图形显示控制器(GDC)是位于车辆信息和娱乐系统中心的关键引擎,通常这些信息娱乐系统包括需要各类人机接口的头端单元和全配置的各种仪器。开始为日本和欧洲市场上的高端车辆中的导航系统设计的图形显示控制器,现在已经出现在世界各地的各种型号的中档乃至低端车辆中。在车辆的娱乐系统中也在采用。
 
车辆 GDC 是一款独特的器件,它整合了车辆娱乐系统中所需的许多功能。GDC 的基本功能是控制 LCD 面板,并产生宽范围的丰富图像内容。GDC 可以实现先进的功能,如导航,模拟仪表的表征,振动斑点屏蔽(vibrant splash screens)以及在不占用主 CPU 过多资源的条件下其他的更生动体验等。此外,GDC 还完成功率管理,这使得可以省去一些外部的冷却部件,例如风扇或散热器。
 
与台式电脑图形控制器不一样,为嵌入式应用设计的 GDC 用于低分辨率的小屏幕应用。汽车显示器的分辨率通常从基本信息显示所用的 CIF(320×240)到仪器所用的 Ultra Wide VGA(1024?480)。由于车辆中复杂环境,需要在这些小屏幕上显示大量的信息,并且要求显示清晰,从而带来了一些特殊的挑战。GDC 选用多层和多种透明度,使得观看者能够同时观看几个屏幕。与 Windows 工作台系统类似,屏幕尺寸需要调整和移动显示区域。GDC 将允许从屏幕或图像的下方观看,从而改善显示效果。
 
GDC 性能分类
随着采用的微控制器不同,GDC 有许多不同的类型和性能等级。基本上,有 5 类不同的性能等级。
 
第一类是基本型的 GDC,它包括一个简单的帧缓冲存储器和一个产生显示信号的控制器。主控制器处理绘图功能,在缓冲器上手动改变显示帧。第二类是复杂一点的版本,包括帧缓冲器和一个具有 2D 功能图形引擎,例如绘制直线和多边形图形。这类 GDC 将覆盖 2 层或 3 层,完成层间的α混合。
 
第三类的 GDC 覆盖更多的层——可能多达 4 到 6 层。这一级别的 IC 用硬件传感器来实现α混合和α平面,并包括全功能的绘图功能。
 
第四类的 GDC 在上述功能的基础上增加了下属功能:一个 2D/3D 图形引擎,一个几何处理器,还有一个内部工作频率为 100~200MHz 的绘图引擎,它能提供高绘图速率,用于显示点时钟(dot clock)时可以达到 400MHz。实际例子就是富士通的 32 位的 MB86296。
 
最后一类也是最先进的 GDC,例如富士通的 MB86R01,这是另外一种 32 位的 IC,能够提供很多额外的多媒体功能,包括对音视频的支持,能够对音视频进行解码,而并非像其他类型只是捕获和调整。还包括雾化,加亮和可编程屏蔽功能,从而可以提供生动体验和现场感,而且绘图速率在所有图形显示控制器中是最快和最高的。
 
在选择 GDC 时,确定将送到 CPU 的处理量也是重要的事情,如果可能的话。如果主处理器处理能力能够达到 400MIPs 或更高,则将会有很多可用周期,于是则可能用 CPU 来执行几何操作,而用一个简单的 GDC 执行位图操作。另一方面,如果主处理器不具备足够高的处理速度,就必须利用功能强大的 GDC。主处理器必须足够快,以保持为 GDC 提供位图坐标和显示列表,故必须考虑处理器和 GDC 的相对等级级别。当然,处理器中的主要考虑取决于所显示的图像或图形的复杂度。
 
不论哪种 IC,都要求它们在执行任务的同时消耗尽可能少的功率。许多最新的和效率最高的控制器所消耗的功率小于 2.3 瓦,远小于以前的功耗水平。所以说,图形显示控制器在不断改善其效率和性能。
 
存储器:GDC 中的关键部件
图形存储器是 GDC 系统中的最重要的部件之一。在 GDC 作为有效执行绘图功能的几何图形和绘图引擎时,图形存储器提供了缓冲区,所有的图形信息都保存在这里。车辆中的显示器上的显示帧也被存储在图形显示器中。对于及时且可靠地将帧数据提供到视频输出接口来说,这是非常重要的。有一系列不同类型的数据存储在图形存储器里,包括绘图帧,作为绘图帧的子集的显示帧,携带 3D 绘图所需信息的 Z- 缓冲数据,来自视频输入接口的视频捕获缓冲数据(每像素 16 比特),在绘制多边形时所需的多边形绘图标志缓冲数据(每像素 1 比特),显示列表数据,纹理图和指针图(Cursor Patterns)数据等。
 
有如此大量的信息存储在图形存储器中,提取信息的存储器访问必须按照如下的优先级:
 
1. 显示帧刷新
 
2. 视频捕获
 
3. 显示处理
 
4. 主 CPU 访问(用于显示列表,纹理图和位图)
 
5. 绘图访问(Z- 缓冲,多边形标志缓冲等)
 
显示帧刷新更新显示器上的内容,每秒 50 或 60 次。该工作需要传输大量的数据,它直接影响人机交互的效果。因此,必须赋之于最高的优先级。
 
上述第二重要的是视频捕获,需要在图形存储器中缓冲输入视频数据。下一个是显示处理,包括与显示控制器相关的各种处理,例如显示α混合、覆盖、指针图处理及其他。再下来是主 CPU 访问,这包括将显示列表、纹理图和位图传递到存储器中。最后一个是绘图访问,它包括利用 Z- 缓冲器和多边形标志缓冲器来更新绘图帧。
 
由于大量的数据通过图形存储器接口,故对该接口的带宽需求非常高。典型的 GDC 的图形存储器带宽是 532MB/s。不过,由于存储器读写都要占用多个时钟周期,实际上的有效带宽将只有该值的 1/2 到 2/3,假定存储器时钟频率为 133MHz,而数据总线宽度为 32 位。高端 GDC 的存储器带宽比该值高一倍,或者说接近 1GB/s。可以采用 DDR-SDRAM 技术来增加最高端 GDC 的存储器带宽。
 
如图 1 所示,除了存储器接口之外,GDC 还有一个 CPU 接口,视频捕获接口和视频输出接口。显然,绝大多数数据通过存储器接口。而显示列表、位图和纹理图则从 CPU 传送到 GDC。CPU 可能也要直接访问 GDC 寄存器或存储器。但所有这些任务都不产生大量的数据。对于 PCI 主机接口(33MHz)来说,GDC 的典型带宽为 50MB/s。另一方面,SRAM 型主机接口带宽高于 100MB/s。该值取决于总线时钟频率。
 
图 1:典型 GDC 的方框图。除了存储器接口外,GDC 还有一个 CPU 接口,视频捕获接口,以及视频输出接口。
 
类似地,与存储器接口相比,视频捕获和视频输出接口所需的带宽比较低。这些接口都执行专门的任务,数据流入视频捕获接口,而从视频输出接口输出。所以说,存储器接口是整个 GDC 系统中的最大瓶颈。其架构取决于 GDC 的目标应用。
 
专用存储器架构:性能最优
根据上述,存储器接口必须专用。如果为存储器分配非图形功能,例如划拨其一部分作为主 CPU 的工作区,将会占用带宽并直接影响 GDC 的性能。为了提升性能,这种情况必须避免。该方案,即 Fujitsu GDC 采用的方案,将 CPU 存储器从图形处理器中隔离出来。
 
系统需要用于 GDC 的分离存储器和较大的 PCB 空间来供应那些不提供图形功能的外部部件。另一种方案则是统一存储器架构,使得主 CPU 和 GDC 能共享单一存储器。如果系统使用分离的 IC 负责处理和图形功能,就必须用 CPU 或 GDC 来实现存储器接口。对于没有存储器接口的 IC,存储器数据流就必须通过将其连接到另一片 IC 的接口来传输。
 
 
实现这种架构的一种较好的方法是利用一片 SOC,利用 SOC 中的高速数据通道将主 CPU 和 GDC 同时集成到一个芯片上,来实现高带宽 CPU-GDC 通信。这种接口在芯片内实现起来比在外部实现起来容易,能够在不牺牲 GDC 性能的条件下同时满足带宽需求和空间约束条件。采用当今的处理技术,有可能以合理的成本开发出这样的 SOC。
 
如今,GDC 的丰富种类和性能能够在世界各地的车辆中实现一系列创新的信息娱乐应用。在导航和视频产品中它们是关键的基础部件,随着汽车制造商差异化其车型和类型,它们将变得更加重要。