，做出产品。这种 设计方法的优点是芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低，而缺 点是开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发】。 半定制a s i c 芯片的版图设计方法分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方 法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开 发时间。可编程逻辑芯片与上述全定制a s i c 的不同之处在于：设计人员完成版图设计 后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片，无须i c 厂家的参与，大大缩短了开发周期。 可编程逻辑器件自7 0 年代以来，经历了p a l 、g a l 、g p l d 、f p g a 几个发展阶段， 其中c p l d f p g a 高密度可编程逻辑器件【1 2 】，目前集成度己高达2 0 0 万门片，它将掩 模a s i c 集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特另适合 于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以 很容易地转由全定制a s i c 实现，因此开发风险大大的降低。上述a s i c 芯片，尤其是 a ，l d f p g a 器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体l ”】。 ( 3 ) 硬件描述语言：硬件描述语言( h d l ) 是一种用于设计硬件电子系统的计算机语 言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个3 2 位的加法器，利用图形 输入软件需要输入5 0 0 至1 0 0 0 个门，而利用v h d l 语言只需要书写一行“a - - b + c ” 即可。而且v h d l 语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如a b e l 、 h d l 、a h d l ，由不同的e d a 厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间 翻译工作要由人工完成。因此，急需一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的 标准硬件描述语言【1 ”。2 0 世纪8 0 年代后期，v h d l 和v e r i l o gh i ) l 语言适应了这种趋 势的要求，先后成为i e e e 标准。目前，l 和v e r i l o gi - i d l 是世界上最流行的两种 硬件描述语言。 v h d l 最初由美国国防部发起【1 习，1 9 8 7 年，i e e e 将其作为第一个工业标准版本公 布，其版本为v h d li e e e l 0 7 6 - 1 9 8 7 ，经过几年的修改和扩展，1 9 9 3 年i e e e 又公布了 v h d l 的新版本i e e e l 0 7 6 1 9 9 3 。在v h d l 被i e e e 作为工业标准之后，经过多番努力 推广，各种支持v h d l 语法的e d a 工具也越来越多，使得v h d l 应用也越来越成熟。 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级。寄存器传输级和逻辑门级 多个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此v h d l 几乎覆 盖了以往各种硬件语言的功能，整个自顶向下或由底向上的电路设计过程都可以用 v 瑚) l 来完成。d l 还具有以下优点： v h d l 的宽范围描述能力使它成为高层设计的核心，将设计人员的工作重心提 高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理层实现。 v h d l 可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑层设计。灵活且方便， 而且也便于设计结果的交流、保存和复用。 v h d l 的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。 d l 是一个标准语言，为众多的e d a 厂商支持，因此移植性好。 v o r i l o gh d l 就是在用用最广泛的c 语言的基础上发展起来的一种件描述语言，它 是由g d a ( g a t e w a y d e s i g n a u t o m a t i o n ) 公司的p h i l m o o r b y 在1 9 8 3 年末首创的，最初只 设计了一个仿真与验证工具，以后又陆续开发了相关的故障模拟与时序分析工具。1 9 8 5 年m o o r b y 推出它的第三个商用仿真器v e r i l o g - x l ，获得了巨大的成功，从而使得v e r i l o g h d l 迅速得到推广及应用。1 9 8 9 年c a d e n c e 公司收购了g d a 公司，使得v e r i l o gh d l 成为了该公司的独家专利。1 9 9 0 年c a d e n c e 公司公开发表了v e r i l o g h d l ，并成立l v i 组织以促进v e r i l o gh d l 成为i e e e 标准。 与v e r i l o g 比较v h d l 发展的较早，语法严格，而v e r i l o g 是在c 语言的基础上发 展起来的一种硬件描述语言，语法较自由。v h d l 语言语法规范、可读性好，v h d l 的 书写规则比v e r i l o g 烦琐一些，但v e r i l o g 自由的语法也容易让少数初学者出错。从国内 基于d v i 协议动态全彩l e d 大屏幕发送卡设计与实现 来看，v h d l 的参考书很多，便于查找资料，而v e r i l o g 的参考书相对较少，这给学习 v e r i l o gi - i d l 带来一些困难。鉴于此本设计采用v h d l 语言进行发送卡控制单元的设计。 综上所述，e d a 技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每 年都有新的e d a 工具问世。如果掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要， 更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要，下面对f p g a 设计流程进行 具体阐述 2 1 3f p g a 设计流程 f p g a 设计的一般流程包括设计准备、设计输入、功能仿真、设计处理、时序仿真、 器件编程与测试几个步骤( 1 6 1 ，如图2 1 ( 1 ) 设计准备 在数字系统设计之前，首先要进行方案论证、系统设计、器件选择等准备工作。设 计人员根据任务的功能和性能指标需求，对器件的资源、成本以及功耗等方面进行折衷， 选择合适的设计方案和f p g a 器件。 ( 2 ) 设计描述与输入 设计输入就是指设计人员将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示 出来，并输入计算机的过程。设计描述和设计输入通常使用图形和硬件描述语言两种形 式【17 1 。 ( 3 ) 图形输入方式 图形方式的设计输入主要是使用e d a 软件进行原理图、状态图、波形图等图形的 编辑和修改。原理图输入方式是一种最直接的设计描述方式，使用元件库中的元件画出 系统或电路的原理图，符合人们的思维习惯。这种设计输入方式要求设计人员具有丰富 的硬件知识、熟悉f p g a 器件的结构主要优点是系统结构清晰直观、便于信号的观察 和电路的调整；缺点是设计效率低，产品升级、f p g a 器件更换、e d a 软件更换时需要 重新输入原理图，而硬件描述语言输入方式就没有这方面的问题【憎i 。 状态图主要用来通过图形方式设计有限状态机。图形化的有限状态机设计具有简 单、直观、快捷等特点。波形输入方式主要是用来建立和编辑波形设计文件，以及输入 仿真向量和功能测试向量。 ( 4 ) 硬件描述语言输入方式 硬件描述语言输入方式使用文本进行设计描述，包括普通硬件描述语言和行为级硬 件描述语言。比较有代表性的普通硬件描述语言是a b e l ，它支持逻辑方程、真值表、 状态机等逻辑表达方式，主要用于简单可编程逻辑器件的设计输入。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 行为级硬件描述语言是目前常用的高层硬件描述语言，主要有v h d l 和v e r i l o g h d l 两个i e e e 标准。其突出优点有：逻辑设计与具体工艺无关，使设计人员在系统设 计、逻辑验证阶段确定方案的可行性；行为级描述，便于设计大规模、复杂的数字系统； 具有很强的逻辑描述和仿真功能，输入效率高；在不同的f p g a 器件和e d a 软件之间 的转换比较方便；不必对底层的电路和f p g a 器件结构非常熟悉。 图2 1f p g 设计流程图 f i g 2 1 w o r kf l o wc l l a f to f d v ii n m r f i m 基于d v i 协议动态全彩l e d 大屏幕发送卡设计与实现 ( 5 ) 功能仿真 功能仿真也称为前仿真或行为仿真。用户所设计的电路在综合之前应该首先进行逻 辑功能的验证，这种仿真没有器件内部逻辑单元和连线的实际延时信息，只是初步验证 系统的逻辑功能。为了能够完成功能仿真，需要先使用波形编辑器或硬件描述语言，来 建立仿真时需要的波形文件和测试向量( 尽可能包含所有可能影响设计功能的输入信号 的组合) 。仿真结果将以波形图的方式直观显示在计算机屏幕上，并生成报告。从中设 计者可以观察到各个信号的变化，以判断电路是否实现了预期的功能。如果发现错误， 则应该返回设计输入阶段进行逻辑设计的修改。 ( 6 ) 设计优化 确定设计描述的功能无误后，就可以使用e d a 工具对设计描述和相应的性能约束 进行优化，设计优化是f p g a 设计开发中的重要环节。在设计优化的过程中，e d a 软 件对设计输入文件进行语法和设计规则检查、逻辑简化、优化、综合、适配、布局布线、 时间参数提取，最后产生器件编程用的数据文件。 首先，e d a 软件对设计输入进行语法和设计规则检查，然后简化和优化逻辑方程， 通过综合和适配将优化后的设计映射到器件相应的逻辑单元中，生成网表文件。布局布 线将映射产生的物理单元在目标器件上进行放置和连接，并提取相应的时间参数。时间 参数提取将生成当前设计的含有时间参数的网表，用于时序仿真。另外，时间参数提取 输出的时序报告可以反映当前设计是否满足时序约束。 设计优化的效果主要取决于设计者的风格和综合工具的能力。使用e d a 软件进行 设计优化时需要注意：首先，最优化的目标可以是速度、资源、功耗等，这些指标是相 互制约的。其次，目前综合器所支持的硬件描述语言的语法是有限的，过于抽象的语法 还无法综合。因此，设计者应该具有良好的硬件描述语言编码风格。 ( 7 ) 时序仿真 时序仿真又称为后仿真或延时仿真。是高速f p g a 设计过程中必不可少的仿真验证 阶段。由于不同f p g a 器件内部的延时不一样，不同的布局布线方案也将影响电路各部 分的延时，这些延时可能会导致系统和电路功能的变化。因此在设计优化以后，需要对 系统和各模块进行时序仿真，分析时序关系，检查和消除竞争冒险、并对器件的实际工 作性能进行估计。 由于时序仿真中需要参考的参数非常多，因此将比功能仿真花费的时间长。时序仿 真中使用了电路延时的最坏情况，因此，通过时序仿真验证之后的设计一般都能够在实 际器件上正确运行 大连理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 器件编程与测试 器件编程也可以称为配置。时序仿真完成之后，就可以使用e d a 软件生成f p g a 器件编程时所需的数据文件。f p g a 器件编程就是将编程数据下载到相应f p g a 器件中 去。器件编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序、编程算法等。一次性编程 的f p g a 需要专用的编程器完成器件的编程工作，基于s r a m 的f p ( 认可以由e p r o m 或其他存储器件进行配置。在线可编程的f p g a 器件不需要专门的编程器，仅需要一根 编程下载电缆和相应的编程软件。器件在编程结束后，还可以对器件进行校验、加密等 操作工作。对于支持t a g 技术，具有边界扫描测试b s t ( b o u n d a r y - s c a nw e s t i n g ) 能力 和在线编程能力的器件来说，编程和测试过程都比较方便。 2 1 4 f p g a 设计的要求 作为一个优秀的f p g a 设计，必须具有以下几方面特征： ( 1 ) 满足系统的设计规范和性能要求。 ( 2 ) 满足用户对系统性能指标和设计规范的需求，是一个f p g a 设计成功的最基本 要求。 ( 3 ) 可读性好的f p g a 设计( 原理图或硬件描述语言描述的源文件) 应该包含有足 够的说明和注释信息，源代码可读性高。比如，各个模块的说明、每张原理图之间的关 系、硬件描述的模块之间的互连关系等等。另外，状态机设计的文档应该包括状态图或 功能描述，布尔方程的实现过程也应该写在源代码中。 ( 4 ) 可读性好的设计在调试、测试和维护上将节省大量的时间，已经经过验证的电 路很容易重用，节省开发时间。 ， ( 5 ) 完备的开发文档 为了保证f p g a 设计的可重复性，设计文档除了详尽的系统设计说明之外，还必须 包括一些其他的必要信息，比如软件开发系统的版本号、软件的各个选项及参数设置。 另外，各种操作和修改的过程都应该以文档的方式记录下来。如果不这样做，最终的实 现就会因人而异、因开发系统而异，整个系统的性能也变得不稳定，甚至无法评估。 2 2d v i 协议的研究 d v i 全称为d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，它是1 9 9 9 年由s i l i c o ni m a g e 、i n t e l ( 英特尔) 、 c o m p a q ( 康柏) 、m m 、i i p ( 惠普) 、n e c 、f u j i t s u ( 富士通) 等公司共同组成d d w g 推出 的接口标准。它是以s i l i c o ni m a g e 公司的p a n a l l i n k 接口技术为基础，基于 t m d s ( t r a a s i t i o nm i n i m i z e dd i f f 黜m f i a ls i g n a l i n g ，最小化传输差分信号) 协议作为基本 电气连接【1 9 1 基于d v i 协议动态全彩u d 大屏幕发送卡设计与实现 2 2 1 吖i 接口 d v i 是d d w g ( d i g i t a ld i s p l a yw o r k i n gg r o u p ) 于1 9 9 9 年发布的新的接口标准，主 要在计算机与显示设备之间提供一个高速的数字连接。它可以提供两组t m d s 连接，每 一组提供小于1 6 5 m h z 的点时钟操作频率。可以满足数字h d t v 和q x g a 的显示传输， 具有以下特点： ( 1 ) 高带宽，满足从产生到消耗过程中一个无损的数字传输域。 ( 2 ) 满足热插拔，即插即用，适用e d i d 和d d c 2 b 协议。 ( 3 ) 模拟数字兼容。 ( 4 ) 接口与显示技