基于DSP和FPGA的新型筆劃式字符發(fā)生器

李 潔， 張 蕾， 王靈剛

(1.中國(guó)航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009;2.河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

筆劃式顯示方式廣泛應(yīng)用于飛機(jī)座艙顯示。隨著光柵顯示技術(shù)的發(fā)展，許多顯示器已采用了光柵顯示方式。但對(duì)于要求高亮度和高顯示精度的平視顯示器和頭盔顯示器，仍大量采用筆劃式顯示方式。目前，筆劃/光柵轉(zhuǎn)換技術(shù)較為成熟，不少資料中介紹了各種筆劃/光柵轉(zhuǎn)換方法［1-3］，使筆劃、光柵顯示方式可以協(xié)調(diào)共存于同一飛機(jī)平臺(tái)。

筆劃式字符發(fā)生器是筆劃式顯示方式的核心。一些國(guó)外專利［4-10］介紹了符號(hào)筆劃的各種生成方法，但都是利用分離器件產(chǎn)生基本筆劃。也有一些資料介紹筆劃式字符發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，有的采用多通道任意波形發(fā)生器模塊來產(chǎn)生筆劃信號(hào)［11］;有的采用EPLD來實(shí)現(xiàn)基本的筆劃矢量生成［12］;最近有設(shè)計(jì)采用了DSP和FPGA，其特點(diǎn)是集成度高，使用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器完成筆劃和光柵兩路字符數(shù)據(jù)生成，控制邏輯和圖形生成電路由FPGA實(shí)現(xiàn)，體積和功耗大幅度下降［13］。隨著飛機(jī)航電系統(tǒng)的發(fā)展，需要處理、顯示的信息量越來越大，對(duì)字符發(fā)生器的數(shù)據(jù)處理能力和筆劃書寫性能提出了更高的要求。本文提出一種同樣基于DSP和FPGA的新型筆劃式字符發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，以滿足相關(guān)國(guó)軍標(biāo)［14-15］為前提，旨在提升字符發(fā)生器的數(shù)據(jù)處理能力和符號(hào)書寫性能。該設(shè)計(jì)采用帶核處理器和IO處理器的DSP作為主處理器，將數(shù)據(jù)處理和符號(hào)書寫管理并行，矢量發(fā)生器可以全周期進(jìn)行書寫;利用DSP的握手DMA通道，矢量發(fā)生器由從處理器被動(dòng)接收矢量指令改為主動(dòng)申請(qǐng)矢量指令，使筆劃之間書寫連續(xù)無停頓，提高字符發(fā)生器的平均書寫速度和筆劃書寫均勻性。

1 組成及工作原理

字符發(fā)生器由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)及外圍電路、矢量發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，產(chǎn)生筆劃式字符畫面供后級(jí)顯示器顯示。組成框圖如圖1所示。

圖1 字符發(fā)生器組成框圖Fig.1 Composition of a charalter generator

1.1 DSP及外圍電路

DSP選用AD公司的ADSP21160，為雙處理器、雙總線結(jié)構(gòu)。內(nèi)含核處理器和I/O處理器;核工作時(shí)鐘100 MHz，兩個(gè)獨(dú)立32位浮點(diǎn)運(yùn)算單元，每個(gè)都帶乘法器、累加器、移位器和16個(gè)數(shù)據(jù)寄存器組;片內(nèi)含4 MB雙端口存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)總線寬度64位，地址總線寬度32位;支持單指令多數(shù)據(jù)流模式(SIMD);全部指令為單周期指令;支持14通道DMA，6個(gè)Link口通訊。

DSP可通過Link口或雙端口存儲(chǔ)器獲取顯示文件和指令，由核處理器進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算處理，生成矢量發(fā)生器能識(shí)別的一組筆劃矢量指令，存入指定緩沖區(qū)。DSP內(nèi)存開辟兩個(gè)緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)處理好的筆劃矢量指令。I/O處理器根據(jù)矢量發(fā)生器發(fā)出的DMA請(qǐng)求從某一緩沖區(qū)輸出筆劃矢量指令。筆劃矢量指令的輸出與矢量發(fā)生器發(fā)出的DMA請(qǐng)求信號(hào)有關(guān)，與計(jì)算無關(guān)。計(jì)算期間可以同時(shí)響應(yīng)矢量發(fā)生器的請(qǐng)求，及時(shí)向矢量發(fā)生器輸出矢量指令，對(duì)矢量發(fā)生器的矢量指令輸出不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用DSP外總線，影響計(jì)算數(shù)據(jù)的存取，使計(jì)算和矢量指令輸出同時(shí)進(jìn)行，互不影響。

1.2 矢量發(fā)生器

一個(gè)符號(hào)及完整的畫面均是由若干筆劃矢量構(gòu)成，矢量發(fā)生器就是產(chǎn)生這些筆劃矢量的單元。矢量發(fā)生器根據(jù)筆劃矢量指令，按一定的書寫時(shí)鐘連續(xù)輸出一個(gè)筆劃矢量的X、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)及亮暗信息。矢量發(fā)生器由FPGA實(shí)現(xiàn)。

本文采用間接式的筆劃矢量構(gòu)成形式，即將字符矢量用長(zhǎng)邊位移量和tan α表示。基本筆劃矢量的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 基本筆劃矢量構(gòu)成Fig.2 Constitution of basic stroke vector

如矢量AB，其矢量指令表示為長(zhǎng)邊位移量和tan α，其中，在X和Y兩個(gè)方向上位移量較大者為長(zhǎng)邊，矢量與長(zhǎng)邊的夾角為α，α≤45°。

一筆矢量書寫時(shí)，其長(zhǎng)邊按書寫時(shí)鐘每周期步進(jìn)一，直到走完長(zhǎng)邊位移量。而短邊位移量的步進(jìn)時(shí)鐘頻率由12位的二進(jìn)制比率乘法器計(jì)算，乘法器輸入12位二進(jìn)制比率系數(shù) L、K、J、I、H、G、F、E、D、C、B、A，其輸出頻率為fout。

式中，M=L×211+K×210+J×29+I×28+H ×27+G×26+F×25+E×24+D×23+C×22+B×21+A×20。

12位二進(jìn)制比率系數(shù)的計(jì)算方法為tan α×4095，fin為長(zhǎng)邊書寫時(shí)鐘頻率。乘法器的輸出脈沖fout即為短邊的書寫時(shí)鐘頻率。

矢量發(fā)生器由以下工作單元組成:指令管理單元，指令譯碼單元，延時(shí)單元，顯示忙處理單元，時(shí)序控制單元，長(zhǎng)邊計(jì)數(shù)單元，二進(jìn)制系數(shù)乘法器，X、Y坐標(biāo)計(jì)數(shù)單元，X、Y坐標(biāo)輸出單元，輝亮控制單元，窗口控制單元，閉塞區(qū)控制單元。組成框圖如圖3所示。

圖3 矢量發(fā)生器組成框圖Fig.3 Block diagram of vector generator

矢量發(fā)生器輸入信號(hào)為字符時(shí)鐘，顯示忙信號(hào)，筆劃矢量指令;輸出信號(hào)為DMA請(qǐng)求信號(hào)，X、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)(各12位)，輝亮信號(hào)。

由于矢量發(fā)生器由DSP的IO處理器管理，且矢量指令的獲取是由矢量發(fā)生器主動(dòng)申請(qǐng)，而非從處理器被動(dòng)接收，因此，矢量發(fā)生器的工作相對(duì)獨(dú)立。矢量發(fā)生器可自行調(diào)整筆劃書寫速度，也可利用DMA請(qǐng)求信號(hào)的快慢來隨意調(diào)節(jié)筆劃之間的停頓時(shí)間，而不受處理器工作速度及軟件結(jié)構(gòu)的影響。采用適當(dāng)?shù)臅鴮扅c(diǎn)時(shí)鐘頻率和筆劃間的等待時(shí)間，配合后級(jí)電路可達(dá)到最佳的顯示效果。

1.3 D/A 轉(zhuǎn)換

D/A轉(zhuǎn)換電路將筆劃矢量的X、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生X、Y模擬偏轉(zhuǎn)電壓，配合輝亮信息，驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路，在顯示器上完成畫面的顯示。

2 工作流程

核處理器周期性地處理顯示文件，形成一幅完整顯示畫面的矢量指令組，放入DSP內(nèi)部緩存，交由IO處理器管理，核處理器隨即可處理下一周期的數(shù)據(jù);IO處理器啟動(dòng)握手式DMA，等待DMA請(qǐng)求信號(hào)，并向矢量發(fā)生器發(fā)出書寫啟動(dòng)標(biāo)志SFLAG0(SFLAG0置“1”)。

矢量發(fā)生器中的矢量指令管理單元收到書寫啟動(dòng)標(biāo)志后，發(fā)出第一個(gè)指令接收請(qǐng)求信號(hào)(DMA請(qǐng)求)，IO處理器隨即將DSP內(nèi)部緩存中的第一條矢量指令從數(shù)據(jù)總線發(fā)出;矢量指令管理單元將指令寫入第一級(jí)緩存，延時(shí)后寫入第二級(jí)緩存，矢量發(fā)生器中的筆劃生成邏輯開始進(jìn)行指令譯碼并執(zhí)行，如圖1所示。

筆劃生成邏輯進(jìn)行指令譯碼的同時(shí)，矢量指令管理單元發(fā)出下一個(gè)指令接收請(qǐng)求，并將新指令存入第一級(jí)緩存;當(dāng)前矢量指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，將第一級(jí)緩存中的指令寫入第二級(jí)緩存，開始新的譯碼和執(zhí)行，并再發(fā)出指令接收請(qǐng)求;矢量發(fā)生器周而復(fù)始地申請(qǐng)、接收、譯碼、執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行畫面結(jié)束指令時(shí)，不再發(fā)出指令接收請(qǐng)求信號(hào)，一幅完整的畫面書寫完成，等待下一周期的書寫。

3 矢量指令管理單元時(shí)序設(shè)計(jì)

指令管理單元內(nèi)含兩級(jí)緩存，如圖4所示。

圖4 指令管理單元的兩級(jí)緩存Fig.4 Two-level cache of instruct managemcnt unit

矢量發(fā)生器在DSP的SFLAG0置“1”后，開始一個(gè)顯示周期的工作，直到一幅畫面書寫完畢。SFLAG0置“1”，矢量指令管理單元向DSP發(fā)出第一個(gè)DMA請(qǐng)求信號(hào)，DSP隨即向矢量發(fā)生器輸出矢量指令。圖5是矢量指令管理單元的工作時(shí)序圖。

圖5 指令管理單元工作時(shí)序圖Fig.5 Timing sequence of instruct management unit

SCLKOUT是DSP輸出的40 MHz外部時(shí)鐘，也是本單元的工作時(shí)鐘，SRESETI是字符發(fā)生器的全局復(fù)位信號(hào)。dmaq1、dmaq2、dmar_1為定義的中間信號(hào)(signal)。SFLAG0置“1”后，dmaq1和 dmaq2分別由SFLAG0延時(shí)一個(gè)和三個(gè)時(shí)鐘得到，dmar_1由dmaq1和dmaq2異或得到，作為第一個(gè)DMA請(qǐng)求信號(hào)。DMA請(qǐng)求信號(hào) sdmar1由 dmar_1與譯碼脈沖 wrdecode(wrdecode由矢量發(fā)生器對(duì)矢量指令譯碼得到)合成得到，即sdmar1的第一個(gè)脈沖為 dmar_1，后續(xù)脈沖由wrdecode展寬得到，以便DSP能及時(shí)送出下一條指令。

DSP收到DMA請(qǐng)求信號(hào)后，向矢量發(fā)生器發(fā)出第一條指令。Wrvector是第一級(jí)緩存寫入信號(hào)，由DSP寫信號(hào)合成矢量發(fā)生器地址產(chǎn)生。Wrvector的上升沿將矢量指令寫入第一級(jí)緩存，得到vectororder1。Beginflag是一個(gè)標(biāo)志，低電平時(shí)，第二級(jí)緩存寫入脈沖wrvector_2由wrvector延時(shí)兩個(gè)時(shí)鐘得到(即wrvector2);高電平時(shí)，wrvector_2在上一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)產(chǎn)生。即只有第一個(gè)wrvector_2由wrvector延時(shí)得到，后續(xù)的wrvector_2均在上一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)產(chǎn)生，wrvector_2的上升沿將vectororder1寫入第二級(jí)緩存，得到vectororder2。這樣在一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，將第一級(jí)緩存中的指令寫入第二級(jí)緩存，隨即送筆劃生成邏輯進(jìn)行譯碼，并送出DMA請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)執(zhí)行畫面結(jié)束指令0x0時(shí)，不再產(chǎn)生wrvector_2。

筆劃生成邏輯對(duì)vectororder2進(jìn)行指令譯碼并執(zhí)行，直至碰上畫面結(jié)束指令0x0，結(jié)束一個(gè)顯示周期，等待下一周期的書寫。

4 結(jié)論

本文所述字符發(fā)生器基于DSP和FPGA設(shè)計(jì)，是高集成度、小型化設(shè)計(jì)。利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和其內(nèi)部IO處理器的并行處理功能，加之矢量管理單元的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，達(dá)到了提高字符發(fā)生器數(shù)據(jù)處理能力和筆劃書寫性能的目的。由于筆劃間無停頓，在不改變書寫時(shí)鐘的前提下，每周期畫面書寫時(shí)間較之先前的字符發(fā)生器縮短約1/3;也正是由于筆劃間可以連續(xù)無停頓，使字符書寫流暢，亮度均勻，顯示畫面更加美觀。

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