基于DSP和FPGA的新型筆劃式字符發生器

李 潔， 張 蕾， 王靈剛

(1.中國航空工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009;2.河南科技大學電子信息工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

筆劃式顯示方式廣泛應用于飛機座艙顯示。隨著光柵顯示技術的發展，許多顯示器已采用了光柵顯示方式。但對于要求高亮度和高顯示精度的平視顯示器和頭盔顯示器，仍大量采用筆劃式顯示方式。目前，筆劃/光柵轉換技術較為成熟，不少資料中介紹了各種筆劃/光柵轉換方法［1-3］，使筆劃、光柵顯示方式可以協調共存于同一飛機平臺。

筆劃式字符發生器是筆劃式顯示方式的核心。一些國外專利［4-10］介紹了符號筆劃的各種生成方法，但都是利用分離器件產生基本筆劃。也有一些資料介紹筆劃式字符發生器的設計方案，有的采用多通道任意波形發生器模塊來產生筆劃信號［11］;有的采用EPLD來實現基本的筆劃矢量生成［12］;最近有設計采用了DSP和FPGA，其特點是集成度高，使用高性能的數字信號處理器完成筆劃和光柵兩路字符數據生成，控制邏輯和圖形生成電路由FPGA實現，體積和功耗大幅度下降［13］。隨著飛機航電系統的發展，需要處理、顯示的信息量越來越大，對字符發生器的數據處理能力和筆劃書寫性能提出了更高的要求。本文提出一種同樣基于DSP和FPGA的新型筆劃式字符發生器的設計方法，以滿足相關國軍標［14-15］為前提，旨在提升字符發生器的數據處理能力和符號書寫性能。該設計采用帶核處理器和IO處理器的DSP作為主處理器，將數據處理和符號書寫管理并行，矢量發生器可以全周期進行書寫;利用DSP的握手DMA通道，矢量發生器由從處理器被動接收矢量指令改為主動申請矢量指令，使筆劃之間書寫連續無停頓，提高字符發生器的平均書寫速度和筆劃書寫均勻性。

1 組成及工作原理

字符發生器由數字信號處理器(DSP)及外圍電路、矢量發生器、A/D轉換電路組成，產生筆劃式字符畫面供后級顯示器顯示。組成框圖如圖1所示。

圖1 字符發生器組成框圖Fig.1 Composition of a charalter generator

1.1 DSP及外圍電路

DSP選用AD公司的ADSP21160，為雙處理器、雙總線結構。內含核處理器和I/O處理器;核工作時鐘100 MHz，兩個獨立32位浮點運算單元，每個都帶乘法器、累加器、移位器和16個數據寄存器組;片內含4 MB雙端口存儲器，數據總線寬度64位，地址總線寬度32位;支持單指令多數據流模式(SIMD);全部指令為單周期指令;支持14通道DMA，6個Link口通訊。

DSP可通過Link口或雙端口存儲器獲取顯示文件和指令，由核處理器進行相應計算處理，生成矢量發生器能識別的一組筆劃矢量指令，存入指定緩沖區。DSP內存開辟兩個緩沖區，用于存儲處理好的筆劃矢量指令。I/O處理器根據矢量發生器發出的DMA請求從某一緩沖區輸出筆劃矢量指令。筆劃矢量指令的輸出與矢量發生器發出的DMA請求信號有關，與計算無關。計算期間可以同時響應矢量發生器的請求，及時向矢量發生器輸出矢量指令，對矢量發生器的矢量指令輸出不會長時間占用DSP外總線，影響計算數據的存取，使計算和矢量指令輸出同時進行，互不影響。

1.2 矢量發生器

一個符號及完整的畫面均是由若干筆劃矢量構成，矢量發生器就是產生這些筆劃矢量的單元。矢量發生器根據筆劃矢量指令，按一定的書寫時鐘連續輸出一個筆劃矢量的X、Y坐標數據及亮暗信息。矢量發生器由FPGA實現。

本文采用間接式的筆劃矢量構成形式，即將字符矢量用長邊位移量和tan α表示。基本筆劃矢量的構成如圖2所示。

圖2 基本筆劃矢量構成Fig.2 Constitution of basic stroke vector

如矢量AB，其矢量指令表示為長邊位移量和tan α，其中，在X和Y兩個方向上位移量較大者為長邊，矢量與長邊的夾角為α，α≤45°。

一筆矢量書寫時，其長邊按書寫時鐘每周期步進一，直到走完長邊位移量。而短邊位移量的步進時鐘頻率由12位的二進制比率乘法器計算，乘法器輸入12位二進制比率系數 L、K、J、I、H、G、F、E、D、C、B、A，其輸出頻率為fout。

式中，M=L×211+K×210+J×29+I×28+H ×27+G×26+F×25+E×24+D×23+C×22+B×21+A×20。

12位二進制比率系數的計算方法為tan α×4095，fin為長邊書寫時鐘頻率。乘法器的輸出脈沖fout即為短邊的書寫時鐘頻率。

矢量發生器由以下工作單元組成:指令管理單元，指令譯碼單元，延時單元，顯示忙處理單元，時序控制單元，長邊計數單元，二進制系數乘法器，X、Y坐標計數單元，X、Y坐標輸出單元，輝亮控制單元，窗口控制單元，閉塞區控制單元。組成框圖如圖3所示。

圖3 矢量發生器組成框圖Fig.3 Block diagram of vector generator

矢量發生器輸入信號為字符時鐘，顯示忙信號，筆劃矢量指令;輸出信號為DMA請求信號，X、Y坐標數據(各12位)，輝亮信號。

由于矢量發生器由DSP的IO處理器管理，且矢量指令的獲取是由矢量發生器主動申請，而非從處理器被動接收，因此，矢量發生器的工作相對獨立。矢量發生器可自行調整筆劃書寫速度，也可利用DMA請求信號的快慢來隨意調節筆劃之間的停頓時間，而不受處理器工作速度及軟件結構的影響。采用適當的書寫點時鐘頻率和筆劃間的等待時間，配合后級電路可達到最佳的顯示效果。

1.3 D/A 轉換

D/A轉換電路將筆劃矢量的X、Y坐標數據進行D/A轉換，產生X、Y模擬偏轉電壓，配合輝亮信息，驅動后級電路，在顯示器上完成畫面的顯示。

2 工作流程

核處理器周期性地處理顯示文件，形成一幅完整顯示畫面的矢量指令組，放入DSP內部緩存，交由IO處理器管理，核處理器隨即可處理下一周期的數據;IO處理器啟動握手式DMA，等待DMA請求信號，并向矢量發生器發出書寫啟動標志SFLAG0(SFLAG0置“1”)。

矢量發生器中的矢量指令管理單元收到書寫啟動標志后，發出第一個指令接收請求信號(DMA請求)，IO處理器隨即將DSP內部緩存中的第一條矢量指令從數據總線發出;矢量指令管理單元將指令寫入第一級緩存，延時后寫入第二級緩存，矢量發生器中的筆劃生成邏輯開始進行指令譯碼并執行，如圖1所示。

筆劃生成邏輯進行指令譯碼的同時，矢量指令管理單元發出下一個指令接收請求，并將新指令存入第一級緩存;當前矢量指令執行結束時，將第一級緩存中的指令寫入第二級緩存，開始新的譯碼和執行，并再發出指令接收請求;矢量發生器周而復始地申請、接收、譯碼、執行，當執行畫面結束指令時，不再發出指令接收請求信號，一幅完整的畫面書寫完成，等待下一周期的書寫。

3 矢量指令管理單元時序設計

指令管理單元內含兩級緩存，如圖4所示。

圖4 指令管理單元的兩級緩存Fig.4 Two-level cache of instruct managemcnt unit

矢量發生器在DSP的SFLAG0置“1”后，開始一個顯示周期的工作，直到一幅畫面書寫完畢。SFLAG0置“1”，矢量指令管理單元向DSP發出第一個DMA請求信號，DSP隨即向矢量發生器輸出矢量指令。圖5是矢量指令管理單元的工作時序圖。

圖5 指令管理單元工作時序圖Fig.5 Timing sequence of instruct management unit

SCLKOUT是DSP輸出的40 MHz外部時鐘，也是本單元的工作時鐘，SRESETI是字符發生器的全局復位信號。dmaq1、dmaq2、dmar_1為定義的中間信號(signal)。SFLAG0置“1”后，dmaq1和 dmaq2分別由SFLAG0延時一個和三個時鐘得到，dmar_1由dmaq1和dmaq2異或得到，作為第一個DMA請求信號。DMA請求信號 sdmar1由 dmar_1與譯碼脈沖 wrdecode(wrdecode由矢量發生器對矢量指令譯碼得到)合成得到，即sdmar1的第一個脈沖為 dmar_1，后續脈沖由wrdecode展寬得到，以便DSP能及時送出下一條指令。

DSP收到DMA請求信號后，向矢量發生器發出第一條指令。Wrvector是第一級緩存寫入信號，由DSP寫信號合成矢量發生器地址產生。Wrvector的上升沿將矢量指令寫入第一級緩存，得到vectororder1。Beginflag是一個標志，低電平時，第二級緩存寫入脈沖wrvector_2由wrvector延時兩個時鐘得到(即wrvector2);高電平時，wrvector_2在上一條指令執行結束時產生。即只有第一個wrvector_2由wrvector延時得到，后續的wrvector_2均在上一條指令執行結束時產生，wrvector_2的上升沿將vectororder1寫入第二級緩存，得到vectororder2。這樣在一條指令執行結束時，將第一級緩存中的指令寫入第二級緩存，隨即送筆劃生成邏輯進行譯碼，并送出DMA請求信號。當執行畫面結束指令0x0時，不再產生wrvector_2。

筆劃生成邏輯對vectororder2進行指令譯碼并執行，直至碰上畫面結束指令0x0，結束一個顯示周期，等待下一周期的書寫。

4 結論

本文所述字符發生器基于DSP和FPGA設計，是高集成度、小型化設計。利用DSP強大的數據處理能力和其內部IO處理器的并行處理功能，加之矢量管理單元的協調設計，達到了提高字符發生器數據處理能力和筆劃書寫性能的目的。由于筆劃間無停頓，在不改變書寫時鐘的前提下，每周期畫面書寫時間較之先前的字符發生器縮短約1/3;也正是由于筆劃間可以連續無停頓，使字符書寫流暢，亮度均勻，顯示畫面更加美觀。

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