基于DSP和FPGA的新型笔划式字符发生器

李 洁， 张 蕾， 王灵刚

(1.中国航空工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009;2.河南科技大学电子信息工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

笔划式显示方式广泛应用于飞机座舱显示。随着光栅显示技术的发展，许多显示器已采用了光栅显示方式。但对于要求高亮度和高显示精度的平视显示器和头盔显示器，仍大量采用笔划式显示方式。目前，笔划/光栅转换技术较为成熟，不少资料中介绍了各种笔划/光栅转换方法［1-3］，使笔划、光栅显示方式可以协调共存于同一飞机平台。

笔划式字符发生器是笔划式显示方式的核心。一些国外专利［4-10］介绍了符号笔划的各种生成方法，但都是利用分离器件产生基本笔划。也有一些资料介绍笔划式字符发生器的设计方案，有的采用多通道任意波形发生器模块来产生笔划信号［11］;有的采用EPLD来实现基本的笔划矢量生成［12］;最近有设计采用了DSP和FPGA，其特点是集成度高，使用高性能的数字信号处理器完成笔划和光栅两路字符数据生成，控制逻辑和图形生成电路由FPGA实现，体积和功耗大幅度下降［13］。随着飞机航电系统的发展，需要处理、显示的信息量越来越大，对字符发生器的数据处理能力和笔划书写性能提出了更高的要求。本文提出一种同样基于DSP和FPGA的新型笔划式字符发生器的设计方法，以满足相关国军标［14-15］为前提，旨在提升字符发生器的数据处理能力和符号书写性能。该设计采用带核处理器和IO处理器的DSP作为主处理器，将数据处理和符号书写管理并行，矢量发生器可以全周期进行书写;利用DSP的握手DMA通道，矢量发生器由从处理器被动接收矢量指令改为主动申请矢量指令，使笔划之间书写连续无停顿，提高字符发生器的平均书写速度和笔划书写均匀性。

1 组成及工作原理

字符发生器由数字信号处理器(DSP)及外围电路、矢量发生器、A/D转换电路组成，产生笔划式字符画面供后级显示器显示。组成框图如图1所示。

图1 字符发生器组成框图Fig.1 Composition of a charalter generator

1.1 DSP及外围电路

DSP选用AD公司的ADSP21160，为双处理器、双总线结构。内含核处理器和I/O处理器;核工作时钟100 MHz，两个独立32位浮点运算单元，每个都带乘法器、累加器、移位器和16个数据寄存器组;片内含4 MB双端口存储器，数据总线宽度64位，地址总线宽度32位;支持单指令多数据流模式(SIMD);全部指令为单周期指令;支持14通道DMA，6个Link口通讯。

DSP可通过Link口或双端口存储器获取显示文件和指令，由核处理器进行相应计算处理，生成矢量发生器能识别的一组笔划矢量指令，存入指定缓冲区。DSP内存开辟两个缓冲区，用于存储处理好的笔划矢量指令。I/O处理器根据矢量发生器发出的DMA请求从某一缓冲区输出笔划矢量指令。笔划矢量指令的输出与矢量发生器发出的DMA请求信号有关，与计算无关。计算期间可以同时响应矢量发生器的请求，及时向矢量发生器输出矢量指令，对矢量发生器的矢量指令输出不会长时间占用DSP外总线，影响计算数据的存取，使计算和矢量指令输出同时进行，互不影响。

1.2 矢量发生器

一个符号及完整的画面均是由若干笔划矢量构成，矢量发生器就是产生这些笔划矢量的单元。矢量发生器根据笔划矢量指令，按一定的书写时钟连续输出一个笔划矢量的X、Y坐标数据及亮暗信息。矢量发生器由FPGA实现。

本文采用间接式的笔划矢量构成形式，即将字符矢量用长边位移量和tan α表示。基本笔划矢量的构成如图2所示。

图2 基本笔划矢量构成Fig.2 Constitution of basic stroke vector

如矢量AB，其矢量指令表示为长边位移量和tan α，其中，在X和Y两个方向上位移量较大者为长边，矢量与长边的夹角为α，α≤45°。

一笔矢量书写时，其长边按书写时钟每周期步进一，直到走完长边位移量。而短边位移量的步进时钟频率由12位的二进制比率乘法器计算，乘法器输入12位二进制比率系数 L、K、J、I、H、G、F、E、D、C、B、A，其输出频率为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位二进制比率系数的计算方法为tan α×4095，fin为长边书写时钟频率。乘法器的输出脉冲fout即为短边的书写时钟频率。

矢量发生器由以下工作单元组成:指令管理单元，指令译码单元，延时单元，显示忙处理单元，时序控制单元，长边计数单元，二进制系数乘法器，X、Y坐标计数单元，X、Y坐标输出单元，辉亮控制单元，窗口控制单元，闭塞区控制单元。组成框图如图3所示。

图3 矢量发生器组成框图Fig.3 Block diagram of vector generator

矢量发生器输入信号为字符时钟，显示忙信号，笔划矢量指令;输出信号为DMA请求信号，X、Y坐标数据(各12位)，辉亮信号。

由于矢量发生器由DSP的IO处理器管理，且矢量指令的获取是由矢量发生器主动申请，而非从处理器被动接收，因此，矢量发生器的工作相对独立。矢量发生器可自行调整笔划书写速度，也可利用DMA请求信号的快慢来随意调节笔划之间的停顿时间，而不受处理器工作速度及软件结构的影响。采用适当的书写点时钟频率和笔划间的等待时间，配合后级电路可达到最佳的显示效果。

1.3 D/A 转换

D/A转换电路将笔划矢量的X、Y坐标数据进行D/A转换，产生X、Y模拟偏转电压，配合辉亮信息，驱动后级电路，在显示器上完成画面的显示。

2 工作流程

核处理器周期性地处理显示文件，形成一幅完整显示画面的矢量指令组，放入DSP内部缓存，交由IO处理器管理，核处理器随即可处理下一周期的数据;IO处理器启动握手式DMA，等待DMA请求信号，并向矢量发生器发出书写启动标志SFLAG0(SFLAG0置“1”)。

矢量发生器中的矢量指令管理单元收到书写启动标志后，发出第一个指令接收请求信号(DMA请求)，IO处理器随即将DSP内部缓存中的第一条矢量指令从数据总线发出;矢量指令管理单元将指令写入第一级缓存，延时后写入第二级缓存，矢量发生器中的笔划生成逻辑开始进行指令译码并执行，如图1所示。

笔划生成逻辑进行指令译码的同时，矢量指令管理单元发出下一个指令接收请求，并将新指令存入第一级缓存;当前矢量指令执行结束时，将第一级缓存中的指令写入第二级缓存，开始新的译码和执行，并再发出指令接收请求;矢量发生器周而复始地申请、接收、译码、执行，当执行画面结束指令时，不再发出指令接收请求信号，一幅完整的画面书写完成，等待下一周期的书写。

3 矢量指令管理单元时序设计

指令管理单元内含两级缓存，如图4所示。

图4 指令管理单元的两级缓存Fig.4 Two-level cache of instruct managemcnt unit

矢量发生器在DSP的SFLAG0置“1”后，开始一个显示周期的工作，直到一幅画面书写完毕。SFLAG0置“1”，矢量指令管理单元向DSP发出第一个DMA请求信号，DSP随即向矢量发生器输出矢量指令。图5是矢量指令管理单元的工作时序图。

图5 指令管理单元工作时序图Fig.5 Timing sequence of instruct management unit

SCLKOUT是DSP输出的40 MHz外部时钟，也是本单元的工作时钟，SRESETI是字符发生器的全局复位信号。dmaq1、dmaq2、dmar_1为定义的中间信号(signal)。SFLAG0置“1”后，dmaq1和 dmaq2分别由SFLAG0延时一个和三个时钟得到，dmar_1由dmaq1和dmaq2异或得到，作为第一个DMA请求信号。DMA请求信号 sdmar1由 dmar_1与译码脉冲 wrdecode(wrdecode由矢量发生器对矢量指令译码得到)合成得到，即sdmar1的第一个脉冲为 dmar_1，后续脉冲由wrdecode展宽得到，以便DSP能及时送出下一条指令。

DSP收到DMA请求信号后，向矢量发生器发出第一条指令。Wrvector是第一级缓存写入信号，由DSP写信号合成矢量发生器地址产生。Wrvector的上升沿将矢量指令写入第一级缓存，得到vectororder1。Beginflag是一个标志，低电平时，第二级缓存写入脉冲wrvector_2由wrvector延时两个时钟得到(即wrvector2);高电平时，wrvector_2在上一条指令执行结束时产生。即只有第一个wrvector_2由wrvector延时得到，后续的wrvector_2均在上一条指令执行结束时产生，wrvector_2的上升沿将vectororder1写入第二级缓存，得到vectororder2。这样在一条指令执行结束时，将第一级缓存中的指令写入第二级缓存，随即送笔划生成逻辑进行译码，并送出DMA请求信号。当执行画面结束指令0x0时，不再产生wrvector_2。

笔划生成逻辑对vectororder2进行指令译码并执行，直至碰上画面结束指令0x0，结束一个显示周期，等待下一周期的书写。

4 结论

本文所述字符发生器基于DSP和FPGA设计，是高集成度、小型化设计。利用DSP强大的数据处理能力和其内部IO处理器的并行处理功能，加之矢量管理单元的协调设计，达到了提高字符发生器数据处理能力和笔划书写性能的目的。由于笔划间无停顿，在不改变书写时钟的前提下，每周期画面书写时间较之先前的字符发生器缩短约1/3;也正是由于笔划间可以连续无停顿，使字符书写流畅，亮度均匀，显示画面更加美观。

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［6］GROTHE S P.Variable refresh rate for stroke CRT displays:United States Patent,US4511892［P］.1985-04-16.

［7］BROWN R R.Digital stroke display with vector,circle and character generation capability:United StatesPatent,US4115863［P］.1978-09-19.

［8］GROTHE S P,NARVESON P L.Dynamic stroke priority generator forhybrid display:United StatesPatent,US4635050［P］.1987-06-06.

［9］STAUFFER F K,SMITH P R.Constant writing rate digital stroke character generator having minimal data storage requirements:United States Patent,US3952297［P］.1976-04-20.

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［12］彭克勤，蔡保胜.ALTERA EPLD在火控显示系统字符发生器中的应用［J］.电光与控制，1995，2(2):16-22.

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［14］GJB 189A-2003，飞机平视显示/武器瞄准系统通用规范［S］.北京:中航一集团，2003.

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