易文博 陳國(guó)平 管春

摘? 要： 為解決傳統(tǒng)液晶顯示實(shí)時(shí)性較差、設(shè)備性能較低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于FreeRTOS與Zynq?7000平臺(tái)的實(shí)時(shí)液晶顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于AXI4?Stream總線體制的流化數(shù)據(jù)傳輸模型和基于可重用IP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并綜合使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS和μC/GUI用戶圖形界面進(jìn)行多任務(wù)管理以及人機(jī)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)與顯示等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)每秒傳輸幀數(shù)高達(dá)約90幀，任務(wù)切換時(shí)間小于2 μs，整體功耗小于4 W，相比傳統(tǒng)液晶顯示性能提高2～3倍，滿足高性能、低功耗與實(shí)時(shí)性要求。該系統(tǒng)還可通過(guò)集成視頻圖像硬件加速器等功能模塊，進(jìn)一步體現(xiàn)實(shí)時(shí)液晶顯示系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： ZYNQ?7000; 液晶顯示系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); FreeRTOS; μC/GUI; 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN248?34; TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）22?0015?04

Abstract： A real?time LCD （liquid crystal display） system based on FreeRTOS and ZYNQ?7000 platform is designed to solve the problems of poor real?time performance and low equipment performance of traditional LCD. In the system， the streaming data transmission model based on AXI4?Stream bus system and the system design method based on reusable IP are adopted， and the real?time operating system FreeRTOS and μC/GUI user graphical interface are comprehensively used to carry out the multi?task management and human?machine interface design， so as to realize the functions of real?time data processing， storage and display. The experimental results show that the system can transmit up to 90 frames per second， the task switching time is less than 2 μs， the overall power consumption is less than 4 W， and the performance of the system is improved by about 2 to 3 times by combining with the traditional LCD， which meets the requirements of high performance， low power consumption and real?time performance. The system can further reflect the scalability and application value of the real?time LCD system by integrating the video image hardware accelerator and other functional modules.

Keywords： ZYNQ?7000; LCD system; system design; FreeRTOS; μC/GUI; system testing

0? 引? 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，顯示技術(shù)已經(jīng)成為信息化產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其中，液晶顯示廣泛應(yīng)用于儀器儀表、通信產(chǎn)品與醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域[1]。

傳統(tǒng)液晶顯示系統(tǒng)主要分為兩類：一類是基于ARM架構(gòu)處理器，完成以軟件設(shè)計(jì)為核心的人機(jī)交互系統(tǒng)與界面設(shè)計(jì)[2?4];另一類是基于FPGA硬件可編程平臺(tái)，完成以硬件設(shè)計(jì)為核心的高性能顯示通路或算法硬件加速器[5]。ARM處理器受限于系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip，SoC）所固化的液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）控制器，可擴(kuò)展性較低，而高性能處理器往往價(jià)格昂貴;FPGA硬件可編程平臺(tái)雖具備一定靈活性，但缺乏中央處理器（Central Processing Unit，CPU）這樣的核心硬件來(lái)處理需要大量面向過(guò)程的應(yīng)用場(chǎng)景，難以統(tǒng)一調(diào)度復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)協(xié)同工作。

針對(duì)傳統(tǒng)液晶顯示系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、實(shí)時(shí)性差和性能較低的問(wèn)題，本文研究了一種基于Zynq?7000全可編程片上系統(tǒng)（All Programmable System on Chip，APSoC）的實(shí)時(shí)液晶顯示系統(tǒng)。在充分討論系統(tǒng)軟硬件總體架構(gòu)與數(shù)據(jù)流傳輸基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析并實(shí)現(xiàn)了一種符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Free Real Time Operating System，F(xiàn)reeRTOS）作為整體系統(tǒng)軟硬件管理框架和LCD液晶顯示子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合Cortex?A9硬核、AXI4?Stream總線體制IP與μC/GUI用戶圖形接口，在兼顧系統(tǒng)低功耗、低成本和高可靠性等要求下，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用軟件的可擴(kuò)展性和完備的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。最后分析本系統(tǒng)在多任務(wù)下的刷屏測(cè)試、字符測(cè)試和位圖測(cè)試結(jié)果，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均大幅提升，能更好地滿足實(shí)時(shí)液晶顯示系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

Zynq?7000 APSoC片上集成Cortex?A9硬核處理系統(tǒng)（Processing System，PS）和28 nm工藝的可編程邏輯塊（Programmable Logic，PL）。其優(yōu)點(diǎn)在于豐富的邏輯單元與I/O資源為本系統(tǒng)帶來(lái)極大靈活性。同時(shí)，PL能夠?qū)崿F(xiàn)基于高吞吐量、低延遲的AXI4嵌入式片上互聯(lián)總線系統(tǒng)，通過(guò)DDR3 SDRAM解決顯示系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)流與外部存儲(chǔ)系統(tǒng)交互的問(wèn)題[6]。

第四代高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展接口協(xié)議（Advanced eXtensible Interface 4，AXI4）將不同功能與特性接口整合到更具通用性接口中，簡(jiǎn)化了知識(shí)產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）整合與系統(tǒng)集成。系統(tǒng)硬件基于IP核模塊化搭建，采用第四代高級(jí)微控制器總線結(jié)構(gòu)（Advanced Microcontroller Bus Architecture 4.0，AMBA 4.0），用以支持系統(tǒng)高性能、高頻率特性。

針對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的特定功能及特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并集成了輕量級(jí)LCD控制器IP模塊;針對(duì)本文系統(tǒng)高帶寬、低延遲和大數(shù)據(jù)量傳輸需求，在采用AXI4互聯(lián)基礎(chǔ)上，結(jié)合其流化接口AXI4?Stream和簡(jiǎn)化接口AXI4?Lite，用于模塊間液晶顯示數(shù)據(jù)流的片內(nèi)傳輸和輕量高效的IP配置與控制。

一個(gè)完備的液晶顯示系統(tǒng)除了需要實(shí)時(shí)界面顯示功能，還需要高速存取本地?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)可通過(guò)屏幕觸摸和按鍵控制進(jìn)行功能切換和顯示調(diào)節(jié)等功能。這些宏觀并行任務(wù)可通過(guò)諸如函數(shù)循環(huán)和系統(tǒng)中斷的方法來(lái)輪詢所有任務(wù)，實(shí)現(xiàn)同步和相互通信，但是該類方法存在靈活性較差和可靠性較低的問(wèn)題。

因此，本系統(tǒng)采用操作系統(tǒng)（Operating System，OS），其優(yōu)勢(shì)是項(xiàng)目的源代碼更容易劃分為獨(dú)立的模塊，利用操作系統(tǒng)管理硬件資源，并且操作系統(tǒng)為各類并行任務(wù)提供軟件接口，減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間以及提高可維護(hù)性。作為一個(gè)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，一方面，其具備能夠不使用緩沖機(jī)制的情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，盡可能降低系統(tǒng)延遲，提高系統(tǒng)在有效時(shí)間內(nèi)做出快速響應(yīng)的能力[7];另一方面，其基于優(yōu)先級(jí)切換任務(wù)機(jī)制，相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)又具有分時(shí)操作系統(tǒng)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)運(yùn)行的特點(diǎn)，能夠有效地增加資源利用率。

為了有效地解決顯示、控制與非易失性存儲(chǔ)的問(wèn)題，本系統(tǒng)在具有可移植性的用戶圖形界面（Graphical User Interface，GUI）和文件系統(tǒng)（File System，F(xiàn)S）基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)和完善軟件架構(gòu)。整體軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

在無(wú)操作系統(tǒng)情況下，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用層軟件管理效率較低，同時(shí)功能模塊較為復(fù)雜時(shí)，存在系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度降低的問(wèn)題。因此，在應(yīng)用層軟件實(shí)現(xiàn)基本功能基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)架構(gòu)需通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）的多任務(wù)管理特性和硬件資源合理分配等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升整體系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性與可維護(hù)性。

2? 液晶顯示子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式本地顯示應(yīng)用大多采用2～7寸液晶屏，分辨率低于720 P的液晶屏，并且一般采用并口傳輸數(shù)據(jù)。并口液晶模塊具有成本低、繪圖快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合用于本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示、用戶交互速度快和高速繪圖等應(yīng)用場(chǎng)景。如圖2所示為液晶顯示LCD控制器的設(shè)計(jì)框架。

視頻直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（Video Direct Memory Access， VDMA）模塊通過(guò)AXI主接口獲取片外DDR3 SDRAM內(nèi)存中存儲(chǔ)的像素?cái)?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以流的形式傳遞給像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊用于調(diào)整并行像素?cái)?shù)據(jù)RGB的位寬，以適應(yīng)不同LCD像素深度（Bits Per Pixel， BPP）需求。

通過(guò)軟件配置Xilinx公司視頻時(shí)序控制器（Video Timing Controller V6.1）IP，在不改動(dòng)硬件設(shè)計(jì)下動(dòng)態(tài)調(diào)整行場(chǎng)同步信號(hào)，以適應(yīng)不同分辨率下的LCD屏幕。采用Digilent公司的AXI動(dòng)態(tài)時(shí)鐘（AXI Dynamic Clock Core V1.0）生成器驅(qū)動(dòng)LCD屏幕的像素時(shí)鐘，通過(guò)軟件配置產(chǎn)生不同刷新率屏幕下的時(shí)鐘速率以及同步FPGA與LCD屏幕之間數(shù)據(jù)傳輸。視頻輸出模塊是連接AXI4?Stream接口視頻前端處理模塊和視頻輸出模塊的橋梁，采用Xilinx公司流視頻輸出（AXI4?Stream to Video Out V4.0）IP核，通過(guò)獲取視頻像素?cái)?shù)據(jù)以及前端模塊的行場(chǎng)同步信號(hào)，在像素時(shí)鐘同步下，形成最終的視頻流格式輸出。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FreeRTOS是一款實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核占用空間小的開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，同時(shí)具有高度靈活性、最優(yōu)的模塊化設(shè)計(jì)、高可讀性以及可維護(hù)性，能在嵌入式設(shè)備中廣泛使用[8]。使用FreeRTOS管理處理器的時(shí)間和資源，使得復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)變得高效，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

本系統(tǒng)通過(guò)FreeRTOS提供的任務(wù)管理、內(nèi)存管理和同步與通信等基本功能，結(jié)合μC/GUI豐富的控件管理，實(shí)現(xiàn)本文系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)波形刷新和硬件外設(shè)控制等功能[9]。同時(shí)，采用占用資源相對(duì)較小而功能強(qiáng)大的通用開(kāi)源FatFS文件系統(tǒng)模塊，將采集到的數(shù)據(jù)記錄到非易失性存儲(chǔ)SD卡中[10]。

3.1? 液晶驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

整體LCD軟件控制流程如圖3所示。

軟件根據(jù)屏?xí)r鐘規(guī)格需求范圍與典型頻率，來(lái)配置硬件AXI Dynamic Clock IP核，產(chǎn)生液晶屏像素時(shí)鐘。通過(guò)PS端軟件讀/寫(xiě)視頻時(shí)序控制器IP核寄存器來(lái)配置其行場(chǎng)同步信號(hào)，用于匹配不同分辨率下的LCD圖像大小。軟件啟動(dòng)VDMA數(shù)據(jù)傳輸后，數(shù)據(jù)在液晶顯示子系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換成不同像素深度下的LCD屏幕格式，驅(qū)動(dòng)軟件從多幀緩存的首地址起以數(shù)據(jù)流的方式從DDR3顯存中讀出/寫(xiě)入像素?cái)?shù)據(jù)，完成1幀數(shù)據(jù)的獲取，最后交給應(yīng)用軟件做進(jìn)一步處理，完成1幀數(shù)據(jù)的顯示。

3.2? 實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)劃分

液晶顯示系統(tǒng)按照功能需求，可大體劃分為：數(shù)據(jù)傳輸與處理類任務(wù)、人機(jī)交互下的控制類任務(wù)、文件與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類任務(wù)和界面刷新與顯示類任務(wù)。為保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，信號(hào)處理任務(wù)處于最高優(yōu)先級(jí)。界面任務(wù)包括文本、圖片等動(dòng)態(tài)與靜態(tài)功能，因?yàn)棣藽/GUI極其占用系統(tǒng)資源，并且任務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，因此設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)?？紤]到人機(jī)交互響應(yīng)速度的問(wèn)題，將按鍵和觸摸任務(wù)放置文件系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)前。通過(guò)以上功能定義，本文系統(tǒng)選用多任務(wù)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)任務(wù)時(shí)間關(guān)鍵性、計(jì)算量和執(zhí)行周期性劃分為四個(gè)任務(wù)，按照系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)由高到低依次為：數(shù)據(jù)處理任務(wù)、按鍵觸摸任務(wù)、文件系統(tǒng)任務(wù)和界面任務(wù)。

3.3? 系統(tǒng)任務(wù)間通信

采用事件標(biāo)志組和任務(wù)通知進(jìn)行任務(wù)間通信與同步，各個(gè)任務(wù)之間的關(guān)系如圖4所示。

調(diào)用μC/GUI按鈕控件設(shè)計(jì)虛擬按鍵，通過(guò)窗口回調(diào)函數(shù)觸發(fā)界面任務(wù)中的觸摸消息處理，開(kāi)啟待處理數(shù)據(jù)獲取并啟動(dòng)VDMA數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)獲取與傳輸完成后，VDMA模塊發(fā)送中斷時(shí)間標(biāo)志組，退出中斷后切換到最高優(yōu)先級(jí)信號(hào)處理任務(wù)，完成相應(yīng)數(shù)據(jù)SDRAM存儲(chǔ)。

當(dāng)最低優(yōu)先級(jí)界面任務(wù)完成上一次動(dòng)態(tài)、靜態(tài)界面顯示后，發(fā)送標(biāo)志事件給信號(hào)處理任務(wù)，信號(hào)處理任務(wù)獲取標(biāo)志位，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，隨后將計(jì)算結(jié)果返回界面數(shù)值顯示或其他方式中，并進(jìn)行界面的刷新。當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，按鍵檢測(cè)任務(wù)檢測(cè)并存儲(chǔ)鍵值至FIFO緩沖區(qū)，界面任務(wù)讀/取緩沖區(qū)并處理按鍵消息，發(fā)送任務(wù)通知啟動(dòng)文件系統(tǒng)任務(wù)。用戶根據(jù)功能需求通過(guò)文件系統(tǒng)將DDR3內(nèi)存中或信號(hào)處理完后的數(shù)據(jù)存入SD卡等非易失性存儲(chǔ)中，從而完成了任務(wù)間的通信機(jī)制。

4? 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

刷屏測(cè)試、字符測(cè)試與位圖測(cè)試是液晶顯示系統(tǒng)的主要測(cè)試手段，測(cè)試運(yùn)行時(shí)間是衡量軟硬件系統(tǒng)對(duì)于不同顯示需求的主要性能指標(biāo)。為驗(yàn)證分析本文系統(tǒng)LCD控制器設(shè)計(jì)及其FreeRTOS在該系統(tǒng)中的應(yīng)用性能，測(cè)試平臺(tái)選用Zynq?7010 XC7Z010CLG400?1器件，顯示屏選用720P、24位色的無(wú)控制器并口電容屏。

本文系統(tǒng)通過(guò)定義整屏像素刷新的測(cè)試方法，分別在無(wú)操作系統(tǒng)下采用順序循環(huán)方式執(zhí)行函數(shù)任務(wù)，在FreeRTOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)下采用搶占式的任務(wù)調(diào)度方式執(zhí)行任務(wù)，并統(tǒng)計(jì)所有測(cè)試操作完成的時(shí)間。

測(cè)試結(jié)果如表1所示。隨著任務(wù)數(shù)量增加，兩類測(cè)試消耗的時(shí)間幾乎呈線性增長(zhǎng)，F(xiàn)reeRTOS任務(wù)調(diào)度所造成的微秒級(jí)延時(shí)可忽略不計(jì)。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)可滿足實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能需求，同時(shí)使用FreeRTOS對(duì)液晶顯示系統(tǒng)帶來(lái)的整體收益更大。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文以ZYNQ?7000全可編程SoC器件為核心平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種基于FreeRTOS操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)本地液晶顯示系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)集成了可配置、可移植的液晶顯示子系統(tǒng)，通過(guò)FreeRTOS合理劃分系統(tǒng)任務(wù)，并綜合應(yīng)用μC/GUI用戶圖形界面和FatFS文件系統(tǒng)，完成實(shí)時(shí)液晶顯示等功能。通過(guò)板卡實(shí)現(xiàn)， Zynq?7010 器件功耗為1.928 W，整體液晶顯示系統(tǒng)功耗小于4 W，硬件邏輯資源占用率小于50%。本系統(tǒng)在顯示性能與實(shí)時(shí)性上較目前主流嵌入式液晶顯示系統(tǒng)有較大提升，同時(shí)系統(tǒng)在較少改動(dòng)或無(wú)需改動(dòng)硬件設(shè)計(jì)情況下[11]，僅利用ARM處理器資源即可掛載其他中間件、協(xié)議棧和加速器，具備良好的可擴(kuò)展性和設(shè)計(jì)靈活性。

基于Zynq?7000器件新型架構(gòu)，可進(jìn)一步應(yīng)用PS側(cè)加載LwIP協(xié)議棧，PL側(cè)實(shí)現(xiàn)算法加速器，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、處理與本地實(shí)時(shí)顯示相結(jié)合。因此，本文的設(shè)計(jì)方案在對(duì)本地顯示需求，或其他電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域里，有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

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