快速光栅器的制作方法

专利名称：快速光栅器的制作方法
技术领域：
本发明涉及将数字化数据转换成用于显示在光栅扫描装置上的波
形图像，更特别涉及一种快速光栅器(fast rasterizer),其允许以 类似于最快数据获取率的速率显示数据。
背景技术：
波形成像硬件已经变得越来越快，并且这种趋势肯定会继续。波形 成像的一种早期方案在光栅扫描显示器的每个帧的期间产生单个波形 的图像。数字化的数据保存在存储器中，并对帧中的每条线重复读出一 次。在每个像素时间，将该列的数字化数据与线号比较，并且该比较用 于确定是否要显示点。标题为"Television Type Display System for Displaying Waveform of Time—Varying Signals ，， 的美国专利 No. 3786476描述了这种系统，其中可以显示和滚动高达四个波形。对这
种方案的多种变化被用于填充缺失的垂直线以及缩放波形。在所有这些 方案中，波形更新率被限制到大约每帧一个波形或者大约每秒六十个。
当存储器变得较便宜时，用存储器来保存波形的光栅图像。该存储 器对每个帧读出 一次，并且存储器的内容被用于设置灰度级并指定像素 的色彩。 一开始微处理器构建波形图像。这种方案看起来在标题为"High Sweep Rate Waveform Display Control for Digital Recording Waveform Devices"的美国专利No. 4134149中提到。后来，设计了定 制硬件，既用于将波形图像放到存储器中，也用于使得波形图像随时间 渐渐消失。标题为"Digitally Synthesized Gray Scale for Raster Scan Oscilloscope Displays"的美国专利No. 5254983描迷了这种4支术的一 种变体。
为了增加绘制波形图像的速率， 一 些仪器包括很多组硬件。在 一 些 情况下，每组用于不同的信道，如标题为"Digital Oscilloscope Architecture for Signal Monitoring with Enhanced Duty Cycle" 的美国专利No. 5530454中的情况。在其它情况下，多组这种硬件与单个信道一起使用。宣称有大约400000每秒的波形更新率。
数字化数据在样本数量上的长度通常大大超过显示器在像素列上 的宽度。为了减少波形绘制时间，设计了硬件来将数字化数据划分成组， 并接着找到每一組中的最大值和最小值。这些值接着被用于绘制波形图 像。这在标题为 "Method and Apparatus for Compacting Digital Time Series Data for Display on a Digital Oscilloscope"的美国专利 No. 5255365中有所说明。尽管显示可能看起来不像在使用了所有的数据 的情况下那么好，这种技术很大地减少了在记录长度，即获取的样本的 数量很长时的绘制时间。另 一种减少波形绘制时间的技术是放弃部分数 据。这在标题为"Sparse Vector Rasterization"的美国专利No. 6104374 中有所描述。当绘制很多波形时，用户可能不会注意到部分波形没有被 如同当绘制很少波形时那么详细地绘制。
一种在保留所有数据的同时减少波形绘制时间的技术是，具有专用 的一列存储器，该存储器记录显示图像中就一列中的每个像素的亮度。 从左到右， 一次一列绘制该显示图像。在处理一列之前，清除该专用存 储器。接着一次一个样本地处理该列的数字化数椐。在样本点之间通过 递增对应于该列中的各像素的存储器元件来绘制线。递增量可以根据每 条线的长度来变化，以便允许长的线看起来较暗淡。在处理该列的数据 之后，将存储器内容转移到保持存储器。在此时刻，用于形成下一列的 图像的过程开始。当在形成下一列图像时，将保持存储器与传统光栅存 储器结合来将最新列的图像合并到之前绘制的波形图像中。这在标题为 "Compression and Acquisition Count Optimization in a Digital Oscilloscope Variable Intensity Rasterizer"的美国专利No. 6278435 中有所描述。该技术的限制因素是合并新图像和先前图像所花费的时 间。为了减少合并的量，使用该技术来产生有很多并行波形的图像。很 多波形的第一列的图像在该专用存储器中发展。该第一列图像在生成第 二列时被合并到传统光栅存储器中。
不管使用上述哪种技术来使得波形成像更快，数字示波器获取数据 的速率仍然比能够显示数据的速率快很多倍。例如，Beaverton， Oregon 的Tektronix公司制造的TDS1000数字示波器具有的波形显示器中，最 快的水平轴为2. 5ns每刻度，而每个刻度具有二十五个像素列。跟上数 据获取的波形绘制机必须每纳秒绘制波形图像的十个像素列。为了绘制波形图像的一个纳秒，必须在波形存储器中设定至少十个像素。当波形 快速上升或者下降时必须设定甚至更多的像素。因为大部分存储器装置 具有的访问时间超过一纳秒，并且没有存储器允许在单个周期内访问十 个独立的位置，所以在 一纳秒中绘制图像的十个像素列是有挑战性的。
期望的是一种更快的光栅器，使得以类似于最快数据获取率的速率 显示数椐成为可能。

发明内容
相应地，本发明提供一种快速光栅器，具有快速存储器，该快速存
储器具有用于接收数据的位设定端口 (bit-set port)，以及用于输出 波形图像的完全独立的读出和清除端口。该快速存储器被组织为对应于 光栅显示器装置的行和列的行和列，每个存储器位置或单元保存单个 位。快速存储器被划分为并行区段，从而每个时钟周期可以写入每个区 段的一列，使得每个时钟周期将多个列写入快速存储器成为可能。每个 存储器单元在该单元的行和列写信号被断言时被设定，并且在该单元的 行和列读信号被断言时被读出并清除。使用温度计代码的行逻辑被用来 设定每个区段中所选择的列的行线。
本发明的这些目标，优点和其它新颖特征，从下面结合所附权利要 求和附图一起阅读的详细描述中变得明显。


图1是用于根据本发明的用在快速光栅器中的快速存储器的框图。 图2是根据本发明的快速存储器的布局的示意图。 图3是根据本发明的快速存储器的区段的示意图。 图4是根椐本发明的快速存储器的一个区段的行逻辑的框图视图。 图5是根据本发明的快速存储器的存储器单元的示意图。 图6是示出如何激活根据本发明的快速存储器的行驱动的代表性示 意图。
图7是根据本发明的快速存储器的列逻辑的框图视图。
具体实施例方式
本发明的核心是定制存储器10,专门设计用于快速形成波形图像。这种定制存储器的实施可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来 构建。定制存储器10被构建为即使波形快速上升或下降时，也跟上现 代数字示波器的绘图速率。
定制存储器10的主要特征是
该存储器是双端口存储器，如图1所示一两个端口中的一个仅用 于将波形图像放置到存储器中并仅仅在存储器中设定位，而另一个 端口用于读取图像以及清除该存储器。
将该存储器组织为对应于光栅显示装置上的行和列的行和列，如 图2所示一每个存储器位置或单元12对应于一像素并保存单个位， 从而波形由所设定的位指示，即，当存储器的内容被读取并与传统 光栅存储器中保存的数据组合时添加灰度级和色彩。
将该存储器划分为并行操作的区段，如图3所示一每个区段具有 整个存储器的一些列，即，对于十个区段，第一区段具有列0， 10， 20， 30,等，第二区段具有列l, 11, 21, 31等，从而在每个系统 时钟上将十组数据发送到存储器，并且一次在十列中设定位。在不 同的实施中可以选择不同数量的列，更多的区段得到更快的操作， 代价是更多的电路。
.该存储器的每个区段在每个存储器周期绘制波形的一个垂直列一 行逻辑14与确定要绘制的开始和结束行号(或者最小和最大行号) 的传统电路一起使用，如图4所示。行逻辑14取这些值，并设置 从开始到结束值的所有这些行线，在行线和列线上都接收高信号的 存储器单元被设定为高状态，从而不管长度多少， 一次绘制一完整 的垂直线段。如图4所示，当开始行值为四而结束行值为七时，在 一次操作中在列30中设定四个存储器单元，而在同一时间在存储 器IO的其它区段中绘制波形图像的相邻部分。 通过将这四个特征组合到定制存储器10中，有可能在一个存储器 周期中绘制波形图Y象的4艮多列。对于Beaverton, Oregon的Tektronix 公司制造的TDS2000型的数字示波器，最快的时间轴为2.5ns每刻度， 每个刻度二十五个像素列。为了以与获取波形图像的速率一样的速率绘 制波形图像，存储器10可以被划分为二十个区段，并以2ns时钟周期 时间工作。
尽管快速定制存储器10不容纳灰度级，在显示器装置上呈现给用户的波形图像可以包含色彩和灰度级信息。波形图像被周期性的从快速
定制存储器io读出。读取与设定位不同步，并且不干扰波形图像的生
成。当读出快速定制存储器10时，将它与传统波形图像存储器中保存
的灰度级和色彩信息组合。当新的要绘制的波形由于触发率的原因而緩
慢地到达时，它们可以被从快速存储器10中一次一个地提取，而灰度
级信息类似于传统光栅器电路中的那些。当波形以非常快的速率到达
时，各组波形在被传送到灰度级存储器之前在快速存储器10中取0R运 算到一起。
为了以不同的色彩绘制不同输入信道的波形图像，仪器的每个信道 都需要快速定制存储器10。在每个信道使用两个或更多并行操作的快速 存储器10时，可以实现甚至更高的波形绘制速度。
读取快速存储器10的过程也清除该存储器。偶尔地同一存储器单 元12可以在同时祐z没定和清除，这会导致位设定操作丢失，从而波形 上的点缺失。可以用类似于显示器装置的更新率的速率緩慢地读取存储 器10。另外可以伪随机顺序读取存储器10,使得很难在读取序列和或 者绘制序列或者显示器装置的更新之间看到跳动。
图5示出快速定制存储器10的存储器单元12。存储器单元12具有 两个背对背连接的反相器16, 18 在该实施例中用强n沟道和弱p沟道 晶体管构造反相器16， 18。下部的反相器18的输出在写行(write-row) 和写歹'](write-column)信号都被断言(asserted)以接通相应的晶体 管20和22时，被强制为低，晶体管20和22强于反相器的上拉晶体管。 这将上部的反相器16的输出设定为"高"，使得存储器单元12被设定。
通过将通常为高的npre信号短暂地变低，经由预充电晶体管28将 读出线25预充电到逻辑"高"电平，读出存储器单元12的内容。在被 预充电之后，读出线25在读4亍(read—row)和读歹寸(read—column )晶 体管24, 26都被接通时连接到存储器单元12。如果存储器单元12处于 "低"状态，它使读出线25变"低，，。否则读出线25保持"高"。在 读取存储器单元12的状态之后，通过在读行和读列信号保持被断言 (asserted)的同时，对清除晶体管30断言为零(ZERO)信号，来清 除存储器单元。这将上部反相器16的输出拉"低"，使得存储器单元 12进入"低"状态。
行逻辑14可以以不同的模式操作。在矢量模式中，快速存储器10的每个区段的逻辑被给予了开始行号和结束行号。接着行逻辑14设置 以开始行开始并以结束行结束的所有行线。在峰值检测模式中，行逻辑 14被给予最小行号和最大行号，并且行逻辑设置以最小行号开始并到达 最大行号的所有行线。在点模式中，行逻辑14被给予单个行号，并且 设置单条行线。 一种变化是省去了开始行或者结束行以便阻止每条垂直 线的相邻结束点被绘制在相邻的列中的矢量模式。
快速设置行线的基本方案使用将二进制数转换成温度计代码的逻 辑。开始和结束，或者最小和最大值每个都被转换成温度计代码。温度 计代码从水银温度计的行为而得名。温度计代码的输出是N个逻辑信号， 其中N是存储器中行的数量。这些逻辑输出被从0到N-l编号。具有小 于输入值的编号的逻辑输出为"高"，具有大于或等于输入值的编号的 逻辑输出为"低"。两个行值都被转换成温度计代码，并且在两个温度 计代码输出之间放置XOR型门，以便响应一个输出为"高"而另一个输 出为"低"。X0R门产生的输出接着被用于驱动存储器IO的一个区段的 行线。有#>多类型的逻辑可以放在这两个温度计代码之间来驱动行线，
在用于生成行驱动的一种类型的逻辑中，每个行驱动器32接收四 个输入，两个来自第一温度计代码，两个来自第二温度计代码，如图6 所示。如果来自第一温度计代码的两个输入为A和B，其中A更重要， 那么行驱动器32的点模式逻辑为~A&B，使得行驱动器输出在A为零而 B为一时为高。来自第二温度计代码的两个输入可以被标记为C和D, 其中C更重要。在图6中，对于输入3和5示出了两个温度计代码。行 驱动器32的A， B， C和D项的位置在右侧显示。项~ A&B在第一4戈码匹 配该行时为真，如该示例中所示。项 C&D在第二代码匹配该行时为真。 项-A&C在矢量在该行处或者该行之下开始并到达该行之上时为真。项 B&~D在矢量在该行处或者该行之上开始并到达该行之下时为真。通过 用OR函数组合这三个项，(~A&B) I (~A&C) I (B&~D),该函数在上升 矢量经过该行或者下降矢量经过该行时或者矢量在该行中开始时的情 况下为真。这在绘制矢量时使用。当绘制min/max对时，使用所有四项 的0R。
在使用温度计代码作为输入时，A, B， C和D的很多组合是非法的。 在绘制min/歸x对时假定最小值是第一输入的其它组合是非法的。使用 这些"不考虑"条件来减少逻辑门的数量，下面的等式绘制两个矢量，略去最终点，以及min/max对
Row—drive" ((A&D) | ( ~ B& ~ D) | (X& ~ B& ~ C);对于min/max X=0 并且对于矢量X - 1
在每个操作周期的开始，快速存储器10将每个区段的两个行值(最小 值和最大值或者开始和结束)加载到各寄存器。接着上述的逻辑断言对 应于要在其中设置像素的各行的行线。
如上所述，快速存储器10被划分为区段并且每个区段包含多个像 素列。这些列中的每个包含逻辑，该逻辑断言列线以便引起写，即绘制 入存储器IO。绘制的速率取决于水平轴的刻度而变化。尽管可以使用可 变的时钟速率，但目前固定时钟速率。利用固定的时钟速率，根据实时 接收数据的速率控制快速光栅器写。在最快的速率下每个区段在每个时 钟周期写 一 个列。在相对慢的速率下，区段写使能 (section-write—enable)线控制哪些区萃殳写，从而每个时钟周期仅写 一些区段。当数据速率匹配该固定时钟速率时，每个时钟周期仅写一个 区段。在更慢的数据速率下，存在其中没有数椐被写入到区段中的时钟 周期。对于被写的每一列，快速存储器10的该区段被发送行数据。图7 表示典型的列逻辑。快速存储器10的每个区段具有区段写使能线。向 该区段的写入仅在该线被断言时发生，并且这些使能线被组织为区段写 使能总线。第二总线，列写使能(colunm-write-enable)总线，到达 快速存储器10的所有区革殳。该总线包含连接到区段中的每一列的一条 线。该总线中的至多一条线在任何时间被断言。快速存储器10中每一 列的列逻辑被连接到来自第 一总线的一条线和来自第二总线的一条线。 AND门34仅当两条线都被断言时激活列逻辑阵列。AND门34的输出被 连接到触发器36的D输入。触发器36在快速存储器10的每个时钟周 期的开始被供给时钟。当触发器36在作为AND门34的"高"输出的结 果而设定时，快速存储器10的列线由触发器36的Q输出与时钟经过反 相的版本的与运算(ANDing (38))而在接近时钟周期末端时被断言。 通过将列线的断言延迟到时钟周期末端，给予了行逻辑14时间来断言 行线以及让行线变得稳定。
如上面提到的，快速存储器10的读端口完全独立于位设定端口。读取快速存储器10的一般方案包括在上面存储器单元12的描述中。读 取端口可以根据以哪种顺序需要数据来以很多不同的方式构建。典型的 读取逻辑可能把读取线组织成列。从而可以读出快速存储器10的一个 完整行并且就在清除存储器单元12之前被时钟供给进触发器。可以用 慢的速率读快速存储器，可能像每秒70次那样慢 将存储器内容合并 到包含灰度级和色彩信息的传统光栅存储器中，如上所迷。
从而本发明通过使用划分为区段并且具有完全独立于读出和清除 端口的位设定端口的快速定制存储器，提供了 一种快速光栅器。
权利要求
1. 一种快速光栅器，包括快速存储器，具有用于接收数据和波形绘制命令的位设定端口，以及用于输出波形图像的完全独立的读出和清除端口，该快速存储器具有对应于光栅显示器装置的行和列的多个存储器单元，并且被划分为多个区段，这些区段并行操作从而每个区段能够在每个存储器周期绘制一个垂直列，并且每个存储器周期可以绘制多个列；耦接到位设定端口的行和列逻辑，用于设定快速存储器中的行线作为数据的函数；耦接到完全独立的读出和清除端口的装置，用于读取波形图像并清除存储器单元。
2. —种快速光栅器的方法，包括步骤将光栅器存储器划分为多个区段，每个区段具有多个列，所述光栅 器存储器具有位设定端口和独立的读出/清除端口 ，并具有对应于光栅 显示器装置的多个行和列；根据经由位设定端口获取的数据，在每个时钟周期上设定每个区段 的列的其中之一中的指定行，以形成波形图像；以及独立地从读出/清除端口读出并清除波形图像，以便与之前的波形图像组合来显示在光栅显示器装置上。
全文摘要
一种快速光栅器使用快速存储器，该快速存储器具有用于接收数据的位设定端口，以及用于输出波形图像的完全独立的读出和清除端口。该快速存储器被组织为对应于光栅显示器装置的行和列的行和列，每个存储器位置或单元保存单个位。快速存储器被划分为多个并行区段，从而每个时钟周期可以写入每个区段的一列，使得每个时钟周期将多个列写入快速存储器成为可能。每个存储器单元在该单元的行和列写信号被断言时被设定，并且在该单元的行和列读信号被断言时被读出并清除。使用温度计代码的行逻辑被用来设定每个区段中所选择的列的行线。
文档编号G09G5/00GK101416233SQ200780011829
公开日2009年4月22日 申请日期2007年3月26日 优先权日2006年3月29日
发明者S·萨利文, T·比尔 申请人:特克特朗尼克公司