摘要：機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)已成為飛機(jī)綜合化航電系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，圖形顯示處理模塊更是顯示系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵單元。分析了目前圖形處理模塊的設(shè)計(jì)方式，提出了一種基于DSP + FPGA 結(jié)構(gòu)的圖形處理方法。

　　并設(shè)計(jì)出了一款能夠?qū)崿F(xiàn)OpenGL 函數(shù)接口標(biāo)準(zhǔn)的圖形處理模塊。模塊具有算法處理效能高、可編程、應(yīng)用可裁剪的特點(diǎn)。

　　引言機(jī)載顯示系統(tǒng)已經(jīng)成為新一代航空電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合化、數(shù)字化和智能化的和關(guān)鍵。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，座艙顯示系統(tǒng)需要處理的實(shí)時(shí)信息量的增加，對(duì)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、有效性和快速圖形處理能力的機(jī)載顯示處理系統(tǒng)提出了更高的要求，設(shè)計(jì)一款滿(mǎn)足這些要求的機(jī)載嵌入式圖形處理模塊變得尤為必要。

　　目前，機(jī)載嵌入式圖形處理模塊的設(shè)計(jì)主要有以下兩種方式：

　　1） 利用專(zhuān)用圖形處理芯片搭建圖形處理平臺(tái)。這是圖形處理設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式，它通過(guò)控制專(zhuān)用圖形處理芯片（ GPU） 實(shí)現(xiàn)理想圖形的輸出，這種芯片一般提供OpenGL 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)接口，在設(shè)計(jì)上降低了開(kāi)發(fā)周期。

　　但圖像平臺(tái)的功耗大，不利于緊湊型低功耗嵌入式系統(tǒng)的使用，GPU 芯片內(nèi)部渲染管道和渲染算法固定，使得新開(kāi)發(fā)出的渲染算法在這種平臺(tái)下不易實(shí)現(xiàn)。

　　2） 利用FPGA 或DSP 芯片搭建圖形處理平臺(tái)。

　　用DSP 搭建圖形顯示處理平臺(tái)方式利用了DSP 易于處理圖形顯示算法的優(yōu)勢(shì)，但必須選擇支持圖形處理功能的DSP 芯片，芯片選擇范圍較窄，繪圖指令的并行處理效率低； 用FPGA 搭建的平臺(tái)方式利用了FPGA的功能可編程、指令流可并行處理的優(yōu)勢(shì)，但FPGA 對(duì)數(shù)據(jù)解算和處理的算法支持力度不夠高，密集型矩陣運(yùn)算等幾何處理算法需要相對(duì)高端的FPGA 且占用很高的FPGA 硬件資源，使得圖形顯示處理性能得不到更好的發(fā)揮。不提供OpenGL 函數(shù)接口標(biāo)準(zhǔn)也使得這兩種平臺(tái)在嵌入式圖形處理系統(tǒng)中應(yīng)用范圍相對(duì)較窄。

　　本文采用第2 種方法，給出了一種DSP + FPGA 結(jié)構(gòu)的機(jī)載嵌入式圖形處理模塊的設(shè)計(jì)方法，該方法充分結(jié)合DSP 和FPGA 在圖形顯示方面的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)特定任務(wù)需要，對(duì)功能進(jìn)行裁剪重配置，設(shè)計(jì)出特定功能的圖形顯示處理平臺(tái)，以減小FPGA 和DSP 的處理負(fù)荷、降低平臺(tái)功耗，提高機(jī)載環(huán)境下圖形處理的整體性能。而且具有多類(lèi)別DSP 芯片可選以及將OpenGL 圖形渲染管線(xiàn)與DSP + FPGA 結(jié)構(gòu)相結(jié)合的特點(diǎn)，使得該平臺(tái)不僅符合OpenGL 函數(shù)接口，應(yīng)用也更加廣泛。

　　隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，具有大規(guī)模并行處理能力的FPGA 和多核DSP 的出現(xiàn)，利用DSP + FPGA 架構(gòu)設(shè)計(jì)符合特定用途的圖形處理模塊將是圖形處理的一種發(fā)展趨勢(shì)。

　　1 計(jì)算機(jī)圖形處理結(jié)構(gòu)

         圖形系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要以圖形處理、顯示控制、幀緩沖區(qū)為，與存儲(chǔ)電路、接口電路和信號(hào)輸出接口電路共同組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

　　圖形處理與顯示單元是整個(gè)圖形處理硬件的部分。該單元主要通過(guò)圖形渲染管線(xiàn)完成圖形顯示所需的幾何處理和光柵處理操作，負(fù)責(zé)將處理后的像素?cái)?shù)據(jù)送入幀緩沖器中，終完成理想圖形的顯示。符合OpenGL 標(biāo)準(zhǔn)的圖形渲染管線(xiàn)如圖2 所示。

　　2 圖形處理模塊總體設(shè)計(jì)

      1 圖形處理模塊組成本文利用DSP + FPGA 架構(gòu)設(shè)計(jì)的圖形處理模塊硬件組成如圖3所示，采用PCI總線(xiàn)與外部設(shè)備互連，支持2 路3 線(xiàn)XGA 視頻輸入、1 路3 線(xiàn)XGA 輸出、1 路5 線(xiàn)XGA 輸出和1 路LVDS 輸出，DSP 和FPGA 之間采用EMIF 總線(xiàn)連接，DSP 和FPGA 共同完成圖形顯示處理和OpenGL 函數(shù)接口的實(shí)現(xiàn)。

　　2. 2 DSP 和FPGA 功能劃分

        在DSP + FPGA 結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮FPGA 對(duì)數(shù)據(jù)流并行執(zhí)行和DSP 對(duì)算法分析處理的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以提高模塊對(duì)圖形處理的性能。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，涉及到幾何運(yùn)算的步驟分配給DSP 進(jìn)行處理，例如圖形的平移、縮放、圖元的組裝、消隱判斷、矩陣運(yùn)算和圖元頂點(diǎn)位置判斷等； 涉及到光柵和顯示的步驟分配給FPGA 進(jìn)行處理，例如基本圖元的繪制、光柵化、片元操作以及紋理著色的控制。