视频控制器概述

定义 视频控制器一般由显卡驱动程序或DirectX中自带 视频控制器模块是芯片与显示平台的数据接口，对检验芯片设计是否成功起着重要的作用，有必要把它单独划分为一个子模块。为了提高设计的成功率，在设计初期采用了基于FPGA的原型验证。整个系统的FPGA原型验证平台分为2个部分，硬件设计和基于RISC CPU的软件解码，两部分协同工作，既可以验证软件和硬件的解码结果，又可以加速整个解码过程。

视频控制模块原理及功能分析输出视频控制模块有2个时钟域：系统时钟域和显示时钟域。系统时钟频率根据所选用的SDRAM类型而采用固定的166MHz;对于分辨率为1280×720的高清电视来说，显示时钟域可以选用70 MHz 左右的频率。系统时钟域含有2个对外接口：1、系统接口，主要包含上层系统发出的指令以及输出控制模块的反馈信息;2、DRAM接口，包含数据专用总线为输出控制模块提供的信号，用来于向DRAM请求显示的图像数据。系统时钟域中的显示输入控制子模块(Disp In Ctrl)首先用于接收系统传来的StartDisp和EndDisp信号，来启动或关闭视频数据的输出显示功能，同时发出帧图像显示完毕信号(FrameDone)，通知系统更换下一副图像的地址信息(ImageAddress);其次，它用于向DRAM发出请求，通过专用数据通道读取需要显示的图像数据;它还要控制输入多路选择模块(Input MUX)，从而完成向片内SRAM写数据的任务;最后，该模块要与显示时钟域的信息交互，向时钟域同步模块(Clk Domain Sync)发送显示使能信号(DispEn Sys)，控制图像显示的开启和关闭。系统时钟域的另一个子模块——输入多路选择模块会按照一定的规律选择片内双口SRAM，控制存储器地址，完成向存储器写入显示图像数据的任务。

显示时钟域含有一个对外显示设备接口，主要包含用于显示的控制信号和已完成转换的数据信息。显示时钟域包含2个子模块，一个是输出多路选择子模块(Output MUX)，用于实现对双口SRAM的选择和地址控制，按照一定的规律读取要显示的图像数据;还要进行数据的打包。另外一个子模块是显示输出控制模块(Disp Out Ctrl)，用于实现对TV编码器的控制、YUV信号向RGB信号的转换以及对数字图像的缩放，信号包括显示时钟、行同步、帧同步以及RGB图像数据等;它还要控制输出多路选择模块以读取显示数据;最后，它要与系统时钟域进行交互, 配合数据在两个时钟域之间的传递。

时钟域同步模块是输出控制模块设计的重点，它主要负责两个时钟域之间的控制信号传递。跨时钟域的信号传递设计较为麻烦, 所以设计中将传递的信号分为两类：数据信号和控制信号，其中控制信号就是通过时钟域同步模块传递。对需要跨时钟域传递的信号数进行精简，在最后方案中只需要2个信号：WrDone信号由系统时钟域发出，通知显示时钟域某块双口SRAM中的数据已经更新完毕，可以读取并进行显示输出;RdDone信号由显示时钟域发出，通知系统时钟域某块双口SRAM中的数据已经显示完毕，可以更新其内部的数据。信号在不同的时钟域之间传递需要采取消除亚稳态(Metastability)的处理措施，可使信号通过两级寄存器锁存输出。设计中有两点值得注意，首先，时钟域同步电路应放在一个独立的模块中，保证综合工具的优化、时序分析的正确，并方便电路的分析和调试;同时，为了能够使信号的目标时钟域采集到信号变化，设计中传递的控制信号都采用电平信号表征。

时钟域之间要传递的另一种信号是数据信号，由于数据信号数目较多、变化也较快，所以它们的传递通过双口DPRAM实现。双口DPRAM要求读写端口对同一存储地址的操作要满足一定的时间间隔，否则会出现数据传输错误，甚至会破坏硬件电路。因此为了避免DPRAM的读写冲突，设计中采用了“乒乓”缓冲的方法，两块DPRAM交替存取解码后用于显示的亮度或色差数据：当显示部分读取一块DPRAM中的数据时，系统向另一块DPRAM中写接下来要显示的数据，数据读取完毕时，两块DPRAM就进行交换。这部分共用4块DPRAM来实现，2块传递亮度信号，2块传递色差信号。下面分析在视频控制器显示输出子模块中运用到的格式转换算法、图像缩放处理算法以及它们的硬件实现。显示数据格式转换分析根据Sil 164 DVI信号编码芯片资料，同时参考H.264视频编码标准中给出的YUV → RGB转换格式，故在设计中采用的固定转换算法如下式所示：上式经过定点化处理，使用移位和相加的方法实现了转换，如下式所示：在硬件设计中的YUV、RGB信号都是用8位无符号数表示，中间变量采用12位保证精度。最后要在0~255的范围内对计算出的RGB结果进行剪裁处理，式中的幂指数和除法运算都通过移位来实现。