SDRAM在图形生成电路中的应用

摘 要： 针对机载座舱显示器对高分辨率图形实时生成与显示的应用需求，提出了一种基于SDRAM帧存的图形生成电路实现方法。该方法以DSP作为图形处理器执行图形运算算法，以FPGA作为协处理器，对SDRAM帧存采取乒乓操作方式进行图形数据缓冲处理，实现了图形的实时生成。运用该方法只需两片SDRAM器件即可实现分辨率高达1 600×1 200的图形数据的实时生成与显示处理；对时序参数和接口逻辑做少许修改，可生成多种分辨率图形画面。

关键词： 高分辨率图形生成；SDRAM帧存；乒乓操作；FPGA

显示系统是航空电子系统的重要组成部分，现代飞机和其他载人飞行器的座舱显示向驾驶员提供飞行器、发动机和其他系统所测试的参数，包括从起飞、导航到着陆等全过程所需要的各种信息[1]。图形显示系统性能的优劣直接影响到飞行员获取飞行信息进而做出判断和决策的效率。作为设计过程的一部分，必须确定驾驶员的信息需求，并且信息显示必须设计得确保提供充分的态势感知[2]。

随着显示分辨率的提高,要处理的像素也越来越多, 而允许的处理时间却受屏幕刷新率所限制[3]。目前主流的机载显示分辨率为UXGA(1 600×1 200×60 Hz)，数据传输率为345 MB/s[4]。高速、高带宽数据处理需要大容量高速率的帧存器件做数据缓冲。SRAM器件有着读写速度快、控制简单的特点，但是其容量小，成本高。在各种随机存储器件中，SDRAM的价格低、体积小、速度快、容量大,是比较理想的器件[5-6]。本文针对高分辨率图形显示应用需求设计了一种基于SDRAM帧存的图形生成电路，利用DSP执行图形运算算法，利用FPGA作为协处理器，利用SDRAM作为图形帧存并采取乒乓操作方式进行数据存取，实现了分辨率高达1 600×1 200的图形实时生成与显示。

1 图形生成原理

飞行技术的发展使得座舱内需要显示的信息量增大，尤其在做战术动作时，画面变换速度快，要求图形的更新速度也必须很快，才可以避免画面的断续。为达到动态实时显示及画面清晰，硬件上需采用更快的图形处理器和更合理的设计[7]。本文采用ADI公司的TigerSHARC系列高速DSP器件TS201作为图形处理器，以FPGA作为协处理器，采用大容量高速SDRAM器件作为图形帧存，原理框图如图1所示。

其中DSP负责图形生成运算并且将数据结果通过FPGA写入SDRAM中，FPGA从SDRAM中读出数据送至显示部件进行显示。本设计采用双帧存结构，DSP和FPGA对SDRAM的帧存操作采取乒乓方式，以场同步信号为周期进行切换。

2 FPGA设计

FPGA设计主要包括SDRAM控制器设计、系统接口模块设计、乒乓模块设计等。

2.1 SDRAM控制器设计

SDRAM的操作时序非常复杂，控制命令主要包括：激活命令ACTIVE、读命令READ、写命令WRITE、预充电命令PRECHARGE、刷新命令RE大电流功率电感FRESH、操作模式加载命令LOAD MODE REGISTER等。上电之初要先进行初始化配置，而后才可进行正常读写。一个单独的读写操作需要有数个时钟周期的配套操作，这也部分抵消了其高速率带来的优势。全页突发操作模式能够很好地发挥SDRAM高速读写的性能[8]。突发操作是指从内存中连续的地址读写有限的数据,在一个SDRAM 设备的频率周期中，可以读写与时钟个数近似等量的数据[9]。本文采取突发操作方式对SDRAM进行数据存取处理。

本文采用VHDL硬件描述语言并用有限状态机来实现SDRAM各个控制命令状态间的切换。使用VHDL语言来描述有限状态机，可以充分发挥硬件描述语言的抽象建模能力[10]。SDRAM控制器逻辑框图如图2所示。图中各个信号的定义如表1所示。

控制器内部逻辑主要分为三部分，分别为：状态转换模块sdr_ctrl、状态处理模块sdr_sig、数据处理模块sdr_data。状态转换模块sdr_ctrl负责初始化状态机和初始化完成后各个操作命令之间状态转移关系的建立，状态处理模块sdr_sig负责各种状态命令下对应的地址、控制命令信号的生成，数据处理模块sdr_data负责控制数据端的读写使能三态控制。

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