基于I2C的OSD显示驱动设计与实现

随着汽车工业的发展，车载导航设备得到了越来越多的应用。现在主流的车载导航设备都集成有DVD功能，对视频处理提出较高要求。选择高性能平台和高性能视频处理器对车载导航设备有十分重要的意义。同时，对于音量的可视性控制和DVD控制来说，OSD技术具有很大的优越性，它可以在不影响DVD画面的基础上叠加在屏幕上，降低了主处理器的工作量。PXA270处理器具有领先的高性能和低功耗功能，宏芯T128D具有强大的视频处理功能，同时集成了两层OSD处理引擎，两者通过I2C总线连接可以大大提高车载导航设备的多媒体处理功能，本文陈述了在两者基础上通过I2C总线连接实现OSD显示驱动的方法。

1 基本原理

1.1 OSD显示原理

OSD(On Screen Display)是屏幕显示技术的一种，用于在显示终端上显示字符、图形和图像。实现的过程为：存储器(一般为内存的一段)的内容与显示终端上的像素一一对应。

当要输出图文信息时，将字符图标的位图信息送至OSD位图区域的相应位置。OSD位图区域由其头部定义，每个OSD头主要包括OSD显示矩形区域的起始位置、大小及两个分别指向顶场和底场图像数据的指针，还有一个指向下一个OSD位图数据头的指针。由于采用了这种基于指针的OSD数据管理结构，理论上OSD位图数据块的数目不受限制，实际上它要受到内存大小的限制。terawinsT128提供的内存空间为8k*16 b。头部不仅定义了位图区域的尺寸、位置以及颜色信息，而且提供了颜色表更新等功能。字符的颜色设置使用OSD处理单元(LUT)的颜色查找表，也称作调色板。如图1所示，4位的LUT意味着有16种颜色可以选择，并且位图中的每个像素占有存储单元的4位。某个Byte中的低四bit内容与一个像素一一对应，其值为“3”，那么数字“3”所代表的颜色便由色板来决定，然后再驱动OSD屏幕将像素设置为制定颜色。OSD中的2个像素对应1 B，所以一行显示内容所占的存储空间为320/2=160 B，设pOSDBuffer指向OSD对应存储空间的首地址，为了将OSD上坐标(x，y)的像素设置值为PixelValue(值的范围为0x00～0x0f)，即改变该像素的颜色，则需要先确定坐标(x，y)像素对应的字节存储空间地址为：

1.2 I2C总线通信原理

I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。各种被控制电路均并联在这条总线上，每个电路和模块都有惟一的地址。CPU会发出地址码用来选址，即接通需要控制的电路。所以，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

I2C总线定义了严格的传输信号来完成一次传输。如图2所示，SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，这是开始信号，开始传送数据。SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

注意：SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变会被识别为起始和停止条件。接收数据的IC在接收到8 b数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。

2 具体实现

2.1 接口电路

如图3所示，PXA270芯片通过SCL和SDA两根线(I2C)向T128D发送指令，通知其显示OSD或者擦除OSD画面。在本论文使用的方法里，是由PXA270通过I2C向T128D写寄存器，将读OSD符号的首地址传输给T128D。PXA270要显示的RGB或者YPrBr信号也连接到T128D上，通过LVSYNC垂直同步信号和LYSYNC横向同步信号实现同步。通过T128D的处理，将DVD的YPrBr信号和PXA270的RGB565信号处理为模拟RGB信号，再连接LCD屏，由LCD屏显示出来。

2.2 软件实现框架

本文的OSD驱动实现使用流接口驱动，OSD流接口驱动的框架如图4所示。该驱动在系统启动时或者启动后的任何时候由设备管理器动态加载。以DLL动态链接库的形式存在，系统加载它们后，这些驱动程序以用户态的角色运行。这个OSD流驱动通过文件操作API来从设备管理器和应用程序获得命令。流接口驱动有一套标准的接口，比如XXX_Init，XXX_Open，XXX_PowerUp，XXX_IOControl，XXX_Write等。对于I/O设备尤其是数据流设备来说是非常合适的，操作接口和文件系统API十分类似，比如ReadFile，IO_Control等。应用程序可以和流接口驱动进行交互，并且可以把流接口驱动当作文件来操作。

本文着重要提到的流接口是OSD_Init，OSD_IOControl，OSD_write。OSD_Init在加载驱动时通知设备管理器在为设备初始化时分配资源。OSD_IOControl是文件系统发送I/O控制指令的接口。OSDWrite是文件系统写数据到T128D的接口。在本文中OSD_Write不进行具体的写操作，只是将写命令压人FIFO队列。

2.3 具体操作

2.3.1 I2C总线的通信流程

由于I2C总线上挂的设备很多，可能会造成两个设备同时占用I2C总线的情况，这样系统会错乱。为了避免这种情况，针对一次读写操作，考虑到其不可打断性以防止数据的破坏，采用Mutex互斥锁。即每次只允许一个读写操作占用I2C总线。在一次读写操作开始之前，等待互斥锁，直到读写操作完毕，释放互斥锁。这样当在一次读写没有完成之前，其余设备无法占用I2C总线，而只能等待。本驱动申请互斥锁的流程见图5。

2.3.2 初始化和卸载

T128设备的初始化，主要是首先映射GPIO和T128相关寄存器到虚拟地址空间，然后检测I2C总线驱动有没有初始化，创建互斥体，并建立一个写线程OsdWriteProc()，同时建立一个OSD写命令非空事件g_hevOsdQueueEmpty这样检测到非空事件时就可以调用OSD写进程。初始化设备失败或者设备卸载的时候调用设备卸载函数，卸载时要释放虚拟GPIO寄存器的空间，调用I2C的卸载函数，并关闭互斥体。

2.3.3 OSD写入流程

实践中发现在写OSD时需要停止T128 MCU，写完后恢复其运行，否则OSD会错乱。如果要停止T128MCU时，它正在切换视频、检测视频信号，操作未完成时被停掉，则液晶屏显示会错乱，图像分成几个部分。而上层应用的写OSD请求不能丢弃，否则上层的状态又会错乱，该隐藏的未隐藏，该显示的没显示。因此需要设计一种机制，既保证上层的写OSD操作不丢弃，又不与T128 MCU冲突。

如图5所示，设计一个缓冲队列，接收到上传人的OSD数据压入队列。OSD驱动留给上层的Write接口，不负责实际的写操作，将数据压入队列(此时会激活队列非空事件)后立即返回。创建一个OSD写线程，等待缓冲队列非空事件激活后，查询T128 MCU状态，待其空闲后，获取关键代码段，执行写操作，写完后退出关键代码段，进入下一轮循环。

3 性能分析

T128通过3根主线跟CPU通信，由T128处理从DVD和PXA270来的视频信号，这样OSD就可以在各个源的信号上叠加。由于T128处理了很大一部分视频信号，降低了CPU的负担，同时也圆满解决了OSD在DVD信号上的叠加问题。由于I2C的多主控特点，不会影响挂在I2C上的其他外设的工作和性能。

4 结语

本文介绍了基于PXA270处理器和Windows CE5.0操作系统上的OSD驱动的设计和实现。目前已经在本平台上稳定运行，具有很好的OSD处理能力。同时，鉴于T128强大的处理功能，该驱动还可以优化和拓展，比如可以利用T128实现车载平台机构的翻转。