FPGA为即时启动的嵌入式显示系统供电

嵌入式系统开发团队越来越多地面临设计即时显示系统以支持最终用户需求的挑战。Kerry 解释了在嵌入式设计中使用非易失性 FPGA 如何帮助提高系统启动速度、集成度、安全性和组件寿命。

图形和视频显示系统的使用持续增长，这得益于显示价格下降和用户期望的迅速增长。与作为显示系统最大用户的 PC 和消费市场不同，嵌入式市场对显示系统有几个特定要求，包括：

为产品添加智能的能力。用户变得更加成熟，并期待高级功能。

适应新的和不断发展的标准的灵活性，特别是在系统接口和不同的显示类型和分辨率方面。

生存能力 10-15 年。组件生命周期结束需要昂贵的产品重新设计。

每个设计所需的设备更少，从而降低了成本并降低了功率要求。

此外，许多嵌入式系统必须在开机后的几微秒内提供即时信息。这些系统需要许多组件，这会增加成本并降低可靠性。此外，基于多芯片系统的嵌入式显示器初始化和显示有用信息的速度相对较慢。

虽然手机用户可能不介意按住电源按钮两秒钟然后再等待几秒钟以使系统启动的过程，但需要即时启动嵌入式显示系统的用户不会容忍这种延迟。例如，考虑配备 LCD 仪表组的法拉利 599 GTB Fiorano。值得怀疑的是，这辆价值 300，000 美元的汽车的驾驶员是否愿意等待 30 秒，等待处理器和图形系统初始化，然后显示器才能提供速度计值或油压等数据。在飞机驾驶舱或核动力控制系统等其他应用中，启动延迟可能是灾难性的。

图形系统实现概述

如图 1 所示，图形或视频控制器系统包含多个具有不同输入的组件，包括 7:1 LVDS、Camera Link、Channel Link、USB、RGB、视频解码器和系统总线。该系统还包含一些用于存储页面和视频信息的外部存储器。

图1

信号由通用处理器处理或直接发送到图形处理器，它可以是专用标准处理器 （ASSP）、定制 ASIC 或 FPGA。根据系统的不同，多个显示器可能需要额外的逻辑来管理每个显示器的信号信息。

几乎所有 ASSP 系统都针对 PC 和消费市场，因此有时会与嵌入式市场的需求发生冲突。PC 和消费产品的生命周期通常很短，产品开发人员预计会使用最新技术。相比之下，嵌入式市场中的产品具有非常长的生产和支持要求，无法容忍图形处理器报废情况所带来的变化。

嵌入式系统中的 FPGA

由于 FPGA 并非特定于 PC 或消费市场，它们为嵌入式系统提供了必要的性能、功能和延长的生命周期。使用 FPGA，设计人员可以创建模块化设计，根据成本和功能要求灵活地集成不同的 IP 块。FPGA 还允许设计人员在视频控制器中包含自定义图形加速器，以便专门针对目标系统优化图形性能。

用于 FPGA 的标准视频和图形 IP 内核是经过验证的设计，易于集成到嵌入式图形显示器中。IP 内核还加快了系统开发，使设计人员能够专注于应用程序而不是接口和图形引擎。此外，FPGA 可以包含最佳总线和接口标准，允许设计人员为系统选择最佳接口，而不是围绕预定的图形处理器接口或总线进行设计。

闪存和 SRAM 结合

大多数 FPGA 使用 SRAM 技术，并且在掉电期间会丢失其配置。然而，这些易失性 SRAM FPGA 在历史上比非易失性 FPGA 具有更高的逻辑密度和运行速度。直到最近，SRAM FPGA 的优势通常都超过了非易失性的优势。现在，随着闪存和 SRAM FPGA 的推出，这种情况发生了变化，它们提供了两全其美的优势：具有高端片上系统 （SoC） FPGA 的所有特性和性能的非易失性设备。

可编程设备中的“即时启动”是指 FPGA 能够自主配置自身并几乎立即激活。这仅在器件内部包含配置启动存储器的 FPGA 中才有可能。上电时，数据从片上闪存传输到控制器件的 SRAM 配置单元。即时启动功能的关键是从闪存配置存储器到 SRAM 配置存储器的大规模并行编程数据传输。

这种即时启动能力是单芯片 FPGA 的直接结果。闪存配置存储器和 SRAM 配置存储器集成在同一个芯片上，因此并行加载非常快。从实现 VCC 到激活输出的时间小于 2 毫秒。

基于 FPGA 的模块化图形和视频处理 IP 系统设计包括 2D 图形加速器、视频输入模块、画中画、缩放、裁剪和定位，如图 2 所示。项目应用程序在主机软处理器上运行，驻留在FPGA中。该主机处理器生成渲染命令并将它们传递给同样位于 FPGA 内部的视频 IP。

图 2

使用内置 I/O 支持和商业 IP（见图 3）将各种 I/O 接口集成到 FPGA 中，并且使用 32 位 RISC 软处理器内核集成主机 CPU。图形和视频控制器 IP 包括对多种显示器和视频标准以及触摸屏反馈的支持。

图 3

其他系统功能支持嵌入式应用程序，例如远程客户端设备，包括可以连接到应用程序主机处理器并远程查看和控制与本地显示器上相同的应用程序的 PC 和手机。

灵活的设计推进显示技术

几乎可以将整个图形系统集成到非易失性 FPGA 中。该系统具有极长的生命周期、系统内现场可升级性以及对不同总线、接口和显示器的适应性，满足嵌入式市场对即时、高可靠性、安全显示器的要求。

非易失性即时启动 FPGA 允许在开发期间和整个产品生命周期中快速更改设计。此类 FPGA 内的集成图形功能为设计人员提供了为当前和未来图形显示系统提供快速且廉价的支持的灵活性。强大的图形/视频 IP 与易于实现的 FPGA SoC 相结合，满足了市场对模块化、灵活和可扩展的嵌入式显示系统的需求。

审核编辑：郭婷