如今只是傳送純文本是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 要在一個(gè)充滿極度感官刺激的世界中吸引我們并讓我們保持注意力，任何數(shù)據(jù)都必須按照我們的審美觀去呈現(xiàn)。 因此，即便是基本的信息也必須以生動(dòng)的色彩去展示，還要配上復(fù)雜的漸變、動(dòng)畫和視頻。

然而，高清晰度、深色板、實(shí)時(shí)動(dòng)畫和視頻都需要有個(gè)處理器才能構(gòu)建、渲染和顯示。 我們希望看到的是簡(jiǎn)潔、明亮和自然的頁(yè)面。 但是，隨著顯示器分辨率提高，每頁(yè)的內(nèi)容、后臺(tái)處理和數(shù)據(jù)移動(dòng)的量也將提升，為渲染這些變化和內(nèi)容，占用的處理器資源，特別是對(duì)時(shí)間和存儲(chǔ)器空間的需求也越來(lái)越多。

本文將討論具有足夠動(dòng)力、資源和架構(gòu)優(yōu)化能力，能夠支持高端圖形處理的高端處理器。 這些處理器一般均采用 32 位或更寬的內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑，并使用高速時(shí)鐘。 內(nèi)部高速緩存 RAM 以及交叉存取的 DMA 也同樣的重要。

需求和選擇

我們中的大多數(shù)人都不會(huì)那么幸運(yùn)，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠被成千上萬(wàn)地去生產(chǎn)。 因此，ASIC 在成本、時(shí)間或風(fēng)險(xiǎn)方面通常都不是有效的選擇，我們只能選擇可以在處理圖形的同時(shí)仍可執(zhí)行其它系統(tǒng)功能的高成本 FPGA。

現(xiàn)在視頻成為了一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)。 數(shù)據(jù)格式化、子畫面裁決、圖層疊置以及畫面滾動(dòng)、色彩混合等等，均涉及密集的處理和數(shù)據(jù)路徑任務(wù)。 三維 （3D） 渲染與漸變?cè)黾恿肆硪粋€(gè)層面的功能預(yù)期，這將耗盡處理器的資源和時(shí)間。

盡管有些高性能處理器可以編程為專用的圖形外設(shè)處理器，但一般仍可以處理許多其它任務(wù)。 而且，高端外設(shè)可能還包含預(yù)定的電容觸摸接口，以及立體聲、以太網(wǎng)和其它通信協(xié)議，以便使對(duì)應(yīng)用處理器的中斷次數(shù)降到最少。 這幾乎有點(diǎn)像是有一個(gè)另外的內(nèi)核。 高性能 DMA 和外部總線接口邏輯如很多通用輸入/輸出一樣是普遍存在的。

典型的平板電腦的 TFT 顯示屏一般可以有 1024 x 600 到 2560 x 1600 的像素。 如此寬的范圍對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重制約，尤其是對(duì)所需的存儲(chǔ)器資源量（表 1）。 象 Samsung Galaxy、Amazon Kindle 和 Toshiba 平板電腦中所使用的 24 位全彩 2560 x 1600 顯示屏，單個(gè)頁(yè)面即消耗 12 M 的 RAM。

表 1： 一般平板電腦顯示屏的單頁(yè)信息存儲(chǔ)器消耗對(duì)比。

既使有 32 位寬的數(shù)據(jù)總線，但一次完整的每秒 30 幀的視頻流重繪仍發(fā)生 368，640，000 單周期 24 位存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳送。 即 2.7 ns 傳送一次 ，這對(duì)于一次數(shù)據(jù)渲染和移動(dòng)處理來(lái)說(shuō)要求太高。 即使您未執(zhí)行象 MPEG 這樣壓縮視頻格式的實(shí)時(shí)解碼，渲染也是不象您所想像的那樣簡(jiǎn)單。

另一個(gè)因素是內(nèi)部高速緩存 RAM 和外部總線接口速度。 在高時(shí)鐘速度下，外部總線 RAM 總是處于等待狀態(tài)，將使處理器負(fù)荷嚴(yán)重不足，從而造成性能下降。 好的 SDRAM 接口對(duì)于處理器處部總線接口來(lái)說(shuō)，意味著頁(yè)面可以在后臺(tái)刷新，讓處理器集中整個(gè)內(nèi)核進(jìn)行渲染處理。

高性能處理器可以專用于圖形控制，特別是在它可以快速移進(jìn)和移出數(shù)據(jù)時(shí)。 在 Freescale MPC8245LVV333D 中可以找到一個(gè)實(shí)現(xiàn)得較好的高速 SDRAM 接口實(shí)例，該器件位于該公司的 Power PC MPC603e 內(nèi)核的中心，是 MPC82xx 系列的一部分。 這款 32 位、352 引腳處理器時(shí)鐘速度為 333 MHz，某些系列速度可能更快。 該處理器提供 2、1.8 和 1.5 V 版本，有助于減少這款有著四百五十萬(wàn)個(gè)晶體管的器件的功耗。

MPC8245 采用 Power PC 架構(gòu)和 PCI 橋接器，因此設(shè)計(jì)師可以使用為 PCI 和其它標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)的外設(shè)快速進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 其內(nèi)核可以工作在各種不同的頻率下，讓設(shè)計(jì)師靈活權(quán)衡性能與功耗。 SDRAM 同步與驅(qū)動(dòng)均由外設(shè)控制單元進(jìn)行獨(dú)立處理，同時(shí)交叉將 DMA 功能釋放給外部總線接口邏輯，讓顯示屏自主實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送，從而釋放出處理器資源進(jìn)行后臺(tái)渲染（圖 1）。

圖 1： 配有先進(jìn)的高速外部存儲(chǔ)器接口的流水化處理器塊就是一個(gè)好的專用圖形處理器，可以充當(dāng)高端半自主外設(shè)。 這可以滿足某些應(yīng)用的全部需要。

注意 SDRAM 接口支持多達(dá) 2 G 的 SDRAM。 高帶寬總線可以使用 32 或 64 位傳送周期。 集成 DMA 控制器允許離散收集操作，支持自動(dòng)連接 DMA 緩沖的 DMA 鏈接。 這樣就又減少了主微處理器的一項(xiàng)任務(wù)。

Texas Instruments 是一家資深開發(fā)商和數(shù)字成像和圖開領(lǐng)域的行業(yè)先鋒企業(yè)，擁有 OMAP35x 這樣的旗艦級(jí)處理器及相關(guān)工具。 OMAP 平臺(tái)集合了強(qiáng)大的 600 MHz 超級(jí) ARM? Cortex?-A8 內(nèi)核，集成四個(gè) OMAP 應(yīng)用處理器。

特別要說(shuō)明的是 OMAP3530，據(jù)稱擁有一流的視頻、圖像和圖形處理能力，為流視頻、2D/3D 手機(jī)游戲和視頻捕捉提供直接支持。 OMAP3530 包含一個(gè)圖形加速器和專用的視頻輸入和視頻輸出端口。

尤其值得注意的是 64 通道 DMA 支持以及低功耗 DDR 接口。 與其它處理器一樣，RAM 占去了大部分的芯片區(qū)域，在這種情況下，64K 通用 RAM 一般一次會(huì)占用一條或兩條掃描線。 同樣有幫助的是，提供多達(dá) 256K 的片載二級(jí)緩沖 RAM，這樣可以保留模板和某些后臺(tái)圖形信息。 另外，我們可以注意到有另一個(gè) 96 K 的 RAM 用于 DSP 渲染和使用。 3530 中也包括了一個(gè)基于硬件的圖形加速器。

TI 和第三方開發(fā)工具制造商均支持這些部件。 Circuitco Electronic 提供的 BeagleBoard 就支持 OMAP3530，并展示了到 SDRAM、S-Video 和 DVI-D 接口以及所有 LCD 接口信號(hào)的連接（圖 2）。 Digi-Key 在線提供 BeagleBoard 產(chǎn)品培訓(xùn)模塊以及視頻，說(shuō)明如何使用運(yùn)行 Linux 的 BeagleBoards 來(lái)驅(qū)動(dòng)微型投影儀。BeagleBoard 可能就是一個(gè)您很感興趣的視頻接口。

圖 2： BeagleBoard 采用 OMAP 處理器架構(gòu)并可用作強(qiáng)大的測(cè)試和開發(fā)平臺(tái)，對(duì)嵌入式 Linux 設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)尤其有用。 它非常適合用于顯示器驅(qū)動(dòng)和微型投影儀。

邏輯 PD 使得 SOMOMAP3530-11-1782JFIR 成為一個(gè)支持 OMAP3530 的開發(fā)和評(píng)估平臺(tái)，并集合了 ARM Cortex-M8 處理器和一個(gè) TMS320C64x DSP 處理器。 盡管該器件主要是針對(duì)信號(hào)處理開發(fā)而設(shè)計(jì)，但也可是一個(gè)可使用的平臺(tái)開發(fā)工具。

多核替代

多核處理器芯片可以是多處理器板的最好的替代手段。 盡管在分享同一存儲(chǔ)器和外設(shè)總線時(shí)可能有些帶寬限制，但是如果任務(wù)能夠以分段方式有效執(zhí)行，多核處理器仍具有其突出之處。

Freescale 就擁有一款有名的支持多核技術(shù)的芯片，即其功能強(qiáng)大的基于 ARM 8 到 ARM 11 的 i.MX 6 系列處理器，支持多達(dá)四個(gè) 1.2 GHz 的四核器件，帶有 64 位 DDR 3 和兩個(gè) 32 位 DDR 2 接口。

Freescale i.MX6sololite 器件適用于 2D 和 3D 圖形芯片 MCIMX6L3DVN10AA，是一個(gè) 432 引腳的無(wú) ROM 處理器，采用單一的 1 GHz 內(nèi)核。 值得注意的是其 256 K 的 RAM 和運(yùn)行電壓低至 0.95 V 的電源。

這些器件靈活性高，可提供多媒體和圖形處理功能。 有專用的硬件圖形加速器塊執(zhí)行矢量、2D 和 3D 圖形處理，從而將處理器從這些數(shù)據(jù)密集型工作中解放出來(lái)。 另一個(gè)用于圖像處理的專用塊可用來(lái)處理增加、倒置、旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)、重新調(diào)整大小和混合操作等功能。 此外，還有一個(gè)專用硬件塊連接相機(jī)和顯示屏（圖 3）。

圖 3： 當(dāng)細(xì)分的專用硬件塊能夠利用高速總線和深存儲(chǔ)池時(shí)，就可能實(shí)現(xiàn)最佳性能。 這可以通過(guò)更多集成外設(shè)以低成本的方式提供類似 ASIC 級(jí)的性能。

Freescale 較大款 624 引腳 MCIMX6S5DVM10AB 也是一種無(wú) ROM 設(shè)計(jì)，帶有專用圖形硬件和 ARM Cortex-A9。 雙通道和四核處于食物鏈較高端，并消化掉只是單內(nèi)核無(wú)法實(shí)時(shí)處理的功能。 例如 i.MX6 系列也包括四核 1.2 GHz 器件，如 MCIMX6Q5EYM10AC。 這些器件也具有雙 2D 圖形引擎，并通過(guò)四個(gè)附加著色器提供 3D 支持。

總而言之，盡管 ASIC 可能是提供復(fù)雜圖形和視頻處理的有效解決方案，但是大多數(shù)設(shè)計(jì)師可能付不起成本或花得起時(shí)間來(lái)使用。 幸運(yùn)的是，如本文所述，有各種各樣好的高端處理器能夠提供流暢的視頻處理和完成此類工作的功能。