DSP + FPGA 结构的嵌入式图形处理设（一）

　　摘要：机载座舱显示系统已成为飞机综合化航电系统的一个重要组成部分，图形显示处理模块更是显示系统不可或缺的关键单元。分析了目前图形处理模块的设计方式，提出了一种基于DSP + FPGA 结构的图形处理方法。

　　并设计出了一款能够实现OpenGL 函数接口标准的图形处理模块。模块具有算法处理效能高、可编程、应用可裁剪的特点。

　　引言机载显示系统已经成为新一代航空电子系统实现综合化、数字化和智能化的和关键。随着电子技术的不断发展，座舱显示系统需要处理的实时信息量的增加，对满足实时性、有效性和快速图形处理能力的机载显示处理系统提出了更高的要求，设计一款满足这些要求的机载嵌入式图形处理模块变得尤为必要。

　　目前，机载嵌入式图形处理模块的设计主要有以下两种方式：

　　1） 利用专用图形处理芯片搭建图形处理平台。这是图形处理设计的传统方式，它通过控制专用图形处理芯片（ GPU） 实现理想图形的输出，这种芯片一般提供OpenGL 标准函数接口，在设计上降低了开发周期。

　　但图像平台的功耗大，不利于紧凑型低功耗嵌入式系统的使用，GPU 芯片内部渲染管道和渲染算法固定，使得新开发出的渲染算法在这种平台下不易实现。

　　2） 利用FPGA 或DSP 芯片搭建图形处理平台。

　　用DSP 搭建图形显示处理平台方式利用了DSP 易于处理图形显示算法的优势，但必须选择支持图形处理功能的DSP 芯片，芯片选择范围较窄，绘图指令的并行处理效率低； 用FPGA 搭建的平台方式利用了FPGA的功能可编程、指令流可并行处理的优势，但FPGA 对数据解算和处理的算法支持力度不够高，密集型矩阵运算等几何处理算法需要相对高端的FPGA 且占用很高的FPGA 硬件资源，使得图形显示处理性能得不到更好的发挥。不提供OpenGL 函数接口标准也使得这两种平台在嵌入式图形处理系统中应用范围相对较窄。

　　本文采用第2 种方法，给出了一种DSP + FPGA 结构的机载嵌入式图形处理模块的设计方法，该方法充分结合DSP 和FPGA 在图形显示方面的优势，根据特定任务需要，对功能进行裁剪重配置，设计出特定功能的图形显示处理平台，以减小FPGA 和DSP 的处理负荷、降低平台功耗，提高机载环境下图形处理的整体性能。而且具有多类别DSP 芯片可选以及将OpenGL 图形渲染管线与DSP + FPGA 结构相结合的特点，使得该平台不仅符合OpenGL 函数接口，应用也更加广泛。

　　随着芯片技术的发展，具有大规模并行处理能力的FPGA 和多核DSP 的出现，利用DSP + FPGA 架构设计符合特定用途的图形处理模块将是图形处理的一种发展趋势。

　　1 计算机图形处理结构

         图形系统的硬件结构主要以图形处理、显示控制、帧缓冲区为，与存储电路、接口电路和信号输出接口电路共同组成，其结构示意图如图1 所示。

　　图形处理与显示单元是整个图形处理硬件的部分。该单元主要通过图形渲染管线完成图形显示所需的几何处理和光栅处理操作，负责将处理后的像素数据送入帧缓冲器中，终完成理想图形的显示。符合OpenGL 标准的图形渲染管线如图2 所示。

　　2 图形处理模块总体设计

      1 图形处理模块组成本文利用DSP + FPGA 架构设计的图形处理模块硬件组成如图3所示，采用PCI总线与外部设备互连，支持2 路3 线XGA 视频输入、1 路3 线XGA 输出、1 路5 线XGA 输出和1 路LVDS 输出，DSP 和FPGA 之间采用EMIF 总线连接，DSP 和FPGA 共同完成图形显示处理和OpenGL 函数接口的实现。

　　2. 2 DSP 和FPGA 功能划分

        在DSP + FPGA 结构中，充分发挥FPGA 对数据流并行执行和DSP 对算法分析处理的独特优势以提高模块对图形处理的性能。具体实现时，涉及到几何运算的步骤分配给DSP 进行处理，例如图形的平移、缩放、图元的组装、消隐判断、矩阵运算和图元顶点位置判断等； 涉及到光栅和显示的步骤分配给FPGA 进行处理，例如基本图元的绘制、光栅化、片元操作以及纹理着色的控制。