采用FPGA实现 DisplayPort

2011-03-30 08:47:19来源: 电子系统设计
    在1月份举办的美国消费电子展(Consumer Electronics Show) 上,数家业界主要的平板电视及显示技术公司纷纷宣布推出高清 3D 电视和令人惊艳的4K x 2K LCD 显示器,从而可将用户家中、车内或移动设备上的电视、显示器以及其他电子设备之间需要交换的数据量显著提升至前所未有的水平。在这些最新的电视上,体育迷们可以欢欣鼓舞地体验到众多优异性能,如 176 度的超广视界、1,200:1 的超高对比度以及 450尼特的亮度——足以使最阴暗的洞穴通透明亮。

    不过, 对于开发这些电视或连接至这些电视的电子产品的设计工程师来说,所有这些最新特性都意味着需要非常高的带宽。例如,一部具备 800 万像素的四声道 4Kx2K 高清电视(可为家庭提供数字影院效果)需要的带宽是当前顶级电视和显示器在理想工作状态下所需带宽的四倍,这意味着在机顶盒与高清电视之间存在巨大的数据吞吐量。

    这种对更高带宽的需求并不单单来自消费产品市场,为了满足 MRI 和 CT扫描、命令与控制、菊花链显示、电子公告牌与 DNA 3D渲染、航空器、天气以及人体构造等众多应用领域的显示需要,广播设备、数字显示、科研以及医疗市场也在不断加大对带宽的要求。

    为了在控制成本的同时还能有助于满足这种带宽需求,视频电子标准协会 (Video Electronics Standards Association) 于 2007 年向市场推出了DisplayPort,并随后积极与合作伙伴展开合作,对 DisplayPort 进行优化。如今,VESA DisplayPort 1.1a 已能够在单根线缆内支持多达 4 个通道且每通道最高 2.7Gbps 的数据率,而 DisplayPort1.2 又将支持的数据数率翻了一番,达到5.4Gbps(足以在单显示器应用中支持3,840 x 2,400 像素 (60Hz),或 4 台显示器应用中的 1,920x1,200 像素,或 2,560x 1,600 像素的 3D 显示 (120Hz))。DisplayPort 可同时支持两种嵌入式显示,如笔记本电脑的显示器,以及视频“源端”设备(机顶盒、DVD 播放机、PC 图形卡以及笔记本电脑)和独立显示设备(HDMI 与 DisplayPort 标准文档中所称的“宿端”设备)之间的盒至盒连接 (box-to-box connection)。

图1 TED Spartan-6 FPGA 消费类视频套件
图1 TED Spartan-6 FPGA 消费类视频套件

    一些芯片制造商已针对上述应用推出了现成的标准发送器和接收机,而赛灵思推出了名为 Xilinx LogiCORETM DisplayPort v1.1(v1.2 将在 IDS 12.1中配套提供) 的灵活可编程 VESA DisplayPort v.1.1a 解决方案。该 IP 可随时提供给赛灵思的客户,但在用户展开设计之前,建议先了解与该标准的部分关键功能有关的其它背景信息,如Policy Maker,以及如何使用我们即将推出的 XAPP“使用 MicroBlazeTM 嵌入式系统实施 DisplayPort Source PolicyMaker 控制系统参考设计”在东京电子设备 (TED) 提供的 Spartan-6 消费类视频套件 (http://www.teldevice.co.jp/eng/)上完成实施工作。

Policy Maker — 关键性差异

    对于显示市场来说,DisplayPort协议标志着连接技术的重大变革。这次转型的意义不亚于在 Intel 主导的 PC 市场上从并行 PCI 总线升级至串行 PCI Express。在显示市场上,VESA 通过DisplayPort 引领着从 VGA、DVI 以及HDMI 等协议成功升级至高速串行收发器、基于包的层架构协议。与并行协议不同,串行分组协议在实现和维持连接或链路方面要多一层复杂性。在 VESA DisplayPort 1.1a 规范中,控制功能被划分为 Link Policy Maker 和 Stream Policy Maker。Link Policy Maker 可管理链路,并负责保持链路同步。其任务包括发现链路、对链路进行初始化和维护。Stream Policy Maker 可管理传输初始化,并通过底层硬件对行动序列施加控制来维护同步流。

    Policy Maker 的上述要素需根据特定的实施来决定,而且可在操作系统、软件驱动程序、固件或者 FPGA 逻辑中进行配置。为简化使用,许多商用DisplayPort IC 将 Link 和 Stream PolicyMaker 对设计人员隐藏。如果用户的显示要求恰与套装的 DisplayPort ASSP相匹配,则其价格和易用性确实无可争辩。但是,想要让产品在竞争中脱颖而出的设计人员则倾向于采用 FPGA。

图2 DisplayPort Source Policy Maker Controller System Reference Design 与 LogiCORE 源端高层结构图
图2 DisplayPort Source Policy Maker Controller System Reference Design 与 LogiCORE 源端高层结构图

Source Policy Maker参考设计

    DisplayPort Source Policy Maker控制系统参考设计采用MicroBlaze嵌入式系统来实施与商用套装 DisplayPort 芯片类似的功能,且具备可进行源代码定制的额外优势。通过使用 Source Policy Maker Controller System Reference Design 的应用手册,用户不必对 Policy Maker 进行详细了解即可顺利启动设计工作,仅需简单地将范例设计连接起来。

    除了上述源代码设计之外,DisplayPort 的传输 (Tx) 或源端内核也配套提供了用于实现有限状态机 (FSM)控制器的额外范例设计。

    DisplayPort Tx FSM 控制器范例设计(其顶级文件名为 dport_tx_fsm_cntrl)配套提供 DisplayPort LogiCORE 源端设计范例。该款简单的概念验证设计内含基于 RTL 的有限状态机,以实施可演示正确启动流程的简单Policy Maker。与其他范例设计相比,dport_tx_fsm_cntrl 设计范例的优势在于可以显著缩短仿真时间。

    Source Policy Maker 控制系统参考设计采用拟将于 5 月下旬推出的MicroBlaze 嵌入式系统 XAPP,其顶级ISE 项目名称为“dport_source_ref_design.xise”(您可以通过访问 http://www.xilinx.com/products/ipcenter/EF-DI-DISPLAYPORT.htm 快速查找到)。该设计使用户能够根据自己的需要对 Source Policy Maker Controller的源代码进行修改。此外,其还能够与 DisplayPort LogicCORE v1.2 (IDS12.1) 版和 Spartan-6 TED 消费类视频套件协同运行。

    上述两种范例设计都包含了可实现内核设置及链路和流维护的基本流程。请注意,TED Spartan-6 消费类视频套件没有提供 DisplayPort 线缆。

功能概述

    源端、宿端/ 视频规范都会采用 Policy Maker,但在 DisplayPortLogiCORE 中,赛灵思对它们进行了差别实施。与源(发送)端的 Policy Maker 功能相比, 宿( 接收) 端的Policy Maker 功能要简单得多。赛灵思LogiCORE 在 LogiCORE 内实施了大部分宿端 Policy Maker 功能。基于 RTL的宿端控制器可提供剩余部分的功能。由于源端 Policy Maker 的功能复杂得多,因而可采用源代码参考设计的方式提供。

    让我们来深入了解源端Policy Maker,其使设计人员能够最大限度地提高功能灵活性与实施灵活性。顶级范例设计包含内核的两个高级组件示例:XAPP 使用 MicroBlaze 嵌入式系统实施 DisplayPort Source Policy Maker 控制系统参考设计;以及 DisplayPort 内核源端(发送)设计。赛灵思将内核的实施分成原子链路功能,分别称为主链路 (Main Link)、二级通道 (Secondary Channel) 以及 AUX 通道协议。主链路可实现主视频流的交付。二级通道可在消隐期内将音频信息的交付集成到主链路中。赛灵思将在未来发布的内核中提供二级通道。同时,AUX 通道可为宿端通信通道建立专用源端(参见图 2)。

    赛灵思为用户数据接口新增了线路缓存器,使用户能够在 FPGA(参见图 2、3 和 4)中便捷实施范例设计。图 3 中宿端的 Policy Maker 与 Device Controller 都是 CORE GeneratorTM 所提供宿端设计范例的组成部分。

MicroBlaze 处理器发挥核心作用

    赛灵思推出的 Source Policy Maker Controller 可与内核配合使用,这样其功能在很大程度上和 ASSP DisplayPort源端设备一样。我们建议您使用MicroBlaze 嵌入式或外部处理器来正确初始化和维持该链路。XAPP 包含的Policy Maker Reference Design 预配置版本在 FPGA 内的 MicroBlaze 处理器中实施,可帮助用户立刻将设计方案转换成硬件。正式供货时的参考设计将包含设计人员可以修改的源代码。

    Source Policy Maker Controller设计的“逻辑”部分位于 MicroBlaze处理器之上,并使用 I2C 命令来控制内核配合使用,控制器即可在 FPGA 外部实施(即在外部处理器中实施)。

    设计人员可使用支持赛灵思Platform Studio (EDK) 的赛灵思嵌入式硬件设计套件或具有 SDK 的赛灵思嵌入式软件设计套件,对 XAPP 设计进行修改。通常情况下,FPGA 设计人员使用 EDK,而软件开发人员则使用SDK。

    EDK 流会生成一个中间网络文件 (NGC),您可以在实施设计之前,将其整合在项级 ISE 项目中。NGC文件包含构成 BRAM 初始化一部分的MicroBlaze 代码。

    如果用户修改过软件,EDK 流通常会占用较长的时间。不过,用户一旦生成了网络列表,就不再需要 EDK或者 SDK 了。SDK 流可修改 FPGA比特流,因此仅需更新 BRAM 中的MicroBlaze 代码内容。该 SDK 流能够为软件修改提供更快的转换时间,但在这种情况下,用户必须每生成一个比特流就使用一次 SDK。有关本专题的 XAPP 白皮书涵盖了如何使用赛灵思FPGA 嵌入式软件开发套件运行该设计的详尽说明。

该“入门指南”涵盖丰富信息,其中包括订购与许可、仿真、全系统硬件评估

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关键字:工业控制  EDA  IC设计  技术方案

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0330/article_1931.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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