专利名称：嵌入式图形显示驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明属于图形显示以及计算机技术领域，涉及一种嵌入式图形显示驱动装置。
背景技术：
21世纪现代战争进入了数字时代。军事、航空、舰载等众多领域都需要快速、清晰 的显示三维图形图像。目前随着图形处理器日新月异的飞速发展，能实现三维图形处理 和特效处理等各种功能越来越强，因此已经出现各种高端的三维图形显控装置。但是， 高端的图形处理器同时对系统的其它部件也提出了更高的要求，往往要求有高性能的主 板支持才能发挥其最佳性能，
目前，国内外均巳研制出了 Vxworks下的OpenGL三维图形显控系统，国外如DY4 公司(后被CURTISS WRIGHT公司收购)于2005年初成功研发出基于ATI公司M9 图形处理单元(GPU)的PMC嵌入式图像卡PMC—704/PMC—706， SBS公司于2005年9 月份成功研发出基于M9的PMC嵌入式图像卡G2Basis/G2Dual/G2plus，Peritek公司(后 被CURTISS WRIGHT公司收购)也于2006年1月份成功研发出基于M9视觉处理单元 的PMC图像卡AtlasPMC1/AtlasPMC2。
但是国内外现在成熟产品中都需要有高性能的主板支持才能发挥其最大性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种嵌入式图形显示驱动装置，该装置不需 要高性能主板支持即具备能清晰显示三维图形的功能。 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是
一种嵌入式图形显示驱动装置，其特征在于，包括中央处理器、北桥芯片、显示处 理芯片和通信接口；所述的中央处理器与北桥芯片电连接，所述北桥芯片通过通信接口 与外部设备电连接，所述显示处理芯片的输入端接北桥芯片，其输出端接外部的图形显 示设备。
所述的中央处理器为MPC7448，所述的北桥芯片为MV64460,所述的显示处理芯 片为ATIM9;所述的北桥芯片与中央处理器通过MPX总线连接；所述的通信接口为
RS232和10/100M以太网接口；所述的北桥芯片通过PCI总线与显示处理芯片电连接； 所述的显示处理芯片输出VGA或PAL (VGA:视频图形阵列；PAL:逐行倒相制式) 视频信号到外部的图形显示设备。
所述的北桥芯片通过PMC接口 (英文縮写PCI Mezznine Card。中文PCI接口 卡，PMC是PCI总线对外的一种表现形式，只是我们通常看到的PCI,在主板上的表现 形式都是那种擦槽式的，而在各种卡的表现形式是金手指。本质都一样的)与外部主系 统通信。
所述的中央处理器、北桥芯片、显示处理芯片和用于与通信接口逻辑上通过 VxWorks操作系统结合在一起。
还包括FLASH闪存和DDR内存，所述的北桥芯片与FLASH闪存和DDR内存电 连接。
本发明的有益效果有
本装置是巧妙地基于高性能处理器MPC7448而开发的高集成度的图形显示装置， 因其不需要高性能主板支持即具备能清晰显示三维图形的功能，且自带电子盘以及外部
接口，能够独立工作，也能作为子系统通过PMC接口配合主系统工作。可广泛应用在 工业监控现场，以及机载、车载、舰载等数据量大，对信号的可靠性、实时性、稳定性 要求高的各种嵌入式应用场合。具体来说本嵌入式图形显示驱动装置与一般的显示卡的 区别在于它是一块带有CPU嵌入式显示卡，工作时板上跑有VxWorks操作系统。CPU 通过操作系统管理系统资源，在接收到外界的消息后(如要求本系统在显示器绘制一幅 三维数字地图)系统会通过PMC接口，或者网口将该三维数字地图的信息接收进来， 存放在内存。这些信息显卡是无法直接去显示的，因此需要CPU对其重新组织，用标 准OpenGL函数将这些信息解释成显示处理芯片M9能理解的信息，然后通过北桥芯片 将这些信息传给M9芯片，M9芯片再将这些信号存储在自己的显存中，并将其显示出 来。 一般普通的显卡都需要结合带有CPU的主板才能使用，正是因为这些显卡对很多 数据无法直接显示。而本系统(装置)，板载了高性能CPU，且直接带操作系统，能对 外界消息直接响应，通过CPU的辅助，能将采集的信号直接显示，而不需主板辅助。 系统也带有外部的PMC接口 (属于PCI接口，擦槽类型不同)，也能接到其他主板上， 作为一块普通显卡使用，但因为本板块带有CPU，其信息处理速度要优于普通显卡。同 时借助于公司长期以来在系统加固方面的雄厚技术，本系统具有在恶劣环境下稳定工作 的特点，这也使得系统性能更由于普通显卡。
图1为本发明实施例1的总体结构框图； 图2为BSP执行流程图； 图3为本发明实施例1的显示流程； 图4为OpenGL命令处理流程； 图5为OpenGL图形处理流程； 图6为元器件热设计理论分析示意图。
具体实施例方式
以下将结合附图和具体实施例作进一步详细说明。 实施例1:
如图1所示，本装置主要由中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)以及各种 高性能接口芯片组成。系统可将电子盘内的数据取出到CPU，经处理后再将相关信号发 送给高性能的GPU做纹理渲染等一系列的显示处理工作，最后输出为VGA、 PAL等视 频信号到显示器；也可通过PMC接口 (PMC接口的本质就是PCI，是PCI的一种电气 机械接口形式的称呼)与外部主系统相结合，实现对外部输入信号的高清显示。系统原 理图如图l所示。
模块介绍
本嵌入式图形显示驱动装置总体上分为五大模块CPU模块、北桥模块、电源模块、 显示处理模块、通信接口模块。
电源模块该模块为板上器件提供电源，其输入电压为5V，可提供数字5V、 3.3V 及模拟3.3V、 2.5V、 1.8V、 1.2V等5种电源电压。
CPU模±央:该模块是系统的核心,主要由一块高性能MPC7448以及外围器件(Flash、 DDR内存)组成，系统通过CPU模块接收和处理接口模块所发送来的消息，并产生图 像信息通过北桥模块传递给显示处理模块进行显示。
北桥模块该模块主要由MV64460芯片组成，在整个系统中主要充当一个桥梁的 作用。通过该模块将CPU与其他的模块联系起来。它提供了一个PCI桥，以及一个MPX 总线(MPX总线，其主要是PowerPC系列CPU与桥片通讯的一种总线，具有以下特点 1、地址总线共41位包括有36位地址位，以及5个奇偶校验位；2、数据总线共72位，
包括64位数据位，以及8个奇偶校验位)，使得CPU与GPU能高速通信，从而能实现 图形图像的快速清晰显示。同时网口、串口的收发信息也通过桥片传递给CPU。
通信接口模块该模块主要包括网口、与串口通信芯片，以及PMC接口，系统通 过这些接口与外界进行信息的交互。
显示处理模块该模块主要包括一块M9显示芯片。在CPU产生了显示信号以后， 通过PCI桥传到显示处理模块，由显示处理模块产生得到显示器所需的视频信号，进行 显示。
工作原理
由系统原理图(图1)可知。系统(即嵌入式图形显示驱动装置)工作时首先上电， 然后由Flash里的程序引导，将VxWorks操作系统装入DDR内存中。系统进入操作系 统后，由CPU MPC7448开始管理系统工作。CPU通过桥片MV64460对其它芯片进行 管理。这些芯片功能主要包括RS232串口通信和以太网通信。当这些接口芯片接收到 了相关的数据，传给系统CPU, CPU处理后会发给图形显示芯片M9输出为VGA、 PAL 等视频信号，进行显示。
主要技术 (1) Power PC BSP技术
板级支持包(BSP)是指针对具体的硬件平台，用户所编写的启动代码和部分设备驱 动程序的集合。在VxWorks操作系统中，BSP被定义为介于底层硬件环境和VxWorks 之间的一个软件接口，它的主要功能是系统加电后初始化目标机硬件、初始化操作系统 及提供部分硬件的驱动程序。具体地，BSP功能包括
a) 初始化系统，从上电开始复位直到VxWorks开始初始化用户应用时(即系统执 行到usrAppInit ()处)的一段时间内系统所执行的过程，包括CPU初始化、目 标机初始化和系统资源初始化；
b) 使VxWorks能够访问硬件驱动程序，即BSP包含部分必要的设备驱动程序及 相关设备的初始化操作；
c) 在VxWorks系统中，集成了与硬件相关的软件和部分与硬件无关的软件。其中， 与硬件相关的软件主要为了实现应用层软件与设备无关，也称之为硬件抽象层 (Hardware Abstraction Layer),具体地通过修改udcHwAbslayer.c实现。
在本图像板设计中，板级支持包BSP的主要任务是根据M9图像板硬件系统的设计，
封装硬件系统，并为之提供各种硬件接口电路的软件驱动，并为实时操作系统提供一个 运行平台和相应的软件接口函数。具体地
a) 初始化最小系统驱动模块
* 负责MPC 7448 CPU系统的初始化；
* FLASH驱动；
* VxWorks操作系统初始化和空间分配。
b) 部分必备的硬件设备驱动和相关设备初始化 *外带网口驱动(调试必须用到)；
* 串口驱动；
* 双口RAM驱动；
* M9芯片驱动(初始化部分，设置其工作模式)。
BSP的执行流程如图2所示，其中romlnit()完成禁止中断、保存启动类型(冷、热)、 硬件相关的初始化和调用romStart( )。 romStart()则完成将数据段从ROM拷贝到RAM， 清内存，将代码从Flash拷贝到程序存储器(SDRAM),然后调用userlnit( )。 sysHwInit() 为系统硬件初始化函数。函数userlnit()在usrConfig.c文件中，完成系统初始化。 usrKernel()配置内核数据结构，usrRoot()初始化I/O系统，安装设备驱动程序，最后启 动应用程序。usrAppInit()为应用程序入口函数。
(2) M9驱动技术
系统主要功能是快速、清晰显示图形图像因此图形处理器的驱动是整个系统的核心 技术。本系统的图形图像显示流程如图3所示。
M9驱动程序模块主要是操作片上寄存器，为高层的应用程序提供显示叠加功能， 并能够对一些比较消耗CPU资源的操作提供硬件加速功能。
M9驱动程序块主要完成VxWorks下完全支持2D, 3D加速的显示叠加驱动，M9 驱动是三维图形显控系统驱动的核心内容，指需要充分利用M9完成图形的硬加速，从 而高效实现3D驱动，供OpenGL绘图调用。
OpenGL实际上是一种图形与硬件的接口。它包括了 120个图形函数,开发者可以用 这些函数来建立三维模型和进行三维实时交互。与其他图形程序设计接口不同,OpenGL 提供了十分清晰明了的图形函数，因此初学的程序设计员也能利用OpenGL的图形处理 能力和1670万种色彩的调色板很快地设计出三维图形以及三维交互软件。
M9芯片的驱动主要指3D驱动，利用OpenGL ES实现3D的点、线、圆、椭圆生 成和填充以及3D的图形处理，包括纹理、渲染、光照等效果。
■ 基于WindML的M9 2D驱动
WindML提供了对运行在嵌入式系统上的多媒体应用程序的支持，它提供了独立于 多种操作系统的基本图形、视频和音频技术。因此，WindML可以被理解为2D加速软 件。此外，WindML的DDK (设备驱动开发包)提供了硬件抽象层，完成具体硬件的 接口，从而保证上层应用程序的可移植性。
一般来说，图形加速芯片都包含几个扩展的寄存器，并提供图形加速接口。通过图 形加速接口，诸如画线、填充、光标等可加速。利用WindML进行图形开发的步骤如下
a) 程序初始化WindML初始化通过调用API函数ugllnitialize()，完成 UGL(Universal Graphics Library)初始化。
b) 设备驱动装载(uglDriverFind)，包括显控图像、字体、指针、事件处理、声音、 框架等。
c) 对于字符输出，应先设置字体的驱动程序，可由函数uglFontDriverInfo()完成。 由于许多嵌入式系统只提供少数的有限字体选择，因此一般还需要应用 uglFontFind()函数找到系统提供的与所要显控图像字体最相匹配的字体。找到 后由uglFontCreate()函数生成该字体。
d) 初始化其它信息，包括主窗口设置(winCreate、 windRootSet)、事件路由创建等。
e) 对于图形显控图像，还需要产生一个图形环境。创建图形环境变量,初始化颜色 并分配预定义RGB值(uglColorAlloc),创建指针、画背景等。
f) 利用一个无限循环构成事件处理主机制。所有的交互(鼠标、键盘、视图等)过 程都由它来产生或完成，而所有的消息都由inEventGet或ug正ventGet得到； 循环只有在接收到特定的命令时才跳出，执行下面的内容。
g) 完成对所有资源的释放，并退出。这里指的所有资源不仅包括前面初始化时用 到的和创建的资源，而且包括一些用到的指针变量(比如，字符串指针)。少释 放了任何资源，都将导致内存泄漏,最终将导致不可预料的严重后果。
■ M9 OpenGL 3D驱动
OpenGL 3D驱动是M9驱动的核心部分，也是系统最关键的部分，本部分的实现可 完整体现M9 3D图形处理功能，OpenGL图形处理流程如图4所示。其中几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，这些数据经过流程图的上 部，包括运算器、逐个顶点操作等；图像数据包括象素集、影像集、位图集等，图像象 素数据的处理方式与几何顶点数据的处理方式是不同的，但它们都经过光栅化、逐个片 元(Fragment)处理直至把最后的光栅数据写入帧缓冲器。在OpenGL中的所有数据包括 几何顶点数据和象素数据都可以被存储在显示列表中或者立即可以得到处理。OpenGL 中，显示列表技术是一项重要的技术。
OpenGL要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶点计算 操作都可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形碎片；对于象素数 据，象素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再象几何顶点操作一样光栅化形成图 形片元。
整个流程操作的最后，图形片元都要进行一系列的逐个片元操作，这样最后的象素 值BZ送入帧缓冲器实现图形的显示。
根据OpenGL的基本工作流程可以归纳出在OpenGL中进行主要的图形操作及在计 算机屏幕上渲染绘制出三维图形景观的基本步骤如图5所示。
CPU接收到OpenGL各种基本命令后，调用OpenGL的GLU， GLU (OpenGL实 用库)主要包含了几组特殊命令，通过这些特殊命令可提供辅助特性的支持，并补充了 核心OpenGL界面，GLU主要包括縮放图形、简化纹理图形、坐标转换、多边形的镶 嵌分块、绘制球体、圆柱和圆盘、NURBS曲线和曲面、错误处理等各种消息，然后调 用OpenGL接口库的各种功能，根据需要是否调用GLX或直接进入到OpenGL状态机， OpenGL状态机指挥M9作OpenGL要求的各种3D图形、界面功能。 (3)系统热设计
因为系统主要应用于工业现场、机载、车载、舰载等恶劣环境中，因此对系统的可 靠性，尤其是宽温工作要求比较高，因此系统热设计是很重要的一个环节。
首先元器件热设计理论分析示意图如图6所示。由于设备采用了封闭式机箱设计， 其设备散热主要依靠传导散热方案，即将单模块的热量通过结构件传导到机箱壁上，再 通过机箱壁向环境辐射散热。主要通过具有高导热性能的合金铝材料、低热阻的导热硅 脂和导热膜先将模块内部热量平衡防止局部过热，再通过楔块锁紧组件将热量传导至机 箱壁上。
主要采取如下措施
*导热板采用高导热率的合金铝材料(板6063-T4GB/T3880);
导热填充材料采用低热阻的导热膜和导热硅脂； *导热板表面采用发黑氧化处理，表面粗糙度控制在3.2以内； *以功耗最高的M9芯片高度为基准，M9与导热板之间用导热脂填充，其他芯片 用导热膜填充；
*通过超高导热率的热管，设计M9芯片向机箱壁的热量传导专用通道，防止M9 的耗散热量影响其他芯片，特别是8245芯片的正常工作；
*充分利用模块面板安装定制的高效率专业铜质散热片，通过其直接向外部环境 辐射散热。
嵌入式操作系统VxWorks简介
VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时 操作系统(RTOS)，是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高 性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它 以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖 技术及实时性要求极高的领域中。
VxWorks的特点
可靠性
稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来， VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。
实时性
VxWorks的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通 信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。VxWorks提供的多 任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和轮转调 度(Round-Robin Scheduling)机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能 满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。
可裁减性
用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显 示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入系统中往往并不使用。
VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组 成。VxWorks内核最小为8kB，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不 失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系 统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。
权利要求
1.一种嵌入式图形显示驱动装置，其特征在于，包括中央处理器、北桥芯片、显示处 理芯片和通信接口；所述的中央处理器与北桥芯片电连接，所述北桥芯片通过通信 接口与外部设备电连接，所述显示处理芯片的输入端接北桥芯片，其输出端接外部 的图形显示设备。
2. 根据权利要求1所述的嵌入式图形显示驱动装置，其特征在于，所述的中央处理器 为MPC7448，所述的北桥芯片为MV64460，所述的显示处理芯片为ATI M9;所述 的北桥芯片与中央处理器通过MPX总线连接；所述的通信接口为RS232和10/100M 以太网接口；所述的北桥芯片通过PCI总线与显示处理芯片电连接；所述的显示处 理芯片输出VGA或PAL视频信号到外部的图形显示设备。
3. 根据权利要求1所述的嵌入式图形显示驱动装置，其特征在于，所述的北桥芯片通 过PMC接口与外部主系统通信。
4. 根据权利要求1 3任一项所述的嵌入式图形显示驱动装置，其特征在于，所述的中 央处理器、北桥芯片、显示处理芯片和用于与通信接口逻辑上通过VxWorks操作系 统结合在一起。
5. 根据权利要求4所述的嵌入式图形显示驱动装置，其特征在于，还包括FLASH闪存 和DDR内存，所述的北桥芯片与FLASH闪存和DDR内存电连接。
全文摘要
本发明公开了一种嵌入式图形显示驱动装置，其特征在于，包括中央处理器、北桥芯片、显示处理芯片和通信接口；所述的中央处理器与北桥芯片电连接，所述北桥芯片通过通信接口与外部设备电连接，所述显示处理芯片的输入端接北桥芯片，其输出端接外部的图形显示设备。该嵌入式图形显示驱动装置可以不依赖于主板，或者对主板性能要求不高，但能很好的发挥其显示性能。
文档编号G09G5/00GK101364301SQ20081014304
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月29日 优先权日2008年9月29日
发明者夏显忠, 康凯平, 鼎 李, 李旭勇, 翔 汤, 谷志军, 军 陈, 陈和平, 军 高, 黄江峰 申请人:长沙湘计海盾科技有限公司;长城信息产业股份有限公司