基于FPGA的一種高速圖形幀存設計

幀存是圖形處理器與顯示設備之間的數據通道，所有要顯示的圖形數據首先是存放在幀存之中，然后才送出去顯示的，因此幀存的設計是圖形顯示系統設計的一個關鍵。傳統上，可以用來設計幀存的存儲器件有多種，如DRAM、VRAM、SDRAM及SRAM等。DRAM、VRAM及SDRAM屬于動態存儲器，容量大、價格便宜，但速度比SRAM慢，而且在使用中需要定時刷新。當圖形處理器沒有外部專用刷新接口時，就需要設計刷新電路，這給系統設計帶來不便。SRAM器件高速且接口簡單，但是價格較貴、容量小。近年來，隨著SRAM容量的不斷增大和價格的不斷下降，在一些需要高速實時顯示的圖形顯示系統中，用高速SRAM設計圖形幀存越來越普遍。本文介紹已在項目中實際應用的采用雙SRAM幀存交替切換的高速幀存設計方法。詳細介紹應用FPGA設計幀存控制器，實現幀存的交替、上電清屏及借鑒電影遮光板原理實現單幀雙掃描的方法。

1 圖形顯示系統簡介

圖1是某專用圖形顯示系統結構框圖，圖形顯示系統采用DSP+FPGA構架。圖形處理器采用AD公司的ADSP21061芯片;AMLCD采用Korry公司的KDM710全彩色液晶顯示模塊，該模塊為5×5英寸、600×600分辨率全彩色液晶顯示模塊，24位數字RGB輸入;兩個幀存A和B采用IDT公司的71V424L10V高速異步靜態RAM(讀寫速度為10ns)。系統采用雙幀存輪流操作方法：當DSP向其中一個幀存寫像素時，由FPGA構成的幀存控制器將另一個幀存中的像素順序讀出，送給AMLCD顯示;反之亦然。圖形顯示系統通過IDT公司的71V04雙口RAM接收主機的顯示信息。圖1中的幀存控制器和視頻控制器由Xilinx公司的SpartanII芯片XC2S50實現。 視頻控制器產生KDM710顯示模塊所需的一些時序控制信號：行同步信號/HSYNC、場同步信號/VSYNC、數據使能信號DATA_EN和像素時鐘信號DCLK等。幀存控制器產生24位RGB顏色數據信號，該RGB數據信號與視頻控制器中的時序控制信號相配合，在液晶顯示屏上顯示出穩定的圖形。有關視頻控制器的設計方法參見文獻[2]。

2 幀存控制器設計

2.1總線切換模塊

圖2為幀存控制器總線切換模塊框圖。地址總線通過多路選擇器(MUX)切換，所有數據總線通過三態門掛在SRAM的數據總線上。幀存SRAM的數據總線上掛著三路數據：一路是DSP的數據總線數據;一路是FPGA的數據總線數據;還有一路是系統上電清屏用的背景寄存器數據系統剛上電時，幀存之中存放的是隨機數，畫面顯示的將是隨機畫面，需要將背景數據送入兩個幀存　。總線的切換由體切換信號Sel和上電清屏信號Clear控制。幀存控制器在上電時，通過上電清屏時序將兩塊幀存中寫入背景顏色數據。在上電清屏過程中，Clear信號為高。當Clear為高時，兩個地址總線選擇器都選擇FPGA總線，即FPGA的地址總線指向兩個幀存，兩個幀存的數據總線全指向背景數據寄存器，即三態門1、2、3和4關閉，而三態門5和6打開。在上電清屏時序完成之后，幀存總線的控制由體選擇信號Sel控制。當DSP對幀存A進行寫操作時，FPGA所產生的總線對幀存B進行讀操作;反之亦然。如圖2所示，當Sel為高時，DSP地址總線選擇幀存A，三態門1打開，三態門3、5關閉;FPGA地址總線選擇幀存B，相應的數據總線三態門4打開，2、6關閉。背景寄存器中的顏色數據可以由用戶自己定義。