（计算机应用技术专业论文）片上多核版面加速系统架构研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f n e t w o r k t e c h n o l o g y a n d t h e i n c r e a s e o f t h e a m o u n t o f t h e e l e c t r o n i c b o o k s , i t c o m e s i n t o t h e e p o c h o f s c r e e n r e a d i n g . t h i s p a p e r d e t a i l s t h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t o f e b o o k r e a d e r s , a r g u e s a b o u t t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f n o n - p a p e r - l i k e d i s p l a y s c r e e n s , a n d c o m p a r e s a l l k i n d s o f d i s p l a y d e v i c e s . me a n w h i l e , fr o m t h e a s p e c t o f r e a d i n g c o m f o r t , s o m e c r i t e r ia o f d i s p l a y d e v i c e e v a l u a t i o n a r e p r o p o s e d . o n t h e b a s i s o f t h e a d v a n t a g e o f g e n e r a l p u r p o s e c p u a n d d s p , a c c o r d i n g t o t h e t h e o r y o f l a y o u t , t h i s p a p e r d e s i g n s a n d i m p l e m e n t s a l a y o u t a c c e l e r a t i o n s y s t e m t h a t i s s u i t a b l e f o r s c r e e n p r i n t i n g a t i s a o n - c h i p , m u l t i - c o r e s y s t e m t h a t h a s a m a s t e r p r o c e s s o r a n d m o r e t h a n o n e s l a v e p r o c e s s o r s . t h e m as t e r p r o c e s s o r t a k e i n c h a r g e o f d i s t r i b u t e t a s k , a n d t h e s l a v e p r o c e s s o r s t a k e i n c h a r g e o f t h e d i ff e r e n t e l e m e n t s . t h e b as i c e l e m e n t s i n c l u d e t a b l e , i m a g e , f i g u r e , c h a r a c te r . i t i s b as e d o n 8 0 5 1 i p c o r e a n d i m p l e m e n t e d o n f p g a . n o w , o n t h e s y s t e m , t w o 8 0 5 1 p r o c e s s o r s p a r a l l e l y w e l l c o m p l e t e s t h e s t r o k i n g o f s t r a i g h t l i n e a n d p o l y g o n , w h i c h i s i l l u s t r a t e d o n p c t h r o u g h s e r i a l p o rt s a n d v a l i d a t e s t h e f e as i b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l ity o f t h i s a r c h i t e c t u r e . k e y wo r d s : l a y o u t a c c e l e r a t o r , f p g a , s o c , mu l t i - c o r e , s c r e e n p r i n t i n g , i p c o r e 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、 保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5年 ( 最长5年，可少于5年) 秘密*1 0 年 ( 最长 1 0年，可少于 t o 年) 机密*2 0 年 ( 最长 2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中己经注明引用的内 容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。 对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 :- . 宝 迄 下 刁年犷月 7 日 第一章 引言 第一章 引言 在电子阅读设备日 益普 及的今天， 人们对阅 读的理解也在慢慢发 生变化。 尽管如此，我们仍然发现，在长时间研究学习的时候，很多人的第一选择还是 纸质书籍。究竟这些纸质书籍在哪些 方面优越于电子阅读设备而被人们所青 睐? 带着这个疑问， 对电子书的的发 展过程进行一定的分析和 研究， 并从中 寻 求解决之道. 第一节 概念 电子书的称谓来自 于英文中的e b o o k ( e l e c t r o n i c b o o k )一词。目前，人们 对电 子 书的概 念还没 有一个准确的被 行业认同的 定义， 但基本上由以 下三个要 素 构 成: 川 电 子书的内 容一电 子读物:凡以 互联网 为流通渠道、以数字内容 为流通介 质的，并可以通过电子显示设备来阅读的读物，统统称为电子读物。它依赖网 络而存在。 电 子书的 载体 一电 子书阅读器: 该阅 读器具备各种电子读物 显示与存储功 能 还必须具有阅 读管 理及操作界面， 并有以阅读为主要功能的 专用显示 终端. 随着p d a与液晶技 术的 不断提高， 这种专用阅读器将变的越来 越方便、实 用。 电 子书的阅 读软 件: 不同 厂商的电 子书阅 读器配有相应不同的 阅读软 件。 电 子书的出 现带 来了 两个关键性的 变革:阴 . 书籍运营方式的改 变。 一般传 统纸质书籍的出 版发 行模式: 一般都是 作者通 过出 版社出 版编辑书籍， 然后由 印 刷商负 责印 刷完成;书籍由 零售商 销售，最 后由读者购买阅读。而电子书可以采用这种传统模式，也可以有很多新的选择， 作者 通过互联网 平台 来发表自 己的 作品， 读者也可以随时通过网 络来阅 读。 书 籍的 来源除了作 者外， 互联网 存在着 许多的 免费信息。 . 阅 读方式的改 变。 传统的书籍需 要读者花费 一定时间 购买 后， 以 书本 方式阅 读， 而现在读者可以 通过互联网来 选择自 己 喜爱的 书籍，即买即 得， 使用电 子 阅读设备进行阅读. 第一章 引言 第二节 发展现状 2 . 1优势 与传统的纸质书籍相比，电 子书具有很多纸质书 籍所无法企 及的 优势。首 先，电 子书不需要印 刷， 这就节约了 纸张、 油墨、 水资 源; 没有物流，勿需仓 储、 运输， 节约人力 物力， 可以 缩短出 版周期， 这就增强图 书的时效性和生命 力， 可以即买即得;节约 家庭的 藏书空间; 永远不会出 现断 档、 脱销、 绝版情 况， 一部书 一旦产生，可以 近乎零成本无限 制重新印 制; 大量有价值的 低印量 图书以 低成本出版;更新和修订也非常容易;降低了出版门 槛， 更多的 人可以 通过网 络渠道自 行出 版和发行电子书; 可以按照个人的需要 在封面或者封底等 特殊版面制作不同的内 容;不会产生造纸、印 刷、 运输等过 程中的 环境污染; 多种媒体并行，图、文、声、像并茂;阅读时可随处做笔记、批注、划线、圈 注、加亮显示、插入书签等。 目 前，电 子书己经凭 借其强大的 优势进入人们的日 常生活， 并逐渐取得人 们对它的 认可，长远来看，电 子书必将最终取代传统书籍， 但是，电 子书的发 展仍然存在着很多的制约因 素。 下面就 来看一下究竟是 什么阻 碍了电 子书的发 展呢 ? 2 . 2制约因素 1 . 安全可靠性 目 前的网 络，资 料可靠性低下的问 题普遍存在。譬如 在网 上可以 看到一件 事情可能有很多 种说法， 一首唐诗也许有好几个版本等 等一系列不良 现象。 诸 如这种网 络安全性、版权 保护等问 题同 样困 扰着刚刚 兴起的电 子书产业。 与安全性相关的一 个重要问 题就是网 上付费问 题。 随着网络的 迅速发展， 现在大多用户都不愿为了一本书跑到银行、邮局或者书店去排队付款，只想通 过在网站上输入帐号与密码， 然后直 接点击购买按钮， 就可以 买书，然 后送货 上门.由 于现代的网 络安全性问 题并没有得以 解决， 所以 这种便携性还是无法 得以解决。 第二章 类纸阅读显示设备 第二章 类纸阅读显示设备 有三大技术推动电子书产业发展:网络的普及、数字 版权技术的成熟以及 显示技术的成熟。尤其是显示技术方面，有一个很新的重要概念电子油墨 ( e - i n k ) 。 现在很多人觉得屏幕阅读 不如看纸质书 籍舒服， 根本原因 在于 屏幕介 质的显示分辨率还不到纸介质的十分之一。为满足类纸阅读的需要，阅读器必 须能给读者提供较为舒适的视觉感受。因此，选择一款具有较好的阅读舒适性 的阅读器是至关重要的，同时也是屏幕阅读是否能够逐步代替纸上阅读的根基。 第一节 阅读器分类 在信息技术 快速发展的 今天， 人们对于 信息的 获得有 8 0 % 来自 于视觉，而 信息的显示是依靠显示载体来实现的，因此显示载体技术在信息技术的发展过 程中占 据了 十分重要的地位。 按照原理的不同，显示载体可以 分为纸质印 刷物 和光电 显示器件两大类， 而光电 显示设备又可以 分为类纸与非 类纸两种， 下面 会分别对它们进行分析和比较。 2 . 1 . 1非类纸电子显示设备 在目 前的 各类光电 显示设备中， 阴极射线 管 ( c r t ) 仍然是目 前应用 最广泛 的显示器 之一， 其市场占 有额达到6 0 %. c r t 显示器具有可 视角度大、 无坏点、 色彩还原度高、色度均匀、 可调节的多分辨率模式、响应时间短、价 钱便宜等 优点. 但是c r t 也面临着难以克 服的 缺点: 体积大、 笨重、 功耗大、 难于携带。 所以，在2 0 世纪8 0 年代开 始使用液晶显示 器 ( l c d ) 。 l c d具有多种电光、 热光等效应; 低电 压; 体积小: 重量轻; 功耗低;易于彩色化; 寿命长;显示 信息量大等优点。但是一般的 l c d显示器并不是那么理想，存在着视角小、温 度特性差等缺点，并且 l c d的显示必须依赖于背光源或环境光。 第二章 类纸阅读显示设备 第二节 显示设备的比 较与分析 前面， 我们已经了解了 显示设 备的 分类，各类显示设备各有 优缺点， 下面 就 分别 从类纸与非 类纸电子 显示设 备的比 较和类纸显示设备与纸 质印刷物的比 较两个方面来了解这些显示设备的优劣势。 类纸与非类纸电子显示设备 首先让我们就光电显示设备中的 类纸与非类纸器件之间进行一 个具体的比 详细内 容见表2 . 2 0 表2 2类纸与 非类纸 显示载体比 较 八， 2.较 比较内容类纸电子显示设备( 双稳态液 晶显示b c d. f l c ) 类纸电子显示设备f-i n k非类纸电子显示设备 ( 非 双稳态液晶显示7 fp ) 屏幕大小制作大屏困难可以做的非常大制作大屏困难 分辨率a 4尺寸:1 0 2 4 x 7 6 8 / 8 8 0 x 6 4 0 a4 尺寸: 1 0 2 4 x 7 6 8 / 8 8 0 x 6 4 0a4 尺寸:1 0 2 4 x 7 6 8 精细度 1 5 0 d p i -3 0 0 d p i 可达3 0 0 d p id p i 可上千 对比度一般为5 : 1 - 1 0 : 1大于 1 0 : 1高达 3 0 0 : 1 f l c可达 1 0 0 : 1 视角可做到 1 6 0度几乎无视角限制可达 1 6 0 度 显示内容保持 方式 静态保持 静态保持动态刷新 光电过渡时间b c d响应速度为r l s 级响应速度较快，最快可达1 6 m s 是否采用偏振 片 b c d不采用否是 f l c采用 光效率 可达 3 0 %可达6 0 %低于 1 0 % 灰度了 色彩彩屏技术不很成熟， 可高灰阶 显示 彩色化较难真彩，1 6 6 7万色 重量 b 5尺寸:1 5 0 -5 0 0克很轻，比同尺寸 l c d小 5 0 %a 4 尺寸:l k g 左右 屏幕柔性否是否 基质材料玻瑞 塑料聚合物，可折叠 玻璃 成本较低可以很低比前两者要高 使用寿命较长可达 5 万小时以上为5 万小时以上 功耗b c d 功耗很低，只 有几瓦只有同样尺寸液晶显示器的 1 / 1 0 -1 / 1 0 0 1) 左右 a 4尺寸:功耗较大，有 几十瓦 f l c功耗较大 第二章 类纸阅读显示设备 经过上表不难看出， 现 有的非 类纸液晶显示设备由 于存 在一些缺陷， 例如 光效率低于 1 0 % ， 屏幕没有 柔性， 功耗大，成本高，不 适合制作大屏幕等等. 所以 非类纸液晶显示 设备不能满足读者长时间阅 读的 要求，不 适合类纸阅 读使 用. 于是，人 们提出 类纸 ( p a p e r l i k e ) 显示的 概念， 其性质介于纸和一般光电 显示设备之间， 尽可能多 的吸 取二 者的 优点， 来满足人们 阅读舒适 性的要求。 2 . 2 . 2类纸显示设备与纸质印刷物 在科学技术日 新月异的 今天， 大多数人 对于 信息的获 取竟然还是 来自 纸质 印刷物， 这是因为 它的 许多 优越性仍然让一般的光电显示设备 无法企 及。 纸质 印 刷物的 显示方式为 反射型， 无视角限制;其分辨率也非常高: 不需要任何电 源供给; 轻、 薄， 便于 携带;成本较低;使用寿命长:可以 随时随地阅读。 但 是，不容忽视的一个 缺点 就是 无法对信息进行及时处 理。 下面让我们对纸质印 刷物和类纸显示器件进行一下详细的比 较，具体内容 见表 2 . 3 . 表 2 . 3纸质印刷物与类纸显示载体比较 比较内容 纸质印刷物类纸电子设备 屏幕大小 可以做的很大有的可以做的很大 分辨率a 4尺寸:1 0 2 4 x 7 6 8 /8 8 0 x 6 4 0 精细度 1 2 0 0 d p i 24 0 0 d p i 1 5 0 d p i3 0 0 d p i 对比度 可达8 : 1一般为5 : 1 - 1 0 : 1 视角影响不大几乎不受限制 光电过渡时间 没有反应速度最快可达u s级 光效率 7 0 y o有的可达6 0 % 灰度/ 色彩色彩非常丰富，表现力好 彩屏技术不很成熟， 可高灰阶显示 基质材料 柔性纤维玻璃或塑料聚合物 重量a 4尺寸:不到，克a 4尺寸:1 5 0 -5 0 0克 功耗没有功耗可以很低 使用寿命 很长较长 成本 很低较低 从以 上比 较得出， 针对移动阅读，新兴的类纸显示设备获得的显示舒适性 从某种程度上讲可以 和纸质印刷物相当。 随着科学技术的 发展以 及显示器成本 的不断下降，类纸显示 器必将取代纸质印 刷物， 被人们所接受， 成为人 们的新 宠。 第二章 类纸阅读显示设备 第三节 类纸显示设备 通 过前面的分析， 我们看到没有任何一种类型 的显示器是没有缺点的，也 就是设计者一定要根据具体的设计要求来选择一款最适合的显示器。一定意义 上来说，显示器只有最适合，没有绝对的 “ 最好” 。那么对于我们的电子书阅读 设备而言， 什么样的显 示器才是最优的? 我们究 竟选择什么样的 显示器 才能 更 好满足阅 读舒适性的需求?或者说，要实现阅 读的 舒适性对显示设备又 有哪些 要求呢? 让我 们从以下 几个方面进行分析: z . 3 . 1光学显示指标 电子书阅读设备也是一种光电显示设备，因而对它的评价当然也包括其光 电特性方面的指标。主要从下面这些指标考虑: . 分辨率 要 衡量 版面显示的清晰程度， 分辨率是一个非 常重要的 性能指标，针对一 定尺寸的屏幕， 显示设备分辨率越高，同 一屏幕内 能 容纳的 信息就越多。显示 设 备的d p i ( d o t p e r in c h ) 还 决 定了 显 示 的 精 细 程 度 ， d p i 越 高 显 示的 效 果 越 好 。 传统 c r t显示器所支持的分辨率较有弹性，而液晶的像素间距己经固定，所以 支持的 显示模式 不像c r t 那么多. 只有在最佳分 辨率下， 液晶 显示 器才能显现 最佳影像。 . 对比度/ 亮度 对比度是 屏幕上同一点 最亮时 ( 白 色)与 最暗时 ( 黑 色) 的亮度的比 值， 高的对比 度意 味着相对较高的 亮度和呈现颜色的 艳丽程 度。在规定的 照明 条件 和观察条件下，对比度越大，人在观察图像时会感觉越清晰，而人眼所能接受 的对比 度最低为 5 : 1 ， 但是对比 度也不宜太高 ， 太高对 人眼来说会成为 一种刺 激，所以我 们将上限定 为2 0 : t o 亮度是 指画面的明 亮程度， 单位是堪德拉每 平米 ( c d / m 2 ) 或称 n i t s ， 也就 是每平方公尺分之 烛光。需要注意的是， 较亮的 产品 不见得就是较好的 产品， 显示器画面过亮常常 会令人感觉不适， 一方面容易 引起视觉疲劳，同时 也使纯 黑与纯白的对比降低，影响色阶和灰阶的表现。 第二章 类纸阅读 显示设备 . 视角 视角是指用户可以 从不同的方向 清晰 地观察屏幕所有内容的角 度。 视角是 衡量能 否灵活调节阅读姿势的一个重要指标， 从某种意义上讲， 便携式显示设 备可视角度越大， 越方便读者 调整阅 读姿势。 便携设备的可视角 度达到士1 6 0 0 以上，才能保证坐卧行均可轻松阅读。 . 光效率 光效率被定义为入射到祸合器表面 上的 光通量与光源光通量得比 值。它主 要是 针对反射式显示设备的 ，外界光 源的 利用率不仅关系着这类显示设 备的显 示效果， 还直接影响着一些背光源显示设备的 功耗，因为在光效率较低的 情况 下， 只有提高背 光源的 亮度， 从而使得功 耗上升。 . 灰度/ 色彩 对于纸质印刷而言，灰度显示和丰富的 色彩是电子显示设备的一大 优点。 灰度是指黑白 图 像中 点的颜色 深度， 范围 一般从 0 到 2 5 5 ，白 色为2 5 5，黑色 为 0 。 灰度是色彩表现能力的一部分，强调的是对细微色彩过渡的表现能力。 在 文字显示中，恰当得使用带有灰度的字体，不仅可以增加字体的美感，也可以 使读者获得舒适的视觉感受。 2 . 3 . 2版面设计 电 子阅读设 备的 版面设计既不同 于纸张的固 定版面， 又不同 于p c 版面设计 的随意多变。电 子阅 读设备的 类纸版面设计需 要将两者的 优势有机的结 合起来， 形成一种在一定程度上灵活可调的半流式版面设计。 提到便携式设备， 似乎就意味着屏幕要越小越好。 其实不 然真正要读书的 话， 需要有一些特殊的感觉， 几千年养成的读书习惯需要一定的图 书尺寸，短 时间 之内 很难改 变。因 此，电 子书 便携阅读器 要具备一定的 大小， 至少 是犯开 大小， 其次读书的 功能要很强，比 如说要支持读者在书上划线、 标注、检索、 加书签等等，这 样的 功能是一般的p d a不可能 做到的。 现代电 子版面的 基本构成要素主要有字符、图形、 表格、图 像、 流媒体碎 片、 动画、 链接和注释等。 而字符在版面信息中所占的比重较 大， 所以 一定要 提高字 符的可 读性。 而字符属性主 要包括字体和字号， 字号和字 体都 具有示意 的功能，字体可以显示内容的特性，字号可以显示内容的分量。但是.标符 第二章 类纸阅 读显示设备 号也是 不容忽视的 ，标 点符号 要根据版规和禁则要求 进行处理。 为了 便于认读， 屏幕上的文字内容行间距离必须足够，而行距一般是根据正文字号来选定的。 在版面设计上，均衡与饱和度是版面形式美的重要因素.如果排版恰当， 竖排与横排相间，也会起到版面文字错落有致，相得益彰的效果。从整体考虑， 要使版面主题突出，布局合理，图文并茂，可以给读者带来赏心悦 目的视觉美 感，使读者易读、爱读。 版面设计是一 种艺术， 因此要讲究艺术美。 一个成功的版面， 不仅能准确 地能 动地表现内 容， 而且能使读者在阅读新闻的同 时得到美的享 受。 字符、图 片、色彩、线条、底纹等要素在版面中的存在并非孤立，也并非简单的叠加、 排列、铺陈，而是通过彼此的优化组合达到 ， 1 +1 2 ”的效果。利用局部的巧 妙组合创造 “ 整体 美” ， 在灵活的变化中求得 “ 统一美” ，通过有 秩序的安排达 到 “ 和谐美” ， 真正 具有艺术 性的 版面应该能够将这3 种美融合 在一起。强调版 面艺术性不仅是对读者阅读需要的满足，也是对其审美需要的满足。 2 . 3 . 3显示内容 电子显示设备所显示的内容可以分为静态图像、动态图像和立体图像三部 分。尽管对于电子书阅读器而言，也可能会包括视频、动画等立体图像。但主 要的 显示内容还是 文字、图 形、图 像和表格等静态图 像， 尤其是 作为电 子读物 主要内容的文字的显示对显示设备的精细度要求是很高的.传统的纸质印刷物 在静态显示方面有着许多令现有的绝大多数电子显示设备无法比拟的优点，比 如在精细度方面， 普通c r t 显示器只有8 0 d p i ， 而普通报纸都 有 1 6 0 d p i ， 因此可 以 说达到和超 越纸 质印 刷物的显示效果是电 子阅 读设备的目 标， 而在动 态显示 所关心的色彩 逼真程度、 响应速度等显示性能方面，电 子书阅读 设备的 要求则 要低一些。 2 . 3 . 4简易方便性 电子书阅读设备的一大特点就是它对内容的处理能力，如进行信息查询、 标注、 设置书签、 翻页等， 读者可以 在阅 读过程中 根据个人喜好改 变显示的大 小、方向，这就要求阅读设备必须提供一个友好的交互界面.同时设备外形、 按钮位置等要符合人们的使用习惯，做到尽可能的简单方便。此外，即使是显 第二章 类纸阅 读显示设 备 示静态图像，内容更新速度也不能太慢，必须保证阅读的连续流畅感。 手持显示设备便携性的要求主要表现在制作材料、外形尺寸、体积和重量 上，采用传统书籍的外观，不仅可以保证手持设备的移动性，还能很好的迎合 人们长期以来形成的书籍意识，使得电子书阅读器更快被大家接受。而随着柔 性基质材料的引入， 用柔性衬底替 代玻璃衬底构 成面板， 可以 大大降 低显示 面 板的 重量和厚度，更 适合代替纸张。重量轻、可 折叠的 显示器件用于 今后 移动 阅读领域将是一种最理想的显示设备。 2 . 3 . 5功耗与成本 功耗是所有手持设备都 特别关心的问 题。目 前很多的便携显示设备， 只要 屏幕稍大一点，就避免不了频繁的更换电池或充电，这极大地影响了读者对电 子书阅读设 备的 接受程度， 所以 超低功耗是 类纸阅 读对显示设备的 又一 个重要 要求。 通常 我们可以 用设备的连续使用时间来 衡量。 成本这 几乎是 所有商品 必须考虑的问题， 电子书阅 读设 备的成本是其能否 普及的重要因素。成本低，售价才可以降低，才会最终被大多数人接受。 2 . 3 . 6其它要求 除了 上面这些与显示设备屏幕阅 读舒适性有较直接关系的要求， 还有一些 对电 子书移动阅读 设备的 要求也很重要，因 此在评价中也 应考虑。 . 健康度 人们已 经认识到显 示器健康度指标的重要性，无 辐射、 无闪烁等要求越来 越受到人们的重视。 . 现代信息处 理能 力 移动阅读设备要具有 较好的信息处理能 力， 可针对所阅读的内容 进行信息 检索， 标注， 查询， 设置书签，翻页，并可实 现一定的多 媒体功能，同时 要求 显示设备提供一个友好的交互界面， 读者可 按照自 己的 喜好书写，完成 一些个 性化的操作。 . 存储内 容的 可扩展 性 海量存储是电子书阅 读器相对与传统纸质书籍的一大优势，因 此阅 读设备 应支持尽可能多的存储介质。 第二章 类纸阅 读显示设 备 . 版权保 护机制 电子书阅读设备是电子读物版权保护体系中的重要一环，在阅读设备上建 立合理的 版权保护 和安 全认证 机制是电 子书推 广的 必要保证. . 可靠性 可靠性要求也是手持设备所必须强调的， 手持阅读设备不像 p c那样固定在 桌面上， 并且 有可能 在室外使用。 所以， 手持设备对工作温度范围、 防潮防湿 等性能都必须有所要求。 第三章 版面加 速系统架构 第三章 版面加速系统架构 通过前面的分析，可以看到电子书阅读具有巨大的潜力。但是要想将其推 广开来， 其类纸 显示效果还有待提高， 必须 可以与 纸张 显示相媲美。所以 我们 的一 个极 其重 要的 任务就是设计与之 配套的 类纸版面显示控制系统，这样才能 使电子书更好的满足读者的阅读习惯。 第一节 设计背景 作为电子读物的载体，电子书阅读器显示效果的好坏是能否改变人们传统 阅读习惯的关键。除显示效果外，电子书阅读器还应能够提供交互界面和相应 功能，拥有一套严密的安全支撑体系来保障电子读物的版权，能够实现阅读内 容存储、使用和传播的可控性;同时还要具备低功耗，可靠性等嵌入式系统特 性。 图3 . 1电子书阅读器的设计要求 第三章 版面加速系统架构 从图3 . 1 中可以 看出 ， 电子 书阅 读器的设计 要求是多 方面的 ， 包 括版权保护， 交互功能， 类纸显示 效果以 及嵌入式系统特性。 每一项 要求都对电 子书的性能 要求提出了更高的要求。于是，我们开始了版面加速系统架构的设计与实现. 第二节 架构分析 目 前， p o w e r p c , d s p 和f p g a等类型的 通用处理器 都已 经转向了s o c架 构。这种转变表明， 在现有技术体系下，以 不断 采用先 进工艺和增大频率提升 通用处理器性能的时代已经结束。 现在， c p u + d s p + f p g a 十 硬件加速器+ u o等等这些 专用的处 理器组成的 处 理阵 列， 才能 够满足同一设备 对多种功能的 需求， 并同时 满足成本 和功耗要求. 首先探讨一下什么是硬件加速?硬件加速是指利 用硬件 模块来替代软件算法以 充分利用硬件所固有的快速特性.从软件的角度看，与硬件加速模块接口就跟 调用一 个函数一样。 唯一的区别在于 此函数驻留 在硬件中， 对调用函 数是透明 的。 硬件模块执行速度的快慢取决于 算法的不同， 执行时间 最高可比同样软件 算法加快 1 0 0倍。 硬件在 执行各种操作时 要快得多，如 执行复 杂的数学功能、 将数据从一个地方转移到另一个地方，以及多次执行同样的操纵。 针对不同市场的不同应用，s o c中的c p u , d s p和硬件加速器等的主次肯 定有所不同， 例如如果是面向 视频应 用可能 是以d s p为 主， 如果需 要复杂计 算 和联网 功能则需要强大的 c p u ，如 果面向 成熟和成本 敏感型市 场可能需要更多 硬件加速器。 s o c的技术门 槛将低于通用 处理器时代， 如果说 通用处理器时 代领先者是 一骑绝尘的话， 那么s o c时 代大家相对平等。 也就是说， s o c时 代的 创新不 仅 仅来自 于技术创新， 也来自 于 应用创新。 对于半导 体公 司来说，能否把握应用 需求， 提供系统级解决方案成为关键 由于 全球电 子系统制造甚至系统设计 向中国迁移，中国i c设计产业面临绝佳的机会. 第三章 版面加速系统架构 第三节 关键问题 针对上节提到系统 架构中的 一些关键问 题， 这节我们从人机交 互，高速屏 幕印 刷， 低成本 / 低功 耗， 复杂版面的 高速显示 等几个方 面有针对性地提出 一些 解决方案。 3 . 3 . 1人机交互 首 先 我 们 来 看 一 下 什么 是 人 机 交 互 ? 人 机 交 互( h u m a n - c o m p u te r i n te r a c t io n ) 是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话。它包括 机器通过输出 或显示设备给人提供大量有关信 息及提示请示等，人通过输入设 备给机器输入有关信息，回答问题等。 那么，在电子书阅读器的设计中，为什么希望加入人机交互的设计呢 ?这 是由人的阅读习惯所导致的，人们希望在阅读的同时可以记录阅读笔记，对阅 读的内 容随意的 添加批注等。对于我们的电 子 书阅 读器来说， 进行交互的 主要 手段就是手写体输入设备，这种方式非常适合我们中国人的书写习惯，可以一 边思考，一 边书写. 而且，这种交互输入方式也 是最为人性、最为原始的 一种 输入方式。所以，在类纸版面显示控制系统需要引入对显示设备手写输入功能 的支持， 这样才能 使电 子阅 读方式更加的 深入 人心，更加的具有竞争力。 对于电子书阅读器而言，输入的笔迹并不作手写体的识别，而只是将其以 图像的形式存储起 来， 这点是与在p c阅 读不同的。 所以， 为了既能达到理想的 书写效果， 又能 适用于便携式的电 子书籍阅 读设备， 而且还要尽量符合人 们的 书写习惯，对于手写输入设备需要满足以下几点要求:要保证书写的质量，必 须要有高的 分辨率 和好的精 度，只 有当分 辨率在2 0 0 d p i 以 上，精度达到0 . 4 n u n 以内， 才能获得 较好的 书写效果:书写的 表面应该比 较粗糙，只是因为使 用户 在书写过程中 有在纸上写字时的 感觉， 笔的 大小和重量也应尽量模拟普通的书 写用笔:系统 应该 具有擦除功能， 可以 通过硬件或软件来实现; 在各式各样的 书写用笔之中，中国的 毛笔是最富有表现力的 ，其笔画在粗细，停顿等方面的 变化形成了独 特的 书法艺术， 要达到这样的 效果，输入设备必须要有对不同压 力的 感知能力，通 过不同的 压力值给出 不同的 书写效果;功耗对便携式设备来 说始终是一个很重 要的问 题， 保持较低的功 耗是选择手写输入系统的一个重要 第三章 版面加 速系 统架构 指标. 从硬件构成来看，手写输入设备主要是由手写板和手写笔组成，其中手写 板是进行输入时的主要感应设备。按照手写板的工作原理来分，手写板可以分 为电 阻压力板，电容板和电 磁压感板三种。手写 笔也是书写系 统中 一个很重要 的 组成部分。早期的输入比要从手写板上 输入电 源，因 此笔的 尾部均有一根电 缆与 手写板相连，这种输入笔也叫有线笔。较先 进的 输入笔在 笔壳内 安装有电 池， 还有地借 助于一些特殊技术而不需要 任何电 源，因 此无须 用电 缆连接手写 板，这种笔我们成为无线笔。有线笔可靠性比较好，但是使用起来不如无线灵 活， 无线笔的使用手感非常好， 而且安全性较强。 就技术发展角 度而言，更为 重要的是手写 板的性能。d o l 总的说来，电阻式压力板虽然原理简单，成 本低， 但是材料容易 疲劳，使 用寿命短，且感触不是很灵敏.电容式触控板感应灵敏，使用方面，但是手写 笔的 笔尖不能做的很尖， 所以 书写时精度较低。电 磁式 感应板式目 前 市场份额 较大，但是它也有缺点，如对电压要求较高、电磁式感应板抗电磁千扰较差等。 而手写笔则渐渐从有线笔向无线笔发展，功能上也渐渐多样化，用户可以根据 自 己的 需要来 选择不同的手写系统。 最终，根据电子书的需要，选择电感式位置感应系统，其内部具有节能设 计，而且对于利用反射 自 然光进行显示的类纸设备来说，选用这种可以放在显 示屏后面的触控板，能够很好的提高显示质量. 3 . 3 . 2屏幕印刷 在电 子书阅读器内 存中 存储的 文件格式是 不能在显示屏上直接显示的， 必 须经过版面解析，将主存中某格式的电子读物，转换成用于显示的数据。对于 采用 传统架构的电 子书阅 读器来说版面解 析任务是串 行完 成的， 如图3 . 2 所示。 图3 . 2版面解析串行处理 在图3 . 2 中可以 看到， 版 面解 析其实就是一次印 刷过程， 只不 过是在 屏幕上 印 刷，而不同于在纸上打印的 打印 机打印。 版面加速器正是针对这种高 速屏 幕 第三章 版面加速系统架构 印刷的问题而提出来的。整个版面处理又可以分为版内处理和版间处理，版内 处理包括对版面内 字体、图 形、表格和图 像等不同 元素的 处理， 版间处理则是 指检索、索引等人机交互功能的实现。 3 . 3 . 3低成本/ 低功耗 在嵌入式系 统的设 计中， 低功耗设计是许多设计人员 必须面对的问题， 其 原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产 品不是一直都有充 足的电 源供应， 往往要靠电 池来供电， 所以 设计 人员从每一 个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能的延长电池的使用时间。 目 前市场上， 低成 本 f p g a正 势不可挡的向 应用市场渗透。 相比 起传统的 a s i c , f p g a成 本更低， 功能 更多， 因此也就具有更高的 性 价比。 作为 嵌入式系统的 基础元件之 一， f p g a的 面貌正日 新月 异。 虽然逻辑单元 在不断 增加、 单 位成本和功 耗在不断降 低， 但是f p f a的 设计灵活 性和快速转换 能力却 始终未变。 在变与 不变的共同推 动下， f p g a的 价值发生了 变化， 它己从 纯粹的建 模工具发展成为 适合中 小批量生产的 应用器件， 而其应用也从早期的 嵌入式 通信系统扩展到了 低成本的消费电 子。 f p g a之所以 越来越多 地在嵌入式 系统中得到应用，主要得益于它在低成本和低功耗两方面均取得了很好的进步， 从而能 够满足o e m 日 益紧迫的上 市周期、不断缩减的 成本结构 和低功耗要求。 随 着未来可编程逻 辑器件工艺的 不断进步和开发工具的 不断增强， f p a g将 向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展，其将在更广泛的范围普及。 而 类纸版面加速器属于 嵌入式系统的范 畴， 其设计开发要 保证低功耗、 低成本， 所以， 将f p g a芯片引入 类纸版面加速 系统设计中， 将会很 好的 达到 这一目 的， 从而使电子读物阅读设备满足人们舒适性类纸阅读的要求。 3 . 3 . 4屏幕显示 前面己经有所了解，现代电子版面设计已经相当的复杂了.版面信息是多 种多样的，有图形，图像，文字，表格，动画，多媒体等等。这种复杂版面显 示将成为未来发展的趋势， 那么面对 这样的需求，便需要设计一 个高效的 版面 显示控制系统，很好的实现电 子版面的高速 类纸显示。 提到版面的显示问 题， 必然会涉及显示的两个重要指标:分辨率和精细程度。 第三章 版面加速系统架构 3 . 4 . 2五层结构 为了有效 提高 系统整体处理性能， 我们将电 子书阅 读系统的工作模式先进 行分层，将版面的处理划分为以下几层，如下图3 . 4 所示. l e v e 1 0 : 系统控制 层， 此层主要根 据用户 请求， 通过m c u向系 统发出 特定 的命令， 并按照当 前的操作状态显示 相关信息. l e v e l l : 全背景层， 如果书籍建立了 版权保护机制， 制作时对内 容进行加密， 或者注入了水印 信息， 那么在此层需要对书籍内 容做解密处理，提取一定的 水 印 信息， 实现版 权跟踪。 l e v e 1 2 : 版面背景层，此 层主要 对版面结构 进行分析， 就文本区、图 形区、 表格区 和图 像区 这四 种区域进 行标记 划分， 提供 后续工作所需的内 容。 l e v e l 3 : 版面区域实体 层， 此层利用上层分 析的结 果， 对版面的 不同 区域分 别进行处理，获得显示相应内容所需的点阵数据。 l e v e l 4 : 权利覆盖 层， 该层主要处理与 用户的交互内容， 如手写 输入的 笔记， 书籍内容的批注等。 图3 . 4版面分层结构 五层结 构的 具体工作过程: 相邻层间 通过两层之间的 接口 来交互信息， 实 现层间的串 行 运作， 而根据版面的复 杂程度，在同 一层内 进行不同 的粒度 划分， 实现层内多个处理单元并行操作。 第三章 版 面加速系统架构 3 . 4 . 3版面处理单元重构思想 构 成版面的 基本元素主 要有文本、图形、表格和图像四 种，而版面处理单 元重构是 指根 据版面的复杂 程度对基本元素按不同版面结构进行重新组织， 并 且对各单元处理粒度重新划分的过程， 版面基本元素间的具体处理关系见图3 . 5 , 文本图形表格图t 仿 作， 字体 .字号 知作属性j起点坐标:终点 生标:宜续角度:终里.侈 边 形:翻 形 知作属性j灰度翻 色:压缩盆诱 点阵字体 幼 作j宜 续 : 白经 图3 .5版面基本元素间的具体处理关系 3 . 4 . 4实现框架 结合前面的五层结构模式，实体分类及其版面处理单元重构的设计思想， 提出了版面加速系统的架构方案。具体的方案架构如下图所示， 图3 .6版面加速 器系 统架构方案 从上图 可以 看出 整个系统 处于c p u的 控制之下，c p u仅负责u s b ，内 存， c f卡等一系列外设的管理。版面加速器在其控制之下，主要负责完成版面的解 第三章 版面加速系统架构 析工作。 将解析完毕的信息送到显存， 然后通过显示控 制模块将适合显示的文 件送到显示屏显示。但是， c p u还是 可以 直接访问 显示， 只是 速度有所不同。 图3 . 7版面加速器内部结构 版面加速器主要负责版 面解析 工作. 其内 部设计如 上图3 .7 所示。 采取的 是 “ 一主多从”的设计思想。 其中 主处理单元负 责与外部的通讯、任务分配、结 果收集。从处理单元接收主处理单元提供的 任务，根 据命令动态地执行相应的 程序，并负责调用硬件加速模块。 而其中的硬 件加速 模块是针对应用中 用到的 特殊函数，如图像解 压缩中 的mc t ( i n v e r s e d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m， 反向 离 散余弦 变换) 、画 直线的d d a或b r e s e h a m算法， 文本处理中的 字体缩放等，使 用硬件模块实现. 第四章 系统实现与验证 第四章 系统实现与验证 第一节 系统开发平台 及工具 4 . 1 . 1 f p g a与s 0 0 1 . fpga f p g a是 英 文f ie ld p r o g ra m m a b le g a t e a r ra y 的 缩 写 ， 即 现 场 可 编 程门 阵 列 ， 它是在p a l , g a l , e p l d等可编程器件的 基础上进一步 发展的 产物。 它是作为 专用集成电 路 ( a s i c ) 领域中的 一种半定制电 路 而出 现的，既解决了 定制电路 的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a基本开发 流程主要包括五 个方面: 设计输入( d e s i g n e n t ry) ; 设计仿 真 ( s i m u l a t i o n ) ;设计综合 ( s y n t h e s i z e ) ;布局布线 ( p l a c e 配置 ( c o n fi g u r a t i o n ) . 设计输入: 主要有 原理图 输入和h d l 输入两 种方式， 一般开发商 都同 时 支 持两种输入方式。 还有的 甚至 提供更多的输入 方式， 如x i l i n x 公司的i s e 6 . 0 就 提供四 种输入方 式， 包括e d 网 表输入。 有些熟 悉硬件设计的 工程师开始喜 欢 利用原 理图 进行设计，这种方法非常直观，但基于可 移植性和规范化方面的 考 虑，绝大部分深 入f p g a设计和a s i c 设计的工 程师最终都将统一到h d l 平台 上来。 设计仿 真: 包含功能仿真和时序仿真两项主要内容， 功能仿真忽略了 综合 和布局布线导 致的 时延等因素，仅仅从逻辑上进行仿真， 这对设计思路的验 证 是有帮助的， 但 必须通过时序 仿真作进一步验证， 发现并修正时序问 题。 设计综合: h d l语言生 成用于布局