韓旭東，吳全興

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110000）

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)對(duì)顯卡的要求越來(lái)越高，一款高端GPU是衡量顯卡性能的最重要指標(biāo)。在早期沒有GPU的年代，所有圖形的處理都由CPU完成，但隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，CPU越來(lái)越顯得力不從心，GPU在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。在單片機(jī)領(lǐng)域也有著與之相似的情況，嵌入式系統(tǒng)的圖形顯示雖然沒有計(jì)算機(jī)那樣復(fù)雜，但顯示屏的分辨率和色彩同樣越來(lái)越豐富。為了在不增加CPU負(fù)擔(dān)的情況下滿足圖形顯示需求，在此設(shè)計(jì)一款基于DMA（Direct Memory Access）架構(gòu)的圖像加速器。在功能上，該設(shè)計(jì)相當(dāng)于一款類似GPU的外設(shè)，可以獨(dú)立處理二維復(fù)雜圖形，能夠?qū)崿F(xiàn)包括單色快速填充、圖像復(fù)制、顏色格式轉(zhuǎn)化后復(fù)制及前后兩張圖片混合等功能。

2 加速器系統(tǒng)構(gòu)成

所設(shè)計(jì)圖像加速器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

其中，前景層/背景層緩存是一個(gè)32bit×64的FIFO，用于高速讀取源數(shù)據(jù)時(shí)的緩存。前/背景層格式轉(zhuǎn)換控制器負(fù)責(zé)處理前/背景層緩存輸出的顏色和透明度。透明度可以采用源數(shù)據(jù)的，可以采用前/背景層內(nèi)置的，也可以采用源數(shù)據(jù)的透明度與前/背景層內(nèi)置的透明度的乘積再除以255；顏色可以是源數(shù)據(jù)自帶的，可以是前/背景層格式轉(zhuǎn)換控制器內(nèi)部指定的，也可以是查找表中檢索出的顏色。

圖1 基于DMA的圖像加速器系統(tǒng)構(gòu)成

將透明度和顏色依現(xiàn)有方法處理為ARGB8888格式的數(shù)據(jù)，再輸出給后續(xù)模塊處理。

前/背景層查找表是一個(gè)32bit×256的RAM，用于預(yù)存指定數(shù)量的顏色值。當(dāng)使用間接顏色模式（L4、L8、AL44、AL88）時(shí)，依據(jù)源數(shù)據(jù)的索引值（L部分的值），檢索出查找表中對(duì)應(yīng)的顏色（ARGB888或RGB88顏色格式）并輸出給前/背景層格式轉(zhuǎn)換控制器，再由前/背景層格式轉(zhuǎn)換控制器將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的ARGB8888格式數(shù)據(jù)。

混合控制器用于將前景層格式轉(zhuǎn)換控制器和背景層格式轉(zhuǎn)換控制器輸出的ARGB8888格式的數(shù)據(jù)，按照各自的透明度，加權(quán)運(yùn)算得出混合后的新的ARGB8888格式的數(shù)據(jù)，并輸出給輸出格式轉(zhuǎn)換控制器。

輸出格式轉(zhuǎn)換控制器用于將ARGB8888格式的數(shù)據(jù)，依據(jù)現(xiàn)有的處理方法，轉(zhuǎn)化成實(shí)際用于顯示的直接顏色模式（ARGB8888、RGB888、RGB565、ARGB1555和ARGB4444）。

輸出緩存是一個(gè)32bit×64的FIFO，用于緩存要輸出到目標(biāo)區(qū)域的像素?cái)?shù)據(jù)。

3 圖像DMA工作機(jī)理

圖像DMA的顏色有三種工作模式，即：直接顏色模式（ARGB8888、RGB888、RGB565、ARGB1555、ARGB4444）；間接顏色模式（L4、L8、AL44、AL88）；透明度模式（A4、A8）。其中，A代表透明度，R代表紅色，G代表綠色，B代表藍(lán)色，L代表亮度并用于檢索查找表CLUT?；诖耍驹O(shè)計(jì)圖像加速器可工作在四種模式下，即：?jiǎn)紊焖偬畛洹D像復(fù)制、顏色格式轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化前后兩張圖片混合。

在第一種工作模式下，使用內(nèi)置寄存器指定的單一顏色，依據(jù)輸出格式轉(zhuǎn)換控制器中指定的格式，直接向目標(biāo)矩形區(qū)域?qū)憯?shù)據(jù)，常用于清屏操作。

第二種工作模式用于實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)制功能，圖像DMA將源區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)讀取到前景層緩沖區(qū)，之后直接寫到目標(biāo)區(qū)域，在這過(guò)程中圖像數(shù)據(jù)的顏色格式?jīng)]有改變。

第三種工作模式實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)化功能，通過(guò)前景層格式轉(zhuǎn)換控制器將源圖片轉(zhuǎn)為統(tǒng)一的ARGB8888的顏色格式。對(duì)于RGB565、ARGB4444和ARGB1555顏色模式，需要做線性擴(kuò)展，過(guò)程如下述代碼[1-4]：

對(duì)于ARGB8888和RGB888模式則無(wú)需上述操作。對(duì)于間接顏色模式，通過(guò)L部分的索引值，找到查找表中對(duì)應(yīng)的像素值（ARGB8888或RGB888格式）；如果是A4、A8兩種顏色模式，則直接結(jié)合前景層指定的顏色，通過(guò)前景層格式轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)化成ARGB8888模式。在此過(guò)程中，前景層格式轉(zhuǎn)換控制器最終輸出的像素的透明度，可以保持上述原始計(jì)算/查找出的值，也可以替換成指定的透明度，或替換成原始值與指定值的乘積再除以255。經(jīng)過(guò)輸出轉(zhuǎn)換控制器將ARGB8888的顏色格式轉(zhuǎn)換成指定顏色格式保存到輸出緩存，最終輸出到目標(biāo)區(qū)域。

第四種工作模式為格式轉(zhuǎn)化后再混合。格式轉(zhuǎn)化部分與第三種工作模式相同，先將前景層源圖片和背景層源圖片分別通過(guò)前景層格式轉(zhuǎn)換控制器和背景層格式轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的ARGB8888顏色格式，混合器再根據(jù)兩個(gè)圖片各自的透明度加權(quán)運(yùn)算得出新的圖片，經(jīng)過(guò)輸出轉(zhuǎn)換控制器將其轉(zhuǎn)換成指定的顏色格式，保存到輸出緩存中，最后輸出到目標(biāo)區(qū)域?；旌蠒r(shí)需要根據(jù)前景層和背景層的顏色格式（直接顏色模式，間接顏色模式），將前景層和背景層格式轉(zhuǎn)換控制器輸出的每一個(gè)像素一一對(duì)應(yīng)，完成混合。

4 功能仿真與FPGA驗(yàn)證

邏輯設(shè)計(jì)完成后，將其整合到一款MCU中，搭建仿真驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)證[5]以及FPGA[6-8]驗(yàn)證。四種工作模式的仿真結(jié)果如下：

(1)第一種工作模式

對(duì)單色快速填充功能進(jìn)行模擬仿真，即將寄存器DMA2D_OCOLR指定的某一顏色輸出到目標(biāo)矩形區(qū)域（狀態(tài)機(jī)的0x10狀態(tài)），仿真結(jié)果波形如圖2所示。

圖2 第一工作模式仿真波形

(2)第二種工作模式

仿真簡(jiǎn)單復(fù)制圖片功能，通過(guò)前景層緩存讀取源圖像（狀態(tài)機(jī)的0xc狀態(tài)），再將輸出（FG_FIFO_o）寫入目標(biāo)區(qū)域（狀態(tài)機(jī)的0x15狀態(tài)），仿真結(jié)果波形如圖3所示。

圖3 第二工作模式仿真波形

(3)第三種工作模式

仿真顏色格式轉(zhuǎn)化后復(fù)制的情形，通過(guò)前景層緩存讀取源圖像（狀態(tài)機(jī)的0xc狀態(tài)），再將其輸出（FG_FIFO_o）輸入到前景層格式轉(zhuǎn)換控制器（狀態(tài)機(jī)的0x13狀態(tài)），格式轉(zhuǎn)換后的輸出（FG_PFC_o，顏色格式為ARGB8888）輸入到輸出格式轉(zhuǎn)換控制器（狀態(tài)機(jī)的0x13狀態(tài)），再將輸出格式轉(zhuǎn)換控制器的輸出（Converter_Out）寫入輸出緩存（狀態(tài)機(jī)的0x13狀態(tài)），最后寫入目標(biāo)矩形區(qū)域（狀態(tài)機(jī)的0x10狀態(tài)，輸出顏色格式為ARGB8888、RGB888、RGB565、ARGB1555或ARGB4444），仿真波形如圖4所示。

圖4 第三工作模式仿真波形

(4)第四種工作模式

仿真顏色格式轉(zhuǎn)化前后兩張圖片的混合，通過(guò)前/背景層緩存讀取源圖像（狀態(tài)機(jī)的0xc/0xe狀態(tài)），再將其輸出（FG_FIFO_o/BG_FIFO_o）輸入到前/背景層格式轉(zhuǎn)換控制器（狀態(tài)機(jī)的0x13狀態(tài)），將前/背景層格式轉(zhuǎn)換控制器的輸出（FG_PFC_o/BG_FIFO_o，輸出顏色格式為ARGB8888）,同時(shí)輸入到混合控制器（狀態(tài)機(jī)的0x13狀態(tài)），再將其輸出（Blender_Out，輸出顏色格式為ARGB8888）輸入到輸出格式轉(zhuǎn)換控制器（狀態(tài)機(jī)的0x13狀態(tài)），再將輸出格式轉(zhuǎn)換控制器的輸出（Converter_Out）寫入輸出緩存，最后寫入目標(biāo)矩形區(qū)域（狀態(tài)機(jī)的0x10狀態(tài)，輸 出 顏 色 格 式 為ARGB8888、RGB888、RGB565、ARGB1555或ARGB4444），仿真波形如圖5所示。

圖5 第四工作模式仿真波形

上述功能仿真的結(jié)果展示出了四種工作模式的數(shù)據(jù)流過(guò)程，圖像DMA實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的基本功能，加速器設(shè)計(jì)的正確性得以驗(yàn)證。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，在FPGA上進(jìn)行一次混合模式的驗(yàn)證。前景層圖片顏色格式為ARGB888，透明度為50%，背景層圖片顏色格式為RGB888，不透明，輸出顏色格式為RGB565?；旌夏Ｊ津?yàn)證結(jié)果如圖6所示，可見其取得了良好的圖像處理效果。

圖6 混合模式驗(yàn)證

5 結(jié)束語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的基于DMA架構(gòu)的圖像加速器主要用于二維圖形的加速處理，支持11種顏色模式和4種工作模式，支持一個(gè)或者兩個(gè)圖層的輸入，可以對(duì)一個(gè)或者同時(shí)對(duì)兩個(gè)圖層進(jìn)行顏色格式轉(zhuǎn)換，可以單獨(dú)處理一個(gè)圖層或者混合處理兩個(gè)圖層并輸出處理后的像素?cái)?shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這些預(yù)期的功能。將此加速器用在單片機(jī)中，通過(guò)配置相關(guān)軟件，便可在嵌入式系統(tǒng)中同樣實(shí)現(xiàn)二維圖像的華麗豐富的渲染效果。