（光学工程专业论文）基于sopc的平板显示技术中几个关键问题的研究.pdf

基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 摘要 本文探讨了片上可编程系统( s o p c ) 在平板显示中应用的几个关键问题。主 要包括s d rs d r a m 存储控制器的组织及设计，双体查找表方法在g a m m a 校正中 的应用等。同时，对片上可编程系统( s o p c ) 在平板显示中的应用，本文也进行了 探索。 全文共分为六个章节。第一章介绍了论文的研究背景以及s o p c 在平板显示技 术中应用的意义，概括地说明论文的研究方法及其组织结构，确立了本文的研究 方向和研究内容。 第二章主要介绍了平板显示驱动技术的基本原理。对f p g a 的基本结构以及基 于f p g a 的时序设计，本文也进行了简要介绍。 在第一章和第二章的基础上，第三章研究了双体查找表以及多体查找表方法在 f p g a 上的实现，以及双体多体查找表方法在g a m m a 校正中的应用。采用双体 多体查找表方法，能够有效地减少对f p g a 上宝贵的存储器资源的占用，提高资 源利用率。 第四章研究了基于s d rs d r a m 的平板显示技术的存储器组织以及s d r s d r a m 控制器在f p g a 上的设计、测试及实现。主要解决了如何高速而又高效地 在f p g a 中实现s d rs d r a m 控制器的问题。 第五章介绍了片上可编程系统( s o p c ) 以及用户逻辑接口在片上可编程系统上 的实现。并对片上可编程系统在平板显示中的应用进行了初步的研究。 第六章对本论文的研究进行了总结，并对后续工作进行了展望。 关键词：f p g a ，平板显示，片上可编程系统，s d rs d r a m 控制器，n i o s 1 1 1 基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n 。s e v e r a lk e yp r o b l e m sa b o u tt h ea p p l i c a t i o no fs o p ci n f i a tp a n e ld i s p l a ya r er e s e a r c h e d t h e s ep r o b l e m si n c l u d et h eo r g n a z a t i o na n d d e s i g no fs d rs d r a mc o n t r o l l e r t h ea p p l i c a t i o no fb i p a r t i t e m u l t i - p a r t i t e m e t h o di ng a m m ac o r r e c t i o n a n d t h ea p p l i c a t i o no fs o p ci nf i a tp a n e ld i s p l a y t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ss i x c h a p t e 噶i nc h a p t e r o n e r e s e a r c h b a c k g r o u n da n dt h em e a n i n g st oa p p l i c a t es o p ci n f i a tp a n e ld i s p l a ya r e i n t r o d u c e d ，t h er e s e a r c hc o n t e n t s ，r e s e a r c hm e t h o da n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h i s d i s s e r t a t i o na r eg e n e r a l i z e d i nc h a p t e rt w o ，t h eb a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt o p a n e ld i s p l a y d r i v i n g t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d t h es t r u c t u r eo ff p g aa n dt h ea n a l y z i n go fl o g i c t i m i n gs e q u e n c eo nf p g aa r ei n t r o d u c e de i t h e r o nt h ef o u n d a t i o no fc h a p t e r1a n dc h a p t e r2 c h a p t e r3s t u d i e st h e b i - p a r t i t e m u l t i - p a r t i t em e t h o d sb a s e do nf p g aa n dt h e i r sa p p l i c a t i o n0 n g a m m ac o r r e c t i o no ff i a tp a n e ld i s p l a y b yt h eu s a g eo ft h e s em e t h o d s ，al o to f m e m o r yr e s o u r c e o nf p g ac a nb es a v e d i nc h a r p t e rf o u r ，m e m o r yo r g n a z a t i o no ff i a tp a n e ld i s p l a yb a s e do ns d r s d r a ma n dt h ed e s i g n ，t e s t ，a n dr e a l i z a t i o no fs d rs d r a mc o n t r o l l e ro n f p g aa r er e s e a r c h e d t h i sc o n t r o l l e rc a nw o r ki nf p g aw i t hh i g hs p e e da n d h i g he f f i c i e n c y i nc h a p t e rf i v e ，t h es o p cs y s t e ma n dc u s t o m i z e dl o g i ci n t e r f a c ea r e r e s e a r c h e di nd e t a i l t h ea p p l i c a t i o no fs o p co nf l a tp a n e ld i s p l a yi si n t r o d u c e d b r i e f l y i nc h a p t e rs i x ，as u m m a r yo ft h i sd i s s e r t a t i o na n da no u t l o o ko ff u t u r ew o r k s a r eg i v e n k e y w o r d s ：f p g a ，f i a tp a n e ld i s p l a y , s o p c 。s d rs d r a mc o n t r o l l e r , n i o s 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本， 电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行 任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业 性使用( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责任。 n 学位论文知识产权权属声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。知识产权归属中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所。长春光学精密机械与物理研究所享有以任何 方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离所后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为长春光学精密机械与物理研究所。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月日 基于$ o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 1 1 引言 第一章绪论 当计算机技术发展到2 1 世纪时，计算机技术在高速计算、数字信号处理、人 工智能和信息显示技术等领域表现出了非凡的能力，并逐渐向微型化方向发展【1 】。 现在，微型化技术则又派生出两种研究类型：基于p c 技术而诞生的多微机结构和 基于v l s i 技术发展的单片微机结构。单片微机结构将构成一个计算机系统的基本 和必要的外围器件和外设接口全部集成在一个单一的专用芯片中，形成所谓片上 系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 或集成在f p g a 中，构成片上可编程系统( s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 。 同时，随着计算机技术应用领域的不断深入，人们也开始重新审视某些特定 环境，如实时控制、实时数字信号处理环境以及信息显示环境下的模型建立控制 以及数据传输，并且对此有了更加深入的认识。与一般通用计算机处理系统体系 结构完全不同，实时系统体系结构的建立主要应考虑以下几个方面： 1 、如何实现将计算机系统嵌入到一个具体应用系统中； 2 ，这类嵌入式系统在实际应用环境中如何满足系统可靠性的要求； 3 、如何在尽可能小巧而完备的系统中实现规定的功能； 这类计算对通用计算机系统的海量存储体系要求并不是很苛刻，但却要求较 强的实时性。随着对实时性的要求越来越高，作为通用器件的f p g a 以及基于 f p g a 的硬件实现越来越受到电路设计人员的重视。与通用的c p u 与d s p s 相比， f p g a 更适用于并行运算或需要实时、高速的场合，其运算速度可达到通用c p u 或d s p s 的1 0 倍以上乃至数百倍i 羽。与专用的a s i c 相比，虽然f p g a 的速度、 功耗等性能略逊一筹，但较小的前期开发成本和快速的研发及投产使得f p g a 具 有强劲的竞争力。目前，随着电子技术的日益发展，半导体的制造工艺已经演迸 到以o 1 3 u r n 和9 0 n m 工艺为主流的时代，f p g a 的密度也随之大幅提升，f p g a 器件密度的增长速度甚至远远超过商用的c p u 、d s p 等产品，这使得将c p u 软 ( 硬) 核嵌入f p g a 成为了可能。现在，各大f p g a 主要生产厂商都推出了基于 f p g a 的处理器软核。通过内嵌的c p u 软核来增加设计的灵活性，然后再通过片 上多c p u 核和定制的硬件加速器的方法进行并行运算，超越运算速度的瓶颈，并 第一章绪论 把整个设计集成到一片f p g a 上，构成一个片上可编程系统( s o p c ) ，已经成为 硬件设计的一种通用的方法。因为片上可编程系统的体积大大减小，芯片的使用 量同等减少，系统的故障率也将下降，所以比较适合于高可靠性的应用。 s o p c 技术在平板显示中的应用是一个新的课题，但随着半导体技术的飞速 发展和开发软件功能的日益增强，将s o p c 技术应用到平板显示中将成为一种必 然的趋势。原因如下： 1 、f p g a 性能的提升。随着f p g a 演进到以9 0 n m 工艺为主流的时代，s o p c 完全可以工作在1 0 0 m h z 以上甚至2 0 0 m h z 的频率上，这使得s o p c 技术突破了 速度上的限制，可以应用到原来完全由硬件逻辑实现的平板显示驱动技术中。 2 、灵活性上的要求。平板显示技术发展到今天，需要越来越多的功能如g a m m a 校正，亮、色度校正，网络传输和控制以及一些基本函数的运算等，对于这些功 能的实现来说，软件实现和硬件实现相比，具有更强的灵活性。 3 、开发软件的日益完善。举例来说，a l u m 公司的最新版的开发软件q u a r l u s l l 6 0 在n i o si d e 环境下可以对c 代码进行分析，并可由用户选择影响运算速度的瓶颈 代码段，直接在s o p c 中生成硬件加速器并集成到s o p c 中，从而解决了运算速 度问题。 因此，s o p c 在平板显示中的应用可以兼顾灵活性和速度问题。在i p 库比较 完善时，能够大大加快开发进度。本章首先介绍了课题的背景及研究目标，在回 顾了与课题有关的技术及发展现状后概要介绍了论文的主要工作及创新点，最后 给出了论文的主要内容及章节安排。 1 2 课题背景及研究目标 片上可编程系统( s o p c ) 是一个较新的概念，而片上可编程系统在平板显示 技术上的应用更是一个新的课题，有必要对其进行认真研究。另外，虽然片上可 编程系统开发环境本身提供了许多现成的i p 模块，但许多底层模块并不完善，对 这些底层模块的硬件描述语言代码进行修改能大大改善片上可编程系统的整体性 能。一本文主要的研究目标是片上可编程系统在平板显示技术中的应用，s d r s d r a m 控制器的设计以及在f p g a 上的实现，双，多体查找表方法在g a m m a 校 正中应用的研究等几个关键的问题。 在信息显示驱动技术，特别是在l e d 平板显示系统中，因为其扫描方式为分 2 基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 区扫描，不同于普通c r t 显示器的逐行扫描，所以必须有专用的高速大容量存储 器对每一帧数据进行缓存，采用s d rs d r a m 进行缓存是一种比较常用的做法。 然而高速而高效的s d rs d r a m 控制器的设计却是逻辑设计中的一个难点，本文 对f p g a 上s d rs d r a m 控制器的实现进行了研究。g a m m a 校正是平板显示中 一个重要的环节。采用硬件描述语言，本文实现了双体，多体查找表方法。该方法 可大大降低对查找表方法对宝贵的片上存储器资源的需求。 1 3 与课题有关技术的发展现状 s o p c 技术的发展是许多因素综合作用的结果，包括半导体技术的飞速发展， 由此所带来的f p g a 技术，s o c 技术的发展以及f p g a 技术和s o c 的综合的产 物s o p c ，正是因为有了1 0 万门规模以上的f p g a ，有了s o c 的理念和i p 核的 发展，才导致s o p c 的最终产生及繁荣。 1 3 ，1 与半导体技术有关的发展现状 从第一只通用晶体管到通用的m p u ( m i c r o p r o c e s s i n g u n i t ) ，再到专用的 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) ，集成电路的发展真正遵循了这样一种通用和专用 交替上升的模式。现在通用的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 以及c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的大范围应用，微电子工艺进入o 2 5 u m 后专用的系统芯片( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 的发展以及将来通用的s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 或u s o c ( u n i v e r s a ls o c ) 更是验证了这 样一个事实。伴随着这种发展过程，集成电路也从一维系统逐渐发展成多维系统。 最早的集成电路完全由硬件构成，系统是单自由度的，与之相对应的设计方法是 单自由度的设计方法学，如基于流程的设计方法；嵌入式系统出现后，芯片的部 分功能改由嵌入式软件来实现，系统发展到二自由度，相应的设计方法学也发展 到二自由度设计方法学：软硬件协同的设计方法，此时系统所倚重的是嵌入式操 作系统；当在系统中加入了f p g a 或c p l d 等可编程逻辑器件时，就发展成为三 自由度系统：可重构嵌入式系统，相应的设计方法学就是三自由度设计方法学， 如基于平台的设计方法，系统除了操作系统之外又加入了f p g a 的编译及以网表 形式存在的各种电路设计；将来。在动态可重构的f p g a 真正达到实用阶段之后， 系统也将发展到四自由度系统：动态可重构的嵌入式系统，系统也将在以上系统 第一章绪论 的基础上再加入嵌入式实时编译。与这种电子系统的发展相适应，f p g a 也将在 硬件系统的设计中扮演越来越重要的角色。 1 3 2f p g a 技术的发展现状 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 即现场可编程门阵列，是在p a l ， g a l 基础之上发展起来的可编程逻辑器件，同以往的p a l 或g a l 器件相比，f p g a 的规模较大，可替代几十甚至几千块通用i c 芯片，已经成为一种系统级部件。 f p g a 芯片是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几 个优点； 1 ) 硬件资源丰富。随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不 断提高，f p g a 单一芯片内部可以容纳最高可达几千万个逻辑门，上亿个晶体管， 实现功能也越来越强。以a l t e r a 公司的高端芯片s t r a t i x l l 系列的e p 2 s 1 8 0 为例【3 】， 其等效门数为3 0 0 万门以上，内部资源包括1 7 9 4 0 0 等效逻辑单元( l e ) ；有三种 规格的片上r a m ，m 5 1 2 ( 3 2 。1 8 b i t ) 9 3 0 个、m 4 k ( 1 2 8 3 6 b i t ) 7 6 8 个和m r a m ( 4 k 1 4 4 b f f ) 9 个，片上r a m 总的大小为9 3 8 3 0 4 0 b i t ；9 6 个d s p 模块，每个 d s p 模块可分割成8 个9 b i t 9 b i t 的硬件乘法器，或4 个18 b i t * 18 b i t 的硬件乘法 器，或一个3 6 b i t * 3 6 b i t 的硬件乘法器；有4 个增强型锁相环和8 个快速锁相环， 与快速锁相环相比，增强型锁相环支持更为精细的分频和倍频以及时钟切换、远 程重配置等；最大用户i o 为1 1 7 0 个。在功能上，s t r a t i x l l 支持各种如l v d s ，p c i ， l v p e c l 等各种单端，高速差分等l o 标准，支持高速串行传输s e r d e s ，其r a m 的最高频率可达到4 5 0 m h z 。 2 ) 软件i p 众多。i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 是集成电路知识产权模块的简称， 集成电路l p 的定义是：经过预先设计、预先验证，具有相对独立的功能，接口符 合标准，具有商业流通能力的电路模块。在产业界，i p 又常被称为s i p ( s i l i c o ni p ) 或v c ( v i r t u a lc o m p o n e n t ) 。 集成电路设计方法学将设计工作分为行为域，结构域和物理域三个相互正交的 设计域，i p 也可据此分为软i p ( s o f ti p ) ，固i p ( f i n l li p ) 和硬i p ( h a r di p ) 【4 】。 软i p 是用硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 描述的可综合 的电路功能模块，由于不涉及具体的物理实现，因此灵活性好，但也存在着性能 上( 如时序、面积、功耗等) 可预知性较差的缺点。固i p 是基于特定代工线( f o u n d r y ) 基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 的综合库所产生的网表，在结构、面积以及性能的安排上都进行了优化，其性能 及灵活性介于软i p 和硬i p 之间。硬i p 是基于特定代工线的版图库生成的物理版 图，在频率、面积、功耗等方面都作了充分的优化，预知性好但灵活性及可移植 性较差。 对于当代的系统设计来说，提高设计效率的唯一途径就是尽可能多地使用已有 的电路模块，然后将他们通过某种方式拼装成自己的系统，这就是i p 重用和i p 集成。i p 重用所带来的影响是巨大的。1 9 9 7 年，每个工程师进行新设计时的生产 率为1 1 0 0 个晶体管每周，采用i p 模块进行设计时的生产率为2 1 0 0 个晶体管每周。 到了2 0 0 0 年，每个工程师的生产率只提高了一倍，为2 6 8 3 个晶体管每周，而采 用i p 模块进行设计的生产率则达到了3 0 0 0 0 个晶体管每周，采用i p 模块进行设 计的方法所具有的优越性由此可见一斑。 各大f p g a 生产商以及专业l p 核提供商都提供应用于各种场合的软件l p 资 源【5 】，如存储器接口、高速串行收发器，p c i 接口，f i r 或i i r 滤波器，f f t ( i f f t ) 单元等。这些i p 核都经过严密的测试及验证，在定制参数后，这些i p 核可直接下 载到f p g a 上，实现特定的功能。这些资源能大大促进项目开发的进程，缩短产 品的上市时间。 3 ) 设计升级灵活。f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人 员承担投片风险和费用。f p g a 软件包中有各种输入工具和仿真工具，版图设计 工具和编程器等，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入，编译、优 化、仿真，直至最后芯片的布局和下载。设计人员只需在自己的实验室里就可以 通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。用户可以反复地编程、擦除、 使用或者在外围电路不动的情况下修改逻辑以实现不同的功能。所以，f p g a 适 合于快速原形设计，而且，f p g a 软件易于使用，可以使设计人员更能集中精力 进行算法设计或电路设计，快速将产品推向市场。 1 3 3s o c 技术的发展现状 一系统芯片通常指在单一的芯片上实现的数字计算机系统，该系统应该包括两个 部分，硬件部分和软件部分。硬件部分包括m c u ，b u s ，r o m r a m ，i op o r t 等计算机系统的主要部件，软件部分包括重要的应用软件或操作系统。由于s o c 的基本体系结构以片上总线为核心，这使芯片天然地具有可扩展性：芯片的升级 第一章绪论 换代只需在总线上增加新的l p 功能模块，因此可以把s o c 看作一个设计平台， 在该设计平台上可开发出一个产品系列。这种设计平台对降低设计成本，加快上 市时间，保证产品质量都起着十分重要的作用。业界一般认为，现阶段的集成电 路产业正处于s o c 时代，代表产品为a r m ，d s p s 等。 s o c 的设计主要依赖于方法学的指导，s o c 设计方法学主要包括三个方面： 软硬件协同设计，i p 的重用与集成，深亚微米设计。在这三者之中软硬件协同设 计是s o c 设计方法学的核心，i p 的重用与集成是s o c 设计的保证，深亚微米设 计则是s o c 设计所面临的挑战。 1 3 4s o p c 技术的发展现状 片上可编程系统( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 是f p g a 的第 二大生产厂商a l t e r a 公司提出的一种s o c 解决方案。它将n i o s 处理器、存储器、 l ，o 口，l v d s ，s e r d e s 等系统设计所需要的功能模块集成到一个可编程逻辑器 件上，构建成一个可编程的片上系统。它是可编程系统，具有灵活的设计方式， 可裁减、扩充和升级，并具备软、硬件在系统可编程的功能，同时还有丰富的l p c o r e 资源可供灵活选择。f p g a 的第一大生产厂商x i l i n x 也有类似的软核 m i c r o b l a z e ，它能实现浮点运算功能。 目前，基于s o p c 的带有硬件加速功能的可配置型处理器，已经成为解决仅 依靠增加主频速度来提高处理器工作速度而收效甚微的难题的有效手段。例如， 美国赢通系统公司近年来推出的基于f p g a 的服务器，其工作能力超过5 0 台 d e l l 或i b m 计算机；s u nm i c r o s y s t e m s 公司的服务器的处理速度则比传统的服 务器快5 0 3 0 0 倍：d e l l 和s u n 公司的某些标准服务器也采用了a l t e r a 公司的 f p g a 芯片嘲。 1 3 论文的主要内容和章节安排 在本文的第一章介绍了论文的研究背景以及s o p c 在平板显示技术中应用的 意义，概括地说明论文的研究方法及其组织结构。第二章介绍了平板显示驱动技 术的基本原理。同时，也介绍了f p g a 的结构及约束的施加，这是基于f p g a 的 设计的基础，所有基于f p g a 的高速逻辑设计都要求对f p g a 的结构以及f p g a 上的约束有一个较深入的理解。第三章研究了双体查找表以及多体查找表方法在 6 基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 f p g a 上的实现，以及双，多体查找表方法在g a m m a 校正中的应用。查找表方法 是最快的基本函数实现方法，应用领域比较广泛，包括商用c p u 在内的许多场合 都用到了查找表方法。第四章研究了基于s d rs d r a m 的平板显示技术的存储器 组织以及s d rs d r a m 控制器在f p g a 上的设计、测试及实现。主要解决了如何 高速而又高效地在f p g a 中实现s d rs d r a m 控制器的问题。在论文的第五章， 介绍了s o p c 在平板显示中的应用。第六章对整个论文进行了总结，对未来的工 作进行了展望。 7 第二章平板图像显示原理及基于f p g a 的逻辑设计 第二章平板图像显示原理及基于f p g a 的逻辑设计 本章首先介绍l e d 平板显示器件显示驱动的基本原理。因为显示驱动电路的 设计主要是在f p g a 上实现的，在本文的后半部分对f p g a 的结构以及约束也进 行了简单的介绍。 2 1l e d 显示屏驱动原理 l e d 是电流型器件，其发光强度的控制主要是通过对正向电流的调节达到的， 具体主要通过以下几个方法：电流驱动以及脉冲宽度调制。一般情况下，电流驱 动方法适合于小规模的l e d 驱动，平板显示中采用最多的方法是脉冲宽度调制方 法。脉冲宽度调制方法主要是利用人眼的视觉惰性，采用l e d 做周期性的通断供 电的方法来控制其发光强度。采用脉宽调制方法应注意以下几个问题，其一应保 证脉冲驱动电流的平均值与直流驱动的电流值相同，其二应保证脉冲的重复频率 高于2 4 h z ，否则会出现闪烁现象，导致图像的稳定度下降。在实际应用中通常会 采用更高的频率，例如6 0 h z 以上。且前，平板显示器图像显示脉冲宽度调制方法 基本上为组合驱动方式，包括两个方面：行( 列) 方向的扫描驱动以及列( 行) 方向的 占空比控制。扫描驱动通过数字逻辑电路，使显示点阵的若干显示像素的行( 列) 轮流导通，其主要目的是节约驱动器件，降低电路的代价：占空比控制的目的是 调节有效脉冲的宽度，用于图像中显示灰度级的控制【7 】。 在扫描驱动电路对l 行( 列) 显示像素进行驱动时，假定在行( 列) 切换时没有时 间延迟，而且每行( 列) 的显示像素导通时间是相等的，则每行的占空比为i l 。此 时的驱动电流幅值应该等于相当的直流驱动电流的l 倍，才能达到与相应的直流 驱动一样的效果。当然该驱动电流不得超过器件允许通过的最大脉冲幅值，这样l 的值就不可能取得太大，否则不是显示亮度不够，就是电流超过极限值，一般l 最大可以取为1 6 。 行( 列) 扫描驱动电路实际上已经限制了每一个扫描行( 列) 的最大时间宽度t l ， 假定图像的帧重复频率为f ，扫描的行( 列) 数量为l ，则有： t l - 1 ，l f ( s )( 2 - 1 ) 由上式可以看出，如果要最大幅度的提高t l ，有两种方法可以选择：降低帧 8 基于$ o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 频和减小扫描行( 列) 的数量。在显示系统设计时应根据实际需要确定该项指标，不 可盲目降低帧频和减小扫描行的数量。 每一个扫描行( 列) 的最大时间宽度t l ，即最大的占空比数值实际上决定了显示 器的最大亮度。在进行灰度级显示的情况下，要求随时调整占空比以使显示器达 到相应的发光强度。灰度级控制的具体步骤是，首先给定所要显示的灰度级，根 据显示灰度级的具体数值调制成相应的占空比。设需要显示的灰度值为s ，显示 灰度级的最小数值为0 ，最大数值为s l ( o s s l ) ，则显示器的点亮时间为： t l = ( s j s , ) t l ( s ) ( 2 2 ) 具体实现这种脉冲宽度组合驱动的方法主要有计数器法和比较器法。顾名思 义，计数器法主要是通过计数器实现对脉冲宽度的控制，比较器法则利用显示数 据的具体数值在单位时间盯l ) 内对相应显示行( 列) 进行多次反复扫描，从而形成有 灰度层次的视频图像，该方法又称为时间片扫描方法。由于时间片扫描方法便于 电路的共用，既可以用于图文显示器，又可以用于图像显示器，节省驱动的成本， 得到大多数设计者的青睐嘲。 2 2 基于f p g a 的逻辑设计 如今，现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , f p g a ) 正处于革 命性的实时现场控制和信息显示技术的前沿。过去，前端的可编程数字信号处理 算法，例如f f t ，f i r ，i i r 滤波器等都是利用a s i c 或者d s p s 构建的，但现在 在很多场合，它们都可以被基于f p g a 的l p 核实现所代替。在许多高带宽的信号 处理应用领域，例如无线电、多媒体或卫星通信，f p g a 可以通过一个芯片上的 多个m a c 单元来提供更多的带宽。在错误校正等算法中，f p g a 的效率也更高。 在过去2 0 年中，f p g a 一直保持以2 0 以上的速度稳步增长，超过a s i c 、通用 处理器以及p d s p l o 以上。这缘于f p g a 具有许多与a s i c 相同的特点，如具 有更高的吞吐量、更好的防止非授权复制的安全性、降低了元器件和开发的成本， 并且还降低了电路板测试成本。此外f p g a 还具有a s i c 所不具备的优点，例如： 开发时间的缩短( 快速原型设计) 以及在线路中可重复编程的性质嗍。片上可编程系 统主要是以f p g a 为平台实现的，这要求对f p g a 器件有比较深入的了解，在本 章的开始将首先以a l t e r a 公司的f p g a 芯片为例介绍f p g a 的结构，在此基础上 说明基于f p g a 的逻辑设计 9 第二章平板图像显示原理及基于f p g a 的逻辑设计 2 2 1f p g a 的结构 可编程逻辑器件可以按照颗粒度进行分类，分为小颗粒度器件或“门海”结 构、中颗粒度器件( f p g a ) 以及大颗粒度器件( c p l d ) ，也可以按照制造技术进行分 类，分为$ r a m 工艺，e p r o m 工艺，e 2 p r o m 工艺以及反熔丝工艺的器件。对 于f p g a 来说，具有优势地位的s r a m 器件是基于静态c m o s 存储技术并且是 系统内可编程和可重复编程的，以下就对f p g a 的结构进行简要介绍。 f p g a 基本由五部分构成【1 0 】：可编程输入，输出单元、基本可编程逻辑单元、 布线资源、嵌入式块r a m 、底层嵌入功能单元。以a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列 f p g a 为例，f p g a 的结构如图2 1 所示： 图图图回固图囹 圈 口 目 胃 目 曰 冒 u 围 固 fe m b c d c d 蛋 冒 f u n c 【1 0 1 1 且l 日c m l e n t ( p u d ) 2 2 2 可编程输入输出单元 图2 1f p g a 结构原理图 可编程输入输出单元( i o e ) 简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接口部 分，完成不同电气特征下对输入，输出信号的驱动与匹配要求。为了使f p g a 有更 灵活的应用，目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式。可以适配不同 的电气标准与i ，o 物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻，可以调整输出 l o 回回回囤回回回回回回回回 基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 驱动电流的大小等h 。可编程l i o 单元支持的电气标准因工艺而异，不同厂家不同 器件族的f p g a 支持的标准也不同，一般来说，常见的电气标准有i 、厂r r l 、 l v c m o s 、s s t l ，h s t l 、l v d s 、l v p e c l 和p c i 等。值得一提的是，随着a s i c 工艺的飞速发展，目前可编程i o 支持的最高频率也越来越高，一些高端f p g a 通过d d r 寄存器技术，甚至可以支持高达2 g b i 愧的数据速率。 c y c l o n e 系列f p g a 的可编程输入输出单元结构如图2 2 所示【1 2 】： 在l o e 单元中包括三个触发器：输入触发器、输出触发器和输出使能触发器。 在其它高端芯片中，如a i t e r a 公司的s t r a t i x l l 系列的f p g a 芯片，通常有两个输 入触发器，两个输出触发器和两个输出使能触发器【1 3 1 ，用于实现d d r1 0 功能。 l n m nk c g l s l c r 图2 2 可编程输入输出单元( 1 0 e ) 结构图 由于i o e 中的触发器距离j ，o 管脚的延时非常小，所以在设计中，如果需要减小 输出管脚的时钟到输出延时，或者是减小输入管脚的时钟建立时间要求，用户可 以分别采用l o e 中的输出和输入触发器资源，同时也会节省逻辑阵列中的触发器。 这可以通过在q u a r t u s 软件的a s s i g n m e n te d i t o r 中对i o 管脚分别增加快速输出 触发器( f a s to u t p u tr e g i s t e r ) ，快速输入触发器( f a s ti n p u tr e g i s t e r ) 和快速 输出使能触发器( f a s to u t p u te n a b l er e g i s t e r ) 的约束选项来实现。 另外，在一些设计中，要求一组输出信号之间的偏斜( s k e w ) 很小，如一组 数据总线，同样可以采用i o e 中的触发器作为输出来满足要求。这是由于i o e 的 输出触发器到管脚的延时一致性非常好，如果一组数据总线要从f p g a 输出，则 第二章平板图像显示原理及基于f p g a 的逻辑设计 让它们同时都从i o e 的触发器输出，可以保证它们之间的偏差最小，从而给接收 端提供了最大化的采样窗口。如果采用l a b 中的触发器直接输出到i o 管脚，由 于综合工具放置各个输出触发器的位置各不相同，有一定的随机性，会造成输出 延时的不一致。这样，当数据到达下游芯片时，其有效的采样窗1 ：3 就会变得非常 有限。 需要引起注意的是，在一些设计中如果把输入、输出和输出使能触发器强制 性地放在i o e 中，虽可以提高i o 的性能，但可能会导致从内部逻辑到i o e 触发 器的路径成为关键路径，反而影响f p g a 内部的性能。因此用户必须从整个设计 的角度出发，权衡利弊，进行综合考虑。 此外，在i o e 中还可对不同的i o 电平、输入，输出延时、i o 管脚的驱动电流 强度，以及l o 的翻转斜率( s l e wr a t e ) 进行可编程设置。设置管脚输出的驱动 电流越大，输出驱动器的输出阻抗越小，输出管脚对负载电容的充放电时间越短， 信号的输出延时也越小，噪声也较大。通过设置快速翻转斜率( f a s ts l e wr a t e ) ， 会得到变化速度较快但上冲( o v e rs h o t ) 和下冲( u n d e rs h o t ) 更加严重的信号。 2 2 3 基本可编程逻辑单元 c y c l o n e 的基本可编程逻辑单元称为逻辑阵列块( l o g i c a r r a yb l o c k ，l a b ) ， 图2 3 逻辑单元( l e ) 结构图 1 2 基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 逻辑阵列块由1 0 个逻辑单元( l o g i ce l e m e n t ，l e ) 、l e 进位链、l a b 控制信号、 局部互联、查找表链和触发器链所组成。局部互联用来传递同一l a b 之中各l e 之间的信号。查找表链和触发器链分别传递在同一l a b 中由一个l e 的查找表或 触发器到相邻的另一个l e 的查找表或触发器的快速互联。逻辑单元( l e ) 是f p g a 中最小的逻辑单元。每个l e 包含一个可实现任意四交量函数的四输入查找表，可 编程触发器和具有进位选择功能的进位链。l e 的结构图如图2 3 表示。 每个逻辑单元的可编程触发器可以配置为d 、t 、j k 或s r 类触发器，每个触 发器都有数据、真的异步加载数据、时钟、时钟使能、清零和异步加载，预设置输 入。对于组合逻辑来说，触发器被旁路，查找表的输出直接接到l e 的输出。每个 l e 都有三个输出，用来驱动行、列和局部互联资源。查找表和触发器可分别独立 地驱动着三个输出，两个输出驱动行、列和直通互联资源，一个用来驱动局部互 联资源。这使得查找表和触发器可以驱动不同的输出，这种特性称之为触发器打 包，使器件的利用率得到改善。 除以上的三个输出之外，查找表链允许同一l a b 中的l e 级连在一起以实现更 宽输入的函数，触发器链则允许同一l a b 中的触发器级连在一起以寄存更宽的信 号。查找表链和触发器链的使用能够保证把查找表和触发器级连在一起而无需占 用局部互联。 l e 通常可操作在两种模式下：一般模式和动态算数模式。一般模式适合于通 常的逻辑应用或组合逻辑，在一般模式下，由l a b 局部互联来的四个数据输入到 图2 4 十位全加器进位选择链结构 第二章平板图像显示原理及基于f p g a 的逻辑设计 一个四输入查找表。动态算数逻辑适合于实现加，减法器，计数器，累加器，比较 器等。在动态算数逻辑模式中，l e 被分成四个2 输入查找表，配置为动态加，减法 器的形式分别以c a r r y i n 0 和c a r r y - i n l 为进位输入，前两个二输入查找表分别 计算出两个和，其他两个二输入查找表则分别计算出进位选择电路两个支路的进 位输出。 进位选择链在动态算数模式下的l e 之间提供非常快的进位选择功能，它通过 冗余的进位计算来增加进位速度。l e 被配置成并行计算可能的c a r r y - i n 0 和 c a r r y i n l 的输出。低位的c a r r y - i n 0 和c a r r y i n l 信号通过并行的进位链接到高位、 l u t 和进位链的下一部份。进位选择链的速度上的优势来源于进位链的并行预计 算。通过l a b 进位输入选择预计算的进位链，并不是每个l e 都在关键路径上。 只有l a b 进位输入产生之间的延迟才是关键路径的一部分。图2 4 为l a b 中一个 十位全加器的进位选择电路。l u t 中的一部分产生数据输入信号和与之相对应的 进位输入信号的和，l u t 中的另一部分则产生进位输出信号。对于给定的输入， l a b 宽度上的进位输入位在两条进位链中选择一条。进位输入信号c a r r y - i n 0 和 c a r r y - i n l ，选择输出到下一位进位输入的本位的进位输出信号。最后的进位输出 信号与一个l e 相连，然后再与局部互联或行、列互联相连接。 q u a r t u s 软件能在编译过程中自动生成进位链逻辑，对于高级的应用也可以 手动生成。对于超过1 0 个l e 的进位链，q u a r t u si i 软件能自动把l a b 连接在一 起。进位链一般是沿f p g a 的纵向分布的，这允许进位链逻辑可以有效地和m 4 k 块连载一起，最长的快速进位链可贯通整个f p g a 的- n 。 2 2 4 布线资源 在f p g a 中，l e 、m 4 k 块及i o 管脚之间是通过多通道互联资源连在一起的。 多通道互联资源由不同速度的，连续的，经过性能优化的连线组成，q u a r t u s 软件 能自动将设计中的关键路径放在快速的连线上，以使性能得到优化。多通道互联 由跨过固定长度的行和列互联所组成，这种结构使得当把设计移植到其它器件中 时性能可以预测，复现性好。专用的行互联将信号由同一行中的l a b ，m 4 k 块和 p l l 中传出或传入到它们中去。这些互联资源包括将相邻的l a b 连在一起的直通 互联和由左至右跨越4 个l a b 块的r 4 互联。直通互联可以在不使用行互联资源 的情况下提供相邻的l a b 之间的快速连接，r 4 互联则用来在4 个l a b 大小的区 1 4 基于s o p c 的平板显示技术中几个关键问题的研究 域内提供快速连接。列互联的结构与行互联类似，列互联资源包括：l a b 中的l u