原创 多媒体协处理器在嵌入式系统中的应用

本文摘自《单片机与嵌入式系统应用》

作者：无锡商业职业技术学院 王立凤

引言

　　近年来，从手持消费电子到工业控制系统，嵌入式处理器的应用已经深入到人们工作和生活的方方面面。在某些应用领域，系统需要提供如1 280×1 024这类高分辨率的显示界面，而多数嵌入式处理器不能支持，或者在高分辨率下提供的显示效果不好。

　　通常，一个带有LCD显示器的ARM系统如图1所示。

       在该系统中，ARM处理器将LCD显示器的数据存放于SDRAM中的LCD帧缓冲区中，由处理器中的LCD控制器提取LCD帧缓冲区中的数据并输送给LCD显示器。一个LCD控制器的时钟信号有3种:FRAMESYNC (场同步)、LINESYNC（行同步）和LCD_DCLK（数据时钟）。在LCD_DCLK的作用下，LCD控制器将LCD数据信号并行输出到LCD显示器。显然，一个LCD_DCLK时钟只能输送一个像素点的数据。根据文献，TFT LCD的刷新频率一般在60 Hz，因此，一个具有M×N像素点的LCD显示器，在1 s的时间中，要求LCD控制器传送像素点总数为（M×N×60），即LCD控制器的LCD_DCLK的频率必须大于（M×N×60） Hz，以便保证LCD显示器的正常显示。因此，嵌入式处理器芯片LCD控制器支持的最大分辨率与LCD_DCLK时钟频率有关；然而LCD_DCLK是从处理器系统的AHB总线时钟HCLK通过分频计算得出的，所以，LCD控制器支持的最大分辨率与系统HCLK有关。为确保嵌入式处理器系统处在良好的工作状态，一般不使用最大分辨率进行显示。以Samsung公司的S3C2410为例，在TFT LCD模式下，典型的实际支持的最大分辨率为640×480。另外，受到ARM处理器LCD帧缓冲区大小的影响，在达到最大分辨率时，LCD数据的位宽度降低，这使得显示效果变差。

　　如何才能使嵌入式处理器应用在高分辨率的场合呢？SM501图形加速芯片的出现很好地解决了这个问题。

       1 SM501图形加速芯片简介

　　SM501是一款便携式多媒体协处理器芯片，专门为嵌入式工业提供补充功能，具有视频和2D能力。为了降低系统的成本，它支持多种输入/输出接口，包括模拟RGB、数字LCD屏接口、8位并行接口、USB、 UART、 IrDA、 Zoom Video、 AC97或I2S、 SSP、PWM和I2C，同时它还带有GPIO，便于与外部器件连接。SM501的2D引擎包括一个前端色彩空间转换器，支持4∶1和1∶8的比例。视频引擎支持在每个像素点8位、16位或32位数据宽度时2个不同的视频输出（双显示屏），为每个视频输出提供三色硬件指针。LCD视频流水线支持一个黑点YUV色彩空间转换，比例为4∶1和1∶212。放大视频(Zoom Video)接口包括MPEG解码或TV输入的外部电路接口。

　　SM501的系统框图如图2所示。

图2 SM501系统框图

       2 SM501的2D图形引擎

　　通过将优化的128位的2D图形引擎和一个与本地帧存储器连接的高带宽链接相结合，SM501提供面向工业的2D图形加速功能。2D图形引擎也包含一个命令翻译器（一个增强型的DMA引擎），对于工作在150 MHz的32位数据宽度的SDRAM，SM501的DMA引擎读取2D操作数的带宽可达600 MB/s。这么高的存储器带宽使得2D引擎在无须等待和流水线停止工作的情况下高速运行。当它在读取和翻译命令时，命令翻译器也可以有条件地转到存储器空间的另一个地址上，等待由其他模块发送过来的状态信息。2D图形引擎同时还包含一个色彩空间转换单元。该单元允许从许多的YUV模式直接翻译到RGB模式。2D图形引擎还带有一个双线性标量器，它可以支持4∶1的压缩和1∶216的拉伸。SM501支持存储器工作在UMA和本地32位模式下。

       3 SM501的LCD接口

　　SM501的LCD逻辑模块可以直接驱动一个18位或24位的TFT LCD显示屏；同时也支持12位的CSTN屏，通过一个颤抖引擎（dithering engine）可以得到有效的18位显示效果。支持的最大屏的大小为1 280×1 024。通过硬件和软件可控制LCD显示屏的上电顺序。SM501与一个24位 TFT LCD显示屏的接口电路如图3所示。由图3可知，该接口电路的设计与一个嵌入式处理器和TFT LCD的接口电路的设计是相同的，因此，设计起来很方便。

                                                   图3 SM501与TFT LCD显示器的接口电路

       4 具有SM501的嵌入式系统设计

　　一个具有SM501的嵌入式系统如图4所示。系统中ARM处理器将LCD的数据放入SDRAM的帧缓冲区中，然后将显示工作交给SM501处理。通过2D图形引擎，SM501从SDRAM的帧缓冲区中读取数据，并将这些数据输送到LCD显示器。这样一来，LCD的数据没有经过ARM处理器的LCD控制器，因此，LCD数据的传输不受ARM处理器的HCLK时钟的影响，达到了支持高分辨率的设计要求。

                                                   图4具有SM501的嵌入式系统框图

　　综上所述，SM501为ARM处理器支持高分辨率显示提供了良好的解决方案。同时它还带有模拟RGB等丰富的在片资源，为ARM系统功能的进一步扩展，提供了方便。