（电子科学与技术专业论文）嵌入式可视媒体处理soc+lcd控制器的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g ya n dd i s p l a yt e c h n o l o g y ， o nt h eo n eh a n d ，t h es c a l eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t si n c r e a s i n gs o o n ，m o r ea n dm o r e f u n c t i o n sa r ei n t e g r a t e do nas i n g l ec h i p ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e q u i r e m e n to f h u m a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e d ，t h et e c h n o l o g y o fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r em a t u r e ，a l lo fw h i c hd r i v et h e d i s p l a yd e v i c ea n do n c h i pl c d c o n t r o l l e ri nr a p i dd e v e l o p m e n t a tt h es a m et i m e ，t h e c o n f l i c to fh i g h r e s o l u t i o nc o l o rd i s p l a ya n db u sb a n d w i d t ho c c u p i e dh a sb e c o m et h e k e ya s p e c t si ne m b e d d e ds o ca r c h i t e c t u r ed e s i g n ，t h er e q u i r e m e n t so fr e u s a b l ea n dl o w p o w e rh a v eb e c o m es t r o n g e r b a s e do na p p l i c a t i o n s ，t h el c dc o n t r o l l e rr e s e a r c hi nt h i sp a p e ri n c l u d ef u n c t i o n d e s i g n ，r e u s a b l ed e s i g n ，l o wt a k eu pb a n d w i d t hd e s i g n ，l o w p o w e rd e s i g n mm a i n w o r ka n dt h ec o m p l e t i o no fm a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1d e f i n i t e dt h em a i nf u n c t i o na n dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ev i s u a lm e d i a e m b e d d e dl c dc o n t r o l l e r ，a n dc o m p l e t e dt h ei n t e r n a ld e s i g no ft h em a i nf u n c t i o n so f t h em o d u l e 2i n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fc o n f i g u r a b l eb u si n t e r f a c ea n db u sa d a p t e r ，a n d d e s i g n e dc o n f i g u r a b l eb u si n t e r f a c eb a s e do nt h ew i s h b o n eb u sp r o t o c o la n da m u s p r o t o c o l ，t om e e tt h en e e d so fr e u s a b l ed e s i g n ，a n dm a k ei tt h ef l e x i b i l i t yt oa d a p tt o d i f f e r e n to n c h i pb u sa n dd i s p l a ys y s t e m 3o nt h eb a s i so fa n a l y s i s i n gt h eo r i g i na n ds e r i o u s n e s so fb a n d w i d t hp r o b l e m ，w e d e s i g n e dt w os t r u c t u r e sw h i c hb a s e do ni n d e p e n d e n c em e m o r ya n dt y i n gu pw i m g r a p h i c sp r o c e s s o r ，a n di m p l e m e n t e dt h ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yi nl c dc o n t r o l l e r i n t e r n a l l y 4o nt h eb a s i so fa n a l y s i s i n gs e v e r a ll c d d i s p l a yi n t e r f a c ea n ds i g n a lt i m i n g ，w e d e s i g n e dt w os e t so fo u t p u tt i m i n g ，i no r d e rt od r i v et h es t n ，t f tl c d 1 1 l eh a r d w a r el o g i cd e s i g n e di nt h i sp a p e ri sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n ，f p g aa n d p h y s i c a ll a y o u t ，t h el o g i ci sc o r r e c t ，i td r i v es t na n dt f tl c dw e l l t h ed e s i g no f i ，c dc o n t r o l l e rh a se m b e d d e di ne s t a r 3a n de v m ps o c k e yw o r d s ：e m b e d d e ds o c ，v i s u a lm e d i a ，l c dc o n t r o l l e r ，b u sb a n d w i d t h ， r e u s a b l e ，l o w - p o w e r 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1e s t a r 3 总体结构框图6 图2 2e v m ps o c 总体结构框图7 图2 3l c d 控制器内部结构框图1 0 图3 1 显示通道设置示意图1 7 图3 2 显示系统显存压缩示意图18 图3 3 游程编码前后的数据格式对比。1 8 图3 4 解码流程图1 9 图3 5l c d 可重用总线接口内部框图。2 1 图3 7w i s h b o n e 总线交叉开关互连方式。2 2 图3 8w i s h b o n e 总线主从设备的互联信号2 2 图3 9w i s h b o n es l a v e 信号的握手协议2 4 图3 1 0a m u 应用总体架构2 4 图3 11访存传输的二维事务示意图2 5 图3 1 2a 眦7 适配器结构图2 6 图3 1 3u t r a m 存储控制器内部结构2 7 图3 1 4l c d 控制器低功耗设计框图2 9 图4 1 显示数据接口模块内部结构图3 l 图4 2 输入缓冲f i f o 内部结构图31 图4 3 像素计数器波形图3 2 图4 4t f t 时序控制f s m 。3 3 图4 5时序控制模块输出时序图3 4 图4 6s t n 时序波形图3 4 图4 7 显示数据格式转换f s m 3 5 图4 8 指针处理模块内部结构图3 6 图4 9 异步跨时钟域模块内部结构图3 7 图5 1l c d 测试平台结构图4 0 图5 2 独立存控结构l c d 控制器波形图4 2 图5 3a m u 适配器结构l c d 控制器波形图4 2 图5 4f p g a 综合验证流程4 3 图5 5f p c 认图像显示4 4 图6 1l c d 控制器d c 综合后关键路径4 6 图6 2v g a 显示的n c 模拟波形4 6 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图6 3l c d 控制器硬核版图4 7 图6 4 硬核设计流程4 7 图6 5e n c o u n t e r 设计流程框图4 8 图6 6v m p s o c 布局规划图5 1 图6 7e v m ps o c 时钟结构图5 2 图6 8v m p s o c 布局布线结果图5 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表3 1w i s h b o n e 总线适配器s l a v e 端口的信号描述2 3 表3 2w i s h b o n e 总线适配器m a s t e r 端口的信号描述2 3 表4 3a m u 寄存器事务适配器信号描述2 6 表4 4a m u 显示数据事务适配器信号描述2 6 表6 1d c 综合环境和时序约束4 5 表6 2e v m ps o c 布线后的主要参数5 4 表6 3 时序驱动布局布线结果比较一5 4 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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，除了文中犄 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我l 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谢意 学位论文题目： 送塞要趣搓堡矬堡墨煎煎坠塑撞剑墨遮进皇塞理 学位论文作者签名：毖日期： p 譬年，月) 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：邀塞互谜签矬垄墨鳗鲮垃整剑墨选盐生塞理 学位论文作者签名： 鼙垒 作者指导教师签名： 日期：q 吣3 年l 月7 日 日期：2 詹。0 年、2 月弓j 日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着计算机系统的处理能力不断增强，强大的处理能力使得计算机系统设计 人员从以前的计算机为中心转移到以人为中心，更加关注系统的人机交互及系统 对人直接产生的视觉和听觉影响。对于桌面系统是不断改进操作系统和应用软件 的人机界面，增强系统的直观性，可操作性等。而对于嵌入式系统则是不断的丰 富系统的功能，如图片、视频、音频、网络等等，使得用户可以获得更加真实的 感受。这些功能特征中，视频流媒体处理是发展得最多，影响也最广泛的功能之 一。流媒体处理的标准不断完善，软硬件加速的技术不断革新，使得嵌入式流媒 体处理领域不断飞速发展，各种加速处理的芯片不断涌现，而竞争也日趋白热化。 a t i ，n v i d i a 和i m a g i n a t i o n 等公司都相继推出嵌入式产品。而科研机构则不断研 究嵌入式可编程图形绘制引擎，企图在嵌入式环境下充分利用硬件资源，降低系 统开销。近年来在流媒体处理应用中演变出来的一种图形图像混合应用不断涌现， 这种视频流媒体处理与3 d 图形处理相结合的应用具有良好的交互性，同时也具有 良好的应用前景，这种应用通常被称为可视媒体应用。可视媒体应用亦可称为图 形图像混合处理应用，此类应用中通常混合有图形和图像处理。在3 d 场景中加入 视频媒体或者在视频媒体的基础上绘制3 d 图形都属于此类范畴。它要求显示系统 具有很高的显示性能，所以显示系统的设计对于整个系统性能的发挥起着非常重 要的作用。 人类社会的发展离不开与各种信息打交道，从自然界中获取信息，再把信息 反馈给自然界，然而这些信息的7 0 以上是靠视觉获得的。于是人类通过各种显 示技术将各种各样的信息转换为视觉信息。随着科学技术的发展，人类己经进入 了信息化社会，信息膨胀使人们更加依赖视觉获取信息。而阴极射线显象管( c r t ) 显示技术由于其体积大，功耗高的缺点已不能满足人们的需要，液晶显示( l c d ) 显示技术由于其低电压、低功耗、易集成、轻巧便携以及显示效果好等优点而不 断受到人们的青睐，应用于各种显示领域，特别是手持设备领域。与传统的c r t 显示器相比，l c d 显示器有以下几个优点： 1 平面型显示，体积小，重量轻，便于携带； 2 驱动电压低，只要2 v 至3 v ，工作电流仅有几个微安，功耗仅l u w c i i l 2 ； 3 工作寿命长，可在5 万小时以上； 4 不含有害射线，对长期在液晶显示器件周围工作的人体健康无伤害； 5 被动显示，不易被强光冲刷，外界光越强则显示越清晰； 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 6 易于驱动，能用大规模集成电路直接驱动，电路接口简单； 7 结构简单，没有复杂的机械部分。 在手持设备中使用最广泛的彩色显示器主要有t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ，薄 膜晶体管) 和c s t n ( c o l o rs u p e rt w i s t e dn e m a t i e ，彩色超扭曲向列型) 两种。c s t n 屏幕的显示原理是在传统单色s t n 液晶显示器上加一彩色滤光片，并将单色显示 矩阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色， 三个子象素通过空间混色就可显示出彩色画面。其最大优点是省电，且价格低廉， 缺点是响应速度慢，在之前显示要求不是很高的手持设备中应用很广泛，也曾一 度在中小显示屏领域具有绝对优势。t f t 是有源矩阵类型液晶显示器中的一种， 可以主动的对屏幕上的各个独立的象素进行控制，即所谓的主动矩阵显示，因此 它可以提供比c s t n 快得多的响应速度。同时由于t f t 是主动式矩阵l c d ，可让 液晶的排列方式具有记忆性，不会在电压消失后马上恢复原状，避免了交叉效应 的产生，有效的提高了播放动态画面的能力，同时它还具有出色的色彩饱和度、 还原能力和更高的对比度，但是缺点就是耗电量较大，而且成本也比较高。之前 主要用于液晶电视等大尺寸领域，随着嵌入式系统性能要求的提高，它在中小尺 寸的手持设备中应用越来越广泛。 随着l c d 显示技术的发展，怎样控制显示过程，或者说怎样把满足视觉要求 的显示数据送到液晶屏上，达到控制显示的目的变得尤为重要。目前，集成电路 设计人员己经研制出各种类型的l c d 控制器，但是随着技术的发展和应用领域的 需要，特别是s o c 芯片设计技术的发展，片上的l c d 控制器即嵌入式l c d 控制 器发展迅速，如何实现性能更加优越、功能更加齐全的嵌入式l c d 控制器成为广 大集成电路设计者的研究热点。 l c d 控制器具有很大的灵活性，针对嵌入式系统来说，它要面对很多实际的 实现问题。嵌入式l c d 控制器( 即l c d c ) 需要实时的从显示存储器中读取显示数 据，它在高分辨率真彩显示时会产生大量的显示数据流，需要占用很大的总线带 宽，大大地影响其他设备的性能发挥，从而影响系统的整体性能，而我们在可视 媒体应用中正需要高分辨率真彩的显示。因此，怎样解决大量显示数据流和显示 带宽占用的矛盾就变的非常关键。 在集成电路产业不断进步的同时，以电池为供电形式的手持设备和膝上电脑 也迅速普及，系统的功耗有时己经成为这些系统设计首要考虑的因素。尽管电池 制造技术一直在提高，但与半导体产业的发展相比，它的供电能力和重量一直是 手机等手持设备的瓶颈，目前，彩色液晶显示系统的功耗已经占到手持设备总系 统功耗的6 0 7 0 ，甚至更大，因此显示系统的低功耗设计显得由为重要。 由于技术的发展和应用的需要，可同时支持t f t 和s t n 显示板的嵌入式l c d 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 控制器设计也成为人们关注的重要问题。 本篇论文的选题就是应对上述的问题，在液晶显示控制器方面提出一些行之 有效的设计和实现方法，在最大程度上满足各个方面的要求，提高系统的性能。 1 2 发展动态 国内s o c 设计相对落后，大多没在系统中嵌入显示控制器，相对先进的中科 院聚芯s o c 近年才其中加入显示控制器，它在其中通过高速d m a 访问共享存储 器的方式来提供显示数据，解决了总线频率较低的情况下显示数据的提供问题， 但它需要占用大量的总线带宽，在分辨率较高，颜色深度较深，数据传输比较大 的时候，会出现大量的总线等待，所以只能支持1 6 及以下的颜色深度，一般也不 能超过q v g a 的分辨率，难以跟上多媒体发展的需要。国外多媒体s o c 主要采用 通用处理器加专门的多媒体加速部件通过显示控制器输出的方式来处理显示通 道，它的现有的需求条件下能基本满足显示要求，但在多媒体处理能力和显示性 能要求越来越高的情况下，硬件加速能力和总线带宽承载能力将成为瓶颈在多媒 体显示口方面已是i m a g i n a t i o n 公司一家独大的局面，它在显示2 d ，3 d 加速处理 并输出上做的很出色，但在芯片面积和s o c 系统总线占用上仍存在一定缺陷。 随着集成电路技术和显示技术的发展，一方面集成电路的规模越来越大，并 且在一块芯片上集成越来越多的功能，实现系统级设计；另一方面人机交流和控 制技术的需求日益增加，通过显示界面可以很好与机器设备实现交流和控制，液 晶显示技术也发展越来越成熟，所有这些都驱动着显示设备和片上l c d 控制器快 速发展。作为一名i c 设计研究者来说，在前人的基础上，去实现更好的设计结果， 研究解决设计过程中将会出现的问题，尽可能地提高和改善嵌入式l c d 控制器的 性能和兼容性，是他的目标和动力。但技术的发展是无止境的，人们对产品性能 的追求更也是无止境的，l c d 控制器的发展主要有下面几个趋势： 1 1 嵌入式l c d 控制器模块的标准化，即形成标准的i p 核。现在的集成电路 设计己经进入s o c 时代，在s o c 设计中，设计人员不需要考虑实现具体的某个功 能模块，而是考虑怎样利用现有的可复用i p 核、系统总线类型以及内核来实现既 定性能的s o c 芯片，通过各种手段去评估、验证和集成已经存在的软硬i p 核，实 现t i m e - t o m a r k e t 的目标。在设计模块成为i p 后，一方面有利于今后实现设计的 t i m e - t o m a r k e t 目标，抢先占领市场；另一方面有利于模块的共享和交流。 2 ) 嵌入式l c d 控制器的面积、功耗优化，即达到面积和功耗的最优。作为 s o c 系统芯片的一个功能模块，必须在设计时考虑到面积的问题，面积过大，一 方面会增加芯片制造的成本，另一面也会增加芯片出现错误或失效的几率。其次 必须考虑到芯片的功耗问题，功耗问题一直是集成电路设计关注的关键问题，既 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 要降低峰值功耗又要降低平均功耗。为了保证芯片的正常工作，必须降低峰值功 耗，从而降低芯片的工作温度，提高芯片的耐用性，这个问题无论在什么电源工 作条件下都必须考虑；对于平均功耗，在电池供电时，显得尤为重要，它关系着 电池的使用时间，特别是现在的便携式设备，都是电池供电。这样平均功耗越低， 电池使用时间越长。 3 ) 嵌入式l c d 控制器的功能完善，即使该l c d 控制器能够支持各种显示模 式，包括s t n 、t f t 甚至l e d ，其中又包括主动模式和被动模式。这些功能的完 善有利于l c d 控制器的应用范围或者兼容性，同时功能的完善又包括显示效果的 完善，实现最好的显示效果。然而实现很好的显示效果需要很多的工作要做，并 且涉及的知识领域也比较广。总之，嵌入式l c d 控制器的设计涉及到很多方而的 问题，力图解决这些问题就是勇敢面临这些挑战。而这些问题的解决本身是对设 计的优化过程，实现更好的设计目标。所有这些挑战，随着设计水平的提高和i c 设计者的努力，会逐个得到解决，但是新的挑战会重新出现在我们面前，但是这 些挑战只会促使i c 设计者继续优化嵌入式l c d 控制器设计，实现功能更完善、 性能更优的嵌入式l c d 控制器。 1 3 课题主要工作 本文所涉及的研究工作将从分析嵌入式l c d 控制器的发展背景和发展趋势开 始，在此基础上提出了本论文开展的理由，并针对可视媒体应用的需要提出嵌入 式l c d 控制器的设计目标。在此基础上，分析了嵌入式l c d 控制器功能特点和 工作原理，对显示数据带宽占用和低功耗两大关键问题进行了详细地分析研究， 并提出了有效的设计实现方法。在此基础上，采用自顶向下的设计方法用硬件描 述语言v e r i l o g 对各个模块进行设计，并利用e d a 软件对该设计进行模拟仿真和 f p g a 验证并分析验证结果的结果，并根据综合后的门级网表进行了l c d 控制器 的最大可能功耗测试和带宽占用分析；最后对l c d 控制器和可视媒体s o c 进行物 理版图实现。在本文的结尾，针对l c d 控制器存在的不足和可以改进的地方进行 总结，并结合嵌入式l c d 控制器的发展趋势，提出以后的改进方向。 1 4 论文结构 基于前述的分析，本文将分为七章：第一章为绪论，由四节组成，主要介绍 课题的研究背景和研究现状以及论文开展的思路；第二章为嵌入式l c d 控制器的 总体设计，首先介绍了e v m p 的总体结构和显示通路状况，分析了嵌入式l c d 控 制器的功能特点以及工作原理，在此基础上分析了嵌入式可视媒体s o c 对显示控 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 制器的要求，并提出了嵌入式l c d 控制器体系结构，阐述了嵌入式l c d 控制器 的模块划分和功能定义，分为三节；第三章阐述数据流控制和低功耗实现问题， 分为三节。第四章主要讲嵌入式l c d 控制器的实现，分为七节，论述了嵌入式l c d 控制器的若干个实现问题以及怎样在实现过程中解决这些问题；第五章介绍本嵌 入式l c d 控制器设计的仿真模拟结果及其分析，包括每种显示模式均进行了仿真 验证，由四节组成；第六章分为四节，主要讲l c d 控制器及可视媒体s o c 的物理 版图实现，通过介绍物理实现的环境，l c d 控制器固核硬核的实现，多交叉时钟 时钟树综合的方法和s o c 布局布线方法最后得到l c d c 和e v m ps o c 的版图；第 七章为总结与展望，阐述了嵌入式l c d 控制器的发展趋势和挑战，并重点提出了 本嵌入式l c d 控制器设计的改进意见，分为两节。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章嵌入式可视媒体s o cl c d 控制器的总体设计 2 - 1e s t a r 3 简介 e s t a r 3 嵌入式微处理器是国防科大计算机学院自主设计完成的一款3 2 位高性 能嵌入式微处理器，该处理器于2 0 0 3 年完成流水线设计，并于2 0 0 3 年年底采用 s m i co 1 8 u mc m o s 工艺第一次投片。一次投片成功，并稳定运行l i n u x 操作系 统，在典型工作条件下稳定运行于2 0 0 m h z 。针对设计中c a c h e 容量较小，调试与 测试机制不够完善等问题，2 0 0 4 年进行改进设计，增加了片上在线调试支持和测 试接口，并将片上c a c h e 容量增大，同时加入c a c h e 写回等机制，形成的e s t a r 2 同样采用s m i co 1 8 u mc m o s 工艺，于2 0 0 4 年年底进行第二次投片。一次投片成 功后，基于嵌入式l i n u x 操作系统开发了q t 图形界面及电子地图等应用软件，设 计实现了便携式手持端机的应用产品。e s t a r 3 设计基于现有的设计，考虑到系统 总线结构与分频关系在实际使用中的弊端以及嵌入式环境下l c d 显示的迫切需 求，进行处理器系统总线结构及外部设备的改进设计。e s t a r 3 的体系结构如图2 1 所示： 3 2 b i tr i s c e p s t a r 3p r o c e s s o r l c a e h e & m n 町 d c a c h e & m m u w i s h b o n eh i g hs p e e dc r o s s b a rs y s t e mb u s d 罴墨el g e n e r a l l s d r a m 镶萋li 驻li 兰黜， 图2 1e s t a r 3 总体结构框图 如图2 1 所示，e p s t a r 3 嵌入式微处理器主要由高速系统总线及设备，低速外 设总线及外设接口等构成。高速系统总线采用开放总线协议w i s h b o n e ，并采用交 叉开关的设计方法，主要挂接设备包括：e s t a r 处理器内核，高速指令c a c h e 与数 据c a c h e ，d m a 模块，通用存储控制器，s d r a m 存储控制器以及带独立存储控 第6 页 型摹重兰罴 t1寸o；o rowdeo厶tl暑a pe_ipher-巴c 芸| | 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 制器的v g al c d 模块。低速外设总线则采用共享总线的设计方式，通过从接口挂 接至高速系统总线。外设总线上挂接丰富的外部设备接口，主要包括：串口u a r t ， 通用可编程i o 端口，可编程定时器p t c ，可编程中断控制器p i c ，通用串行接口 s p i ，内部启动r o m ，看门狗w a t c h d o g ，电源管理模块以及调试与测试接口j t a g 等模块。层次化的总线互联结构在减小总线硬件开销的同时，实现设备性能分级。 高速设备工作于频率更高的系统总线。对于各个频率域采用独立的时钟分频逻辑， 将时钟依赖关系分离，使l i n u x 操作系统的运行和软件开发更加方便。 2 2e v m ps o c 简介 e v m p ( e m b e d d e dv i s u a lm e d i ap r o c e s s ) s o c 是国防科学技术大学计算机学院 自己研制开发的嵌入式异构多核s o c 芯片，它主要突出对嵌入式环境下图形图像 的加速，面对可视媒体手持终端的应用。随着嵌入式微处理器性能的不断提升， 嵌入式应用的种类不断增多。以前只能在桌面计算机上运行的3 d 图形，视频编解 码，高解析度图像处理等应用在嵌入式设备上出现并不断发展。应用的需求导致 对硬件性能要求的不断提升。嵌入式微处理器设计领域中逐渐加入了超标量技术， s i m d 扩展指令集，多核扩展等技术。由于嵌入式微处理器受芯片面积，功耗的约 束，片上资源有限，而系统芯片需要继承较多的外部设备接口控制器，因此有限 的片上资源和较低的功耗成为嵌入式s o c 设计的基本约束。为了在最短的时间内 完成设计任务，采用基于现有嵌入式微处理器，并对其进行设计修改和扩展的方 式完成s o c 芯片的设计。 e v m ps o c 系统总体结构如图2 2 所示： 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 由图可以看出，e v m ps o c 主要由主处理系统和协处理系统两部分构成。主处 理系统部分主要包括：主处理核，高速系统总线及主处理器存储控制器，低速外 设总线与外部设备接口。协处理系统部分则包括：异构协处理核，访存管理单元 a m u ，l c d 显示控制单元及大位宽协处理器存储控制器。 主处理核是3 2 位高性能嵌入式r i s c 微处理器e s t a r 。协处理器系统包含两个 异构的协处理核，通过访存管理单元与主处理系统通信。针对可视媒体处理应用 数据流量大，计算密度高，显示相关性大的特点，协处理系统集成了大位宽的 s d r a m 存储控制器和l c d 显示控制单元。协处理器设计采用s i m d 流水线设计， 1 2 8 位宽的s i m d 流水线，可同时进行1 6 个字节运算或者4 个3 2 位运算。协处理 核的访存模型采用基于便签式存储器作为片上存储器，通过访问片上指令存储器 和数据存储器进行运算。而片上存储器内数据的流动统一由访存管理单元完成， 6 4 位宽的s d r a m 存储控制器提供较大的协处理器访存带宽。各模块均设置独立 时钟，根据时钟域和频率关系，各个模块或时钟域由电源管理模块生成，并进行 门控管理，以降低系统功耗。l c d 显示控制模块可以根据系统配置要求通过协处 理器大位宽存储控制器或者主处理器存储控制器获取显示数据。 2 3l c d 控制器的工作原理 作为主要人机接口设备之一的显示器是计算机系统中不可或缺的重要组成部 分，而液晶显示器以其低工作电压、低功耗、显示效果好、易集成和轻巧便携等 特点占据了其中很大份额，在嵌入式系统中更是占据了绝对优势。基本上所有液 晶显示器件的基本显示原理是一样的，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的 作用下排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗， 或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个像素都单独地被加在其两侧 的电极上的电位差控制，当电位差绝对值大于液晶的阀值电压时，像素是显示态； 反之，像素不产生电光效应，当电位差在闽值电压附近时，液晶将呈现较弱的电 光效应。液晶显示器件中每一个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示象 素按照控制信号的“指挥 便可以在显示屏上组成不同的字符，数字及图形，所 以液晶显示屏是比较容易被数字信号驱动显示的。 典型的嵌入式l c d 显示系统主要由五部分组成：l c d 显示屏、显示驱动器、 显示控制器、微控制器和显示存储器。液晶显示器和显示驱动器一般由l c d 厂商 提供，系统开发人员的职责就是根据系统要求，选择符合系统要求的显示器和驱 动器。 m c u 是整个显示系统的核心，它负责整个系统的控制，同时也是显示数据的 处理单元。根据软件的要求，m c u 可以通过寄存器的读写来设置系统的工作模式 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 和查询系统的工作状态。对于要显示的数据，首先由m c u 从数据存储器中取出原 始显示数据，经过处理后，变成可显示的数据，然后存入显示存储器，最终送往 显示设备。 存储器分为数据存储器和显示存储器。数据存储器用于储存由用户写入的原始 数据，这些数据需要经过m c u 的处理才能送到显示控制器进行显示。而显示存储 器装载的是经过m c u 处理过的符合显示控制器要求的数据，他们由显示控制器通 过数据总线直接进行访问。 l c d 显示控制器的主要作用是为电子信息设备所使用的液晶显示器件提供时 序信号与显示数据。它属于计算机i o 设备接口，是m c u 与液晶显示器之间的接 口，既可以接受m c u 的直接操作，又可以脱机独立控制并驱动液晶显示。它的使 用使m c u 摆脱了繁琐的显示控制，使得液晶显示器件更加容易应用于智能化系统 中，并提高了系统的整体性能。l c d 显示控制器同时具有管理显示存储器的能力， 它内置有显示存储器的地址寄存器和数据输入输出寄存器。m c u 通过读写液晶显 示控制器寄存器来操作显示输出模式。显示时，m c u 向显示存储器中写入数据， 然后重新设置控制器内的地址寄存器的地址编码，l c d 显示控制器通过读取新的 显示存储区域实现对于屏幕的刷新。 2 4 嵌入式可视媒体s o cl c d 控制器的功能和主要特点 本文研究的l c d 控制器是基于可视媒体的应用，采用外置的显示存储器。定 义的功能如下： i l 提供可选择的分辨率，分辨率最高可达1 0 2 4 x 1 2 0 4 ，推荐显示分辨率为 6 4 0 x 4 8 0 ； 2 单色模式支持高达2 5 6 级灰度，彩色模式最高支持1 6 m 色的真彩色显示； 3 兼容w i s h b o n e 2 0 接口规范，是连接在w i s h b o n e 总线上的m a s t e r 、s l a v e 模 块； 4 兼容a m u 接口规范，是连接在a m u 高效访存模块上的总线上的主、从模 块； 5 支持色深为2 、4 、8 、1 6 、2 4 位的r g b 格式； 6 支持硬件解码技术； 7 支持两个个图像层和一个光标层的图层叠加显示； 8 极性可变的帧、行以及像素时钟信号； 9 产生a c 偏压信号用于s t np a n e l ，数据使能信号用于n 叮p a n e l ； 1 0 可编程时序适应不同的显示p a n e l ； 1 12 5 6 x 2 4 位的调色板r a m ； 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 2 多种低功耗工作模式。 基于以上的功能设计要求，及e v m ps o c 系统实际需求，本l c d 控制器有以 下特点： 1 多种显示数据流控制措施，以降低总线带宽的占用率； 2 具有多种接口规范，满足输入输出规范要求； 3 具有简单的显示处理能力，满足高性能显示的要求； 3 支持各种显示类型，达到了功能集中齐备的要求； 4 可以支持不同接口宽度和不同时序信号的l c d 显示屏，实现了对显示屏的 兼容性要求； 5 可以实现低功耗工作模式，通过寄存器控制整个模块的运行。 2 5 l c d 控制器体系结构设计 通过显示通道和系统性能需求的分析，采用自顶向下的设计方法，设计了l c d 控制器的体系结构框图，如下图所示： 图2 3l c d 控制器内部结构框图 图中可以看出l c d 显示控制器按功能可划分为三个模块：总线接口模块，数 据处理模块和数据输出模块。接口模块用来接受m c u 的指令，改变工作方式和工 作参数。同时，接口模块还要根据m c u 的设置从显示存储器中读取正确地数据。 所以，接口功能块实际上包含两个子模块：寄存器接口模块和显示数据接口模块。 数据处理模块用来对显示数据进行处理。数据处理模块根据寄存器的不同配 置产生显存地址，通过数据接口读取显示数据到数据缓冲，并将数据进行压缩解 码，格式转换，指针处理输出到输出端口模块，以实现各种显示效果。所以，它 可以划分为地址发生器，压缩解码模块，颜色处理器，颜色查找表，指针处理器， 颜色增强等子模块。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 数据输出模块是l c d 控制器与l c d 驱动器的接口，它产生帧扫描信号 f p f r a m e 、行扫描信号f p l i n e ，以及m o d ，d a t a e n a b l e 等各种显示器所需时序脉 冲信号，同时，把模块时钟域控制的显示数据通过跨时钟域输出，产生输出到l c d 驱动器的数据。所以它实际包括时序产生模块和跨时钟域数据输出两个子模块。 在具体实现时，这三个部分又可以进一步划分为以下几个功能模块来完成系 统总体的功能：寄存器接口模块，显示数据接口模块，时序发生器，地址发生器， f i f o ，颜色增强模块，颜色查找表，显示数据格式转换器。 2 6l c d 控制器的模块划分及功能分析 根据前面的功能定义和工作原理分析，可以将整个嵌入式l c d 控制器分为八 个功能模块：寄存器接口模块、显示数据接口模块、总线数据缓冲模块、颜色处 理模块、指针处理模块、数据解码模块、跨时钟域输出模块、时序发生模块、p w m 模块。下面就这些模块的功能作具体分析。 1 寄存器接口模块 寄存器接口模块提供了l c d 控制器和m c u 之间的通信通道，m c u 可以通过 寄存器接口模块对l c d 控制器进行各种功能配置，l c d 控制器也可以通过寄存器 接口模块向m c u 反馈所需的状态信息。m c u 通过数据总线和地址总线对接口寄 存器组进行灵活配置，从而产生不同的显示效果。在该嵌入式l c d 控制器中，寄 存器接口模块可以说是其大脑，基本上控制着l c d 控制器的运行，所以将从寄存 器接口模块介绍开始。该嵌入式l c d 控制器主要包括若干个配置寄存器，这些寄 存器除了状态寄存器外，其余都是软件可读可写的，而状态寄存器只能内核对它 进行读操作，由l c d 控制器内部对它进行写操作。而在该模块工作时，它作为总 线上的从设备，这时m c u 作为总线上的主设备，m c u 按照驱动程序所给的指令， 会申请总线并按照优先级首先获得总线的使用权，通过总线对l c d 控制器的寄存 器接口模块进行写操作，该写操作包括对配置寄存器和r a m 映射寄存器进行配 置，这些寄存器在配置后会一直保持这些参数，除非重新对寄存器进行写操作。 这些参数将会决定着数据接口模块与总线的操作、内部的数据处理机制以及与显 示屏接口模块的输出。 2 显示数据接口模块 显示数据接口模块用于控制l c d 控制器与显示存储器之间的各种时序关系。 该模块根据输入数据缓冲器的数据需求向总线规律性的发出总线请求信号，并等 待总线应答信号。l c d 控制器在得到总线访问权的前提下执行一系列成组操作( 如 发出地址，从存储器中读取数据等) ，并往输入数据缓冲器填充像素数据。由于l c d 屏幕必须以5 0 7 0 h z 的刷新速率进行数据刷新，存储器中的像素数据必须以相同 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 频率被读取并送至屏幕上的相应位置。为了减小总线阻塞，在仲裁器响应之后采 用的是成组传输方式，即一次操作并不是只发出一个有效的地址，而是发出好几 个有效地址，一次读取多个3 2 位宽度的数据。在刷新一帧数据时( 即一个l f l m 周 期里) ，很多次的传输周期在该l f l m 周期内平均地分布着，以达到数据的连续传 输。 3 数据缓冲模块 由于l c d 控制器需要处理的数据量很大，特别是大屏幕显示真彩色显示，就 设计到怎样保证显示数据的连贯性问题。对于大屏幕显示时一般有专门的大容量 片上显示数据存储器来缓存显示数据以保证显示数据的连贯性，但是这种存储器 会占用大量的芯片面积，并且对芯片的功耗和可靠性都有影响，对芯片的生产成 本也有很大的影响。这里采用的片外存储器，所以用两个数据缓冲来解决这个问 题。输入数据缓冲采用一个1 6 x 3 2 的f i f o 接收显示数据，并发出数据请求信号给 地址发生器；显示数据输出缓冲采用一个3 2 x 2 4 的f i f o ，它除了作为输出数据缓 冲外，还要完成跨时钟域的功能。 4 数据解码模块 由于显示数据量庞大，需要占用大量总线带宽，l c d 控制器采用了数据压缩 技术，显示数据进过m c u 压缩写入显示存储器，l c d 控制器把显示数据读入输 入缓冲进行数据处理前需要对显示数据进行解码。由于嵌入式设计需要，这里只 支持又称编码的硬件解码。 5 颜色处理模块 数据处理模块根据系统的配置信息，对读入控制器的显示数据进行相应的处 理，以符合用户设置的