采用FPGA實施DisplayPort

摘要：設(shè)計性能出色的全新3D電視可走“終南捷徑”，賽靈思介紹了其Spamn-6 FPGA消費顯示套件和IP，可為DisplayPort設(shè)計帶來方便。

關(guān)鍵詞：DisplayPort；FPGA；VEsA；EDK；Sparten 6

在今年1月舉辦的美國消費電子展(CES)上，數(shù)家主要平板電視及顯示技術(shù)公司紛紛宣布推出高清3D電視和令人驚艷的4kx 2kLCD顯示器，從而可將用戶家中、車內(nèi)或移動設(shè)備上的電視、顯示器以及其他電子設(shè)備之間需要交換的數(shù)據(jù)量提升至前所未有的水平。在這些最新的電視上，體育迷們可以歡欣鼓舞地體驗到眾多優(yōu)異性能，如176’的超廣視界、1200：1的超高對比度以及450尼特的亮度——足以使最陰暗的洞穴通透明亮。

不過，對于開發(fā)這些電視或連接至這些電視的電子產(chǎn)品的設(shè)計工程師來說，最新特性需要非常高的帶寬。例如，一部具備800萬像素的四聲道4kx2k高清電視(可為家庭提供數(shù)字影院效果)需要的帶寬是當(dāng)前頂級電視和顯示器在理想工作狀態(tài)下的4倍，這意味著在機頂盒與高清電視之間存在巨大的數(shù)據(jù)吞吐量。

對更高帶寬的需求并不單來自消費產(chǎn)品市場，為了滿足MRI和CT掃描、命令與控制、菊花鏈顯示、電子公告牌與DNA 3D渲染、航空器、天氣以及人體構(gòu)造等眾多領(lǐng)域的顯示需要，廣播設(shè)備、數(shù)字顯示、科研以及醫(yī)療市場也在不斷加大對帶寬的要求。

為了在控制成本的同時還能有助于滿足這種帶寬需求，視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(VESA)于2007年向市場推出了DisplayPort。如今，VESADisplayPort 1.1a已能夠在單根線纜內(nèi)支持多達4個通道且每通道最高2.7Gbit/s的數(shù)據(jù)率，而DisplayPort1.2又將支持的數(shù)據(jù)數(shù)率翻番，達到5.4Gb/s(足以在單顯示器應(yīng)用中支持3840×2400像素(60Hz)，或4臺顯示器應(yīng)用中的1920×1200像素，或2560×1600像素的3D顯示(120Hz))。DisplayPort可同時支持兩種嵌入式顯示，如筆記本電腦的顯示器，以及視頻“源端”設(shè)備(機頂盒、DVD播放機、PC圖形卡以及筆記本電腦)和獨立顯示設(shè)備(HDMI與DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)文檔中所稱的“宿端”設(shè)備)之間的盒至盒連接(boxto-box connection)。

而賽靈思(xiIinx)推出了名為Xflinx LogiCORE DisplayPort v1.1(v1.2將在IDS 12.1中配套提供)的靈活可編程VESA DisplayPort v1.1a解決方案。在用戶展開設(shè)計之前，建議先了解與該標(biāo)準(zhǔn)的部分關(guān)鍵功能有關(guān)的背景信息，如PolicyMaker，以及如何使用Xilinx即將推出的XAPP“使用MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)實施DisplayPort Source Policy Maker Controller System參考設(shè)計”在東京電子設(shè)備(TED)提供的Spartan-6消費類視頻套件fhttp：//www.teldevice.co.jp/eng/)上完成實施工作。

Policy Maker：關(guān)鍵性差異

在顯示市場上，VESA通過DisplayPort引領(lǐng)著從VGA、DVI以及HDMI等協(xié)議成功升級至高速串行收發(fā)器、基于包的層架構(gòu)協(xié)議。與并行協(xié)議不同，串行分組協(xié)議在實現(xiàn)和維持連接或鏈路方面要多一層復(fù)雜性。在VESA DisplayPort 1.1a規(guī)范中，控制功能被劃分為Link Policy Maker和Stream Policy Maker。Link Policy Maker可管理鏈路，并負責(zé)保持鏈路同步。其任務(wù)包括發(fā)現(xiàn)鏈路、對鏈路進行初始化和維護。Stream Policy Maker可管理傳輸初始化，并通過底層硬件對行動序列施加控制來維護同步流。

Policy Maker的上述要素需根據(jù)特定的實施來決定，而且可在操作系統(tǒng)、軟件驅(qū)動程序、固件或者FPGA邏輯中進行配置。為簡化使用，許多商用DisplayPort IC將Link和StreamPolicy Maker對設(shè)計人員隱藏。若用戶顯示要求與套裝的DisplayPort ASSP相匹配，其價格和易用性無可爭辯。但是，希望產(chǎn)品在競爭中脫穎而出的設(shè)計人員傾向于采用FPGA。

Source POIicy Maker參考設(shè)計

DisplayPort Source Policy MakerController System參考設(shè)計采用賽靈思MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)來實施與商用套裝DisplayPort芯片類似的功能，且具備可進行源代碼定制的額外優(yōu)勢。通過使用該參考設(shè)計的應(yīng)用手冊，用戶不必對Policy Maker進行詳細了解即可順利啟動設(shè)計工作，僅需簡單地將范例設(shè)計連接起來。

除了上述源代碼設(shè)計之外，DisplayPort的傳輸(Tx)或源端內(nèi)核也配套提供了用于實現(xiàn)有限狀態(tài)機(FSM)控制器的額外范例設(shè)計。

在顯示市場上，VESA通過DisplayPort引領(lǐng)著從VGA、DVI以及HDMI等協(xié)議成功升級至高速串行收發(fā)器、基于包的層架構(gòu)協(xié)議。

DisplayPort Tx FSM控制器范例設(shè)計(頂級文件名dport tx_fsm_cntd)配套提供DisplayPort LogiCORE源端設(shè)計范例。此概念驗證設(shè)計內(nèi)含基于RTL的有限狀態(tài)機，以實施可演示正確啟動流程的簡單Policy Maker。dport tx fsm cntd設(shè)計范例的優(yōu)勢在于可以顯著縮短仿真時間。

Source Policy Maker Controller System參考設(shè)計采用MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)XAPP，其頂級ISE項目名稱為“dport_source_ref_design.xise”。它使用戶能夠根據(jù)自己需要對SourcePolicy Maker Controller的源代碼進行修改。此外，還能夠與LogicCOREv1.2(IDS 12.1)和Spartan-6 TED消費類視頻套件協(xié)同運行。

上述兩種范例設(shè)計均包含可實現(xiàn)內(nèi)核設(shè)置及鏈路和流維護的基本流程。

功能概述

源端、宿端/視頻規(guī)范都會采用Policy Maker，但在DisplayPortLogiCORE中，賽靈思對它們進行了差別實施。與源(發(fā)送)端的PolicyMaker功能相比，宿(接收)端的Policy Maker功能要簡單得多。賽靈思在LogiCORE內(nèi)實施了大部分宿端Policy Maker功能?；赗TL的宿端控制器可提供剩余部分的功能。由于源端Policy Maker的功能復(fù)雜得多，因而可采用源代碼參考設(shè)計的方式提供。

讓我們來深入了解源端Policy Maker，其使設(shè)計人員能夠最大限度地提高功能靈活性與實施靈活性。頂級范例設(shè)計包含內(nèi)核的兩個高級組件示例：XAPP使用MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)實施DisplayPort Source Policy Maker Controller System參考設(shè)計：以及DisplayPort內(nèi)核源端(發(fā)送)設(shè)計。賽靈思將內(nèi)核的實施分成原子鏈路功能，分別稱為主鏈路、二級通道以及AUX通道協(xié)議。主鏈路可實現(xiàn)主視頻流的交付。二級通道可在消隱期內(nèi)將音頻信息的交付集成到主鏈路中。賽靈思將在未來的內(nèi)核中提供二級通道。同時、AUX通道可為宿端通信通道建立專用源端(見圖2)。

賽靈思為用戶數(shù)據(jù)接口新增了線路緩存器，使用戶能夠在FPGA(見圖2、3和4)中便捷實施范例設(shè)計。圖3中宿端的Policy Maker與DeviceController都是CORE GeneratorTM所提供宿端設(shè)計范例的組成部分。

MicroBlaze處理器發(fā)揮核心作用

賽靈思推出的Sou rce Policy Maker Controller可與內(nèi)核配合使用，這樣其功能在很大程度上和ASSP DisplayPort源端設(shè)備一樣。建議您使用MicroBlaze嵌入式或外部處理器來正確初始化和維持該鏈路。XAPP包含的Policy Maker參考設(shè)計預(yù)配置版本在FPGA內(nèi)的MicroBlaze處理器中實施，可幫助用戶立刻將設(shè)計方案轉(zhuǎn)換成硬件。正式供貨時的參考設(shè)計將包含設(shè)計人員可修改的源代碼。

Source Policy Maker ControUer設(shè)計的“邏輯”部分位于MicroBlaze處理器之上，并使用IzC命令來控制鏈路、數(shù)據(jù)流以及配置空間。該c語言代碼可宴施Policy Maker的指令控制、高級示例文件以及嵌入式開發(fā)套件fEDK)。同時賽靈思還提供軟件開發(fā)套件(sDK)項目文件，可為設(shè)計人員最大限度地提高實施靈活性。此外，賽靈思還可為使用現(xiàn)有控制平臺處理器的應(yīng)用提供c語言源代碼。設(shè)計人員可將該源代碼添加至FPGA內(nèi)外的現(xiàn)有控制軟件中。根據(jù)許可證協(xié)議，只要代碼能夠同內(nèi)核配合使用，控制器即可在FPGA外部實施(即在外部處理器中實施)。

設(shè)計人員可使用支持賽靈思Platform Studio(EDK)的嵌入式硬件設(shè)計套件或具有SDK的嵌入式軟件設(shè)計套件，對XAPP設(shè)計進行修改。通常情況下，F(xiàn)PGA設(shè)計人員使用EDK，而軟件開發(fā)人員則使用SDK。EDK流會生成一個中間網(wǎng)絡(luò)文件(NGC)，您可以在實施設(shè)計之前，將其整合在ISE項目中。NGC文件包含構(gòu)成BRAM初始化一部分的MicroBlaze代碼。

快速轉(zhuǎn)換

如果用戶修改過軟件，EDK流通常會占用較長的時間。不過，用戶一旦生成了網(wǎng)絡(luò)列表，就不再需要EDK或者SDK了。SDK流可修改FPGA比特流，因此僅需更新BRAM中的MicroBlaze代碼內(nèi)容。該SDK流能夠為軟件修改提供更快的轉(zhuǎn)換時間，但在這種情況下，用戶必須每生成一個比特流就使用一次SDK。

在DisptayPort中，VESA為系統(tǒng)增添了智能性，不但能在源端設(shè)備(如機頂盒、DVD播放器或PC圖形卡)與宿端設(shè)備(如顯示監(jiān)控器)之間進行功能協(xié)調(diào)，而且還可優(yōu)化通信參數(shù)。

擴展顯示識別

DisplayPort一個特別重要的特性是，能夠通過VESA的增強顯示識別數(shù)據(jù)(EDID)結(jié)構(gòu)與不同的設(shè)備進行接口相連。EDID并不是什么新事物。實際上多年以來設(shè)計人員一直在使用各種視頻接口讀取EDID的宿端設(shè)備參數(shù)，從而與設(shè)備進行接口連接。不過這些早期的EDID及相關(guān)接口技術(shù)通常不包含高級可配置通信通道。如今借助DisplayPort，VESA~系統(tǒng)增添了智能性，不但能在源端(如機頂盒、DVD播放器或PC圖形卡)與宿端設(shè)備(如顯示監(jiān)控器)之間進行功能協(xié)調(diào)，而且還可優(yōu)化通信參數(shù)。DisplayPort v1.1a可協(xié)調(diào)的變量包括通道數(shù)量(1、2或者4)、每信道數(shù)據(jù)速率(1.62或2.7Gb/s)、電壓擺幅(0.2、0.6、0.8、1.2v)、4個級別的通道預(yù)加重以及鏈路時鐘向下擴散。由COKE Generator生成，并與LogiCORE一道提供的接收宿端范例設(shè)計可提供范例EDID(圖3)，以便滿足EDID源端設(shè)備的讀取需求，確保用戶的最佳視覺體驗。

宿端范例設(shè)計在PPGA內(nèi)部的BRAM中實施了EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。DisplayPort的源代碼可通過AUK通道實現(xiàn)I2C協(xié)議。圖3和圖4顯示了連接至源端的DisplayPort宿端的方框圖。宿端的Link與StreamPolicyMaker屬于宿端內(nèi)核的組成部分，不過源端的Link Policy Maker具有更高的復(fù)雜性，將作為源代碼隨參考設(shè)計提供。EDID通過I2C接口與接受宿端進行接口連接。

I2C協(xié)議非常適合針對EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的連接，并常常用于這種類型的應(yīng)用。I2C控制器負責(zé)定位與管理在EDID中發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)，并通過串行接口與I2C接口協(xié)議(通過AUX通道)將數(shù)據(jù)傳輸至宿端內(nèi)核。在工作模式下，用戶無需知曉EDID是否正被訪問。用戶可通過檢測I2C總線來監(jiān)控ROM的內(nèi)容。在調(diào)試模式下，用戶能夠修改I2C控制器，覆蓋EDIDROM提供的3位內(nèi)容。I2C提供控制信號，在與適當(dāng)?shù)拈_集輸出相連時，可提供I2C主接口。宿端內(nèi)含名為“DisplayPort配置數(shù)據(jù)(DPCD)”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以存儲配置數(shù)據(jù)并作為宿端與源端都可讀寫的通信郵箱使用。源端一般使用跨AUX通道的DPCD內(nèi)容(圖3和圖4)。

結(jié)語

采用MicroBlaze的賽靈思SourcePolicy Maker Controller系統(tǒng)參考設(shè)計經(jīng)過精心設(shè)計，可充分發(fā)揮DisplayPort的所有優(yōu)勢，向市場推出功能豐富的顯示產(chǎn)品。