創(chuàng)建新的小型嵌入式顯示器的嵌入式開(kāi)發(fā)人員在圖形處理單元 （GPU） 之外還可以考慮另一種選擇。基于 Sprite 的芯片已在汽車應(yīng)用中占據(jù)一席之地。這些顯示控制器以類似于幻燈片放映的方式提供圖形圖像的無(wú)渲染操作。為了幫助尋求解決這一設(shè)計(jì)困境的工程師，Altia 提供了一套指南，可以幫助他們?cè)谶@兩個(gè)選項(xiàng)之間做出明智的決定。

重要的是要澄清 Altia 沒(méi)有義務(wù)或議程來(lái)支持這兩種機(jī)制。該公司與任何半導(dǎo)體公司或技術(shù)無(wú)關(guān)，其工具也不受限于一種操作系統(tǒng)。這些工具在每種解決方案中都得到了驗(yàn)證，因?yàn)楣菊趯?Altia 生成的圖形代碼用于基于 sprite 的芯片和 GPU 上的生產(chǎn)。因此，本次討論的目的是幫助設(shè)計(jì)人員在他們的產(chǎn)品中運(yùn)行最佳人機(jī)界面 （HMI），并為其應(yīng)用程序提供最佳機(jī)制。

讓我們從一張圖表開(kāi)始——圖 1 中精靈與 GPU 的圖形對(duì)比——并進(jìn)一步探索細(xì)節(jié)。

圖 1：在為小型嵌入式顯示器制定硬件決策時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮整個(gè)系統(tǒng)的特性——屏幕分辨率、圖形復(fù)雜性、字體靈活性和顏色深度——以及 BOM 成本和規(guī)范穩(wěn)定性等項(xiàng)目限制。

Sprites：更簡(jiǎn)單，但需要規(guī)劃

sprite 選項(xiàng)適用于低端顯示產(chǎn)品，并迅速成為 GPU 的替代品。那么基于 sprite 的顯示控制器何時(shí)能成功適配 HMI？

當(dāng) HMI 由明確指定的靜態(tài)圖像組成時(shí)，Sprite 是一個(gè)很好的解決方案。規(guī)范應(yīng)提前定義，以便設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)開(kāi)始之前了解在 HMI 中以圖形方式實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。視覺(jué)和文本信息的 Z 排序不應(yīng)該有很大的復(fù)雜性。Sprite 芯片在分辨率較低的顯示器上表現(xiàn)最佳。這些顯示控制器不能方便地處理文本，通常會(huì)施加限制，例如每個(gè)精靈一個(gè)字符或每個(gè)精靈一個(gè)單一顏色的文本。如果設(shè)計(jì)使用受限的物料清單 （BOM），那么 sprite 芯片是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。它們并不總是需要額外的支持芯片，如外部 RAM 或閃存，并且可以在最少使用內(nèi)部資源的情況下運(yùn)行。

這種新的硬件選項(xiàng)并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。在這一點(diǎn)上，精靈芯片不能輕易地支持高分辨率顯示器或低分辨率顯示器上的高色深。隨著精靈功能集成到顯示控制器單元 （DCU） 中，內(nèi)存帶寬成為精靈芯片的限制因素。每次一幀輸出到顯示器時(shí)，DCU 都會(huì)不斷地訪問(wèn)所有可見(jiàn)精靈的圖形內(nèi)存。必須注意確保 HMI 不會(huì)因重疊過(guò)多圖形對(duì)象而違反帶寬限制，否則會(huì)出現(xiàn)顯示故障。

復(fù)雜的層次

目前，如果在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)對(duì) HMI 設(shè)計(jì)不夠了解，那么 sprite 芯片是一個(gè)冒險(xiǎn)的選擇。這是因?yàn)橐坏┰谛酒蠈?shí)現(xiàn) HMI 圖形設(shè)計(jì)，就需要改變其相關(guān)的高成本。基于 Sprite 的芯片使用層的概念來(lái)表示單個(gè)圖像（或 sprite）。在 HMI 中構(gòu)建任何屏幕都需要將所有圖像和文本放入這些層中，并按照設(shè)計(jì)者希望它們出現(xiàn)在顯示器上的方式定位這些層。圖形的 Z 順序由圖層的 Z 順序決定。這是特定于設(shè)備的，通常在分配層后無(wú)法更改。因此，第 1 層將始終出現(xiàn)在第 2 層之上，依此類推。這僅在兩層相交時(shí)才重要。交點(diǎn)由 （x，

使圖層內(nèi)容的布局和組織按需要顯示需要深思熟慮。在層數(shù)有限的零件上，可以想象定義層內(nèi)容和排序以使圖像以某種方式出現(xiàn)的復(fù)雜性。圖層排列的后期更改可能會(huì)對(duì)所有圖層的內(nèi)容產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至是不相關(guān)屏幕上的圖層。因此，精靈芯片的成功需要前期設(shè)計(jì)。圖片和文字必須經(jīng)過(guò)精心策劃和安排。如果 HMI 設(shè)計(jì)需要靈活性，那么返工時(shí)間和成本就會(huì)變得昂貴。

應(yīng)該注意的是，盡管 sprite 芯片是無(wú)渲染的，但可能需要一些渲染才能在芯片施加的約束內(nèi)工作。一個(gè)例子是精靈芯片允許的精靈（層）的數(shù)量。當(dāng)顯示每個(gè)文本字符占用單個(gè)精靈的文本時(shí)，總精靈計(jì)數(shù)較低的芯片將受到限制。這樣的芯片需要將單個(gè)文本字符組合或渲染到單個(gè)內(nèi)存塊中，該內(nèi)存塊可以顯示為單個(gè)精靈。如果設(shè)備允許，渲染操作可以使用硬件資源（如 DMA 引擎）來(lái)完成。

GPU：靈活且強(qiáng)大，但更復(fù)雜

sprite 芯片的替代方案是 GPU，這是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案，在生產(chǎn)中運(yùn)行了廣泛的樣本。這種成熟且得到良好支持的技術(shù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中提供了巨大的靈活性。

GPU 具有重要的優(yōu)勢(shì)，使其成為特定應(yīng)用程序的明顯選擇。與 sprite 芯片不同，內(nèi)存帶寬限制不會(huì)導(dǎo)致顯示失敗，因?yàn)?GPU 與 DCU 是分開(kāi)的。與精靈芯片相比，這允許更高的顯示分辨率和顏色深度。關(guān)于圖層組合和混合的限制很少。設(shè)計(jì)師可以更加靈活地處理文本，并可以在 GPU 上渲染更復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)。當(dāng) HMI 規(guī)范不穩(wěn)定時(shí)，這是一個(gè)很好的解決方案。GPU 的層數(shù)更少，從而降低了構(gòu)建 HMI 時(shí)的復(fù)雜性。

更多關(guān)于引擎的資源

GPU 需要 BOM 具有一定的靈活性，因?yàn)檫@種解決方案顯然比 sprite 更昂貴，尤其是考慮到它可能需要額外的外部 RAM 和閃存時(shí)。GPU 通常與系統(tǒng)級(jí)芯片 （SoC） 耦合，其主機(jī)處理器比通常使用基于 sprite 的顯示解決方案更強(qiáng)大。When opting for a separate GPU and host processor， increased complexity is introduced in the board layout.

GPU 提出了一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)。首先，總成本是一個(gè)明確的考慮因素，尤其是在計(jì)算多個(gè)芯片、電路板空間和 PCB 布局復(fù)雜性時(shí)。由于 GPU 可以通過(guò)更大的文本和字體控制圖像支持更深的顏色深度，因此內(nèi)存消耗有爆炸式增長(zhǎng)的趨勢(shì)。一旦圖像內(nèi)存量變得太大，圖像壓縮就開(kāi)始成為一種約束。設(shè)計(jì)人員需要處理圖像壓縮、解壓縮以及相關(guān)的成本和性能問(wèn)題，這意味著更多的復(fù)雜性和權(quán)衡。最后，GPU 編程的可變性仍然是一個(gè)問(wèn)題。

盡管討論了“開(kāi)放”——OpenGL 和 OpenVG——標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)行業(yè)中的實(shí)施方式并不相同。驅(qū)動(dòng)因素差異很大，不同的半導(dǎo)體公司優(yōu)化方式也不同。因此，為特定平臺(tái)獲得優(yōu)化的性能仍然需要一些定制。

建模和生成代碼得到回報(bào)

考慮到底層圖形引擎和手頭編程任務(wù)的權(quán)衡，問(wèn)題仍然存在：設(shè)計(jì)師如何獲得成功的 HMI 設(shè)計(jì)？基于模型的開(kāi)發(fā)是通往最高效和最有效的 HMI 的途徑。

基于模型的開(kāi)發(fā)在哪些方面影響了日常工程工作？傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括花費(fèi)時(shí)間定義自然語(yǔ)言需求，然后是痛苦且昂貴的手動(dòng)翻譯步驟，以根據(jù)這種自然語(yǔ)言需求創(chuàng)建軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。當(dāng)引入基于模型的工程環(huán)境時(shí)，需求過(guò)程會(huì)更加高效，因?yàn)閯?chuàng)建了復(fù)雜 HMI 行為的可執(zhí)行模型。圖 2 顯示了基于模型的環(huán)境的概述。

圖 2：通過(guò)基于模型的開(kāi)發(fā)流程，團(tuán)隊(duì)可以圍繞所需系統(tǒng)的詳細(xì)表示進(jìn)行更有效的協(xié)作，并且其所有預(yù)期行為都完好無(wú)損。

可以表示 HMI 行為的模型不僅可以比編寫(xiě)自然語(yǔ)言文檔更快地完成，而且還可以描述幾乎不可能在基于文本的文檔中有效定義的圖形行為。這些可執(zhí)行規(guī)范可以作為需求模型作為基線，然后作為初始軟件設(shè)計(jì)，然后針對(duì)嵌入式目標(biāo)性能和限制進(jìn)行改進(jìn)。然后，使用 Altia DeepScreen 等產(chǎn)品，可以從這個(gè)完善的可執(zhí)行模型中自動(dòng)生成嵌入式實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求細(xì)化構(gòu)建的模型，然后為其自動(dòng)生成可嵌入代碼，從而大大減少了開(kāi)發(fā)工作量。

基于模型的開(kāi)發(fā)，尤其是與圖形代碼生成器配合使用時(shí)，可以靈活地創(chuàng)建一次圖形模型，然后為多個(gè)圖形平臺(tái)生成代碼。這使設(shè)計(jì)人員可以在各種平臺(tái)上試用它，直到找到適合應(yīng)用程序的產(chǎn)品。在選擇硬件時(shí)，無(wú)論是精靈還是 GPU，基于模型的開(kāi)發(fā)為實(shí)現(xiàn)硬件和 HMI 的成功組合提供了可靠的方法。

作者：Peter Abowd ，Jim Mikola

審核編輯：郭婷