低功耗高性能图形控制芯片的设计与验证

论文摘要

科学技术的发展日新月异,显示技术也在发生一场革命。在信息技术和互联网飞速发展的今天,知识、信息传播和即时交流越来越依赖显示技术,显示器件已成为全球性、实时性信息交流的主要手段。通讯技术和手持设备的发展,推动了中小尺寸图形显示技术的发展,也对图形显示控制芯片提出了更高的要求。一方面,为了延长电池的工作时间,要求图形显示控制芯片具有低功耗特性;另一方面,随着彩屏的普及和由其导致的显示数据量的增加,不但要求图形显示控制芯片具有色彩产生功能,而且还要提供各种图形加速引擎。本文通过对中小尺寸图形显示理论与方法的研究,研究并设计开发一款低功耗、集成多种图形引擎和高性能色彩产生电路的图形显示控制芯片。首先,在分析液晶显示动态驱动的时序模型、显示模式与存储结构、MCU(Micro Control Unit)接口标准和LCD(Liquid Crystal Display)显示接口标准的基础上,设计了一款集成多种图形引擎、支持多种微控制器接口和显示接口、内嵌帧缓存的高性能图形控制芯片的体系结构。从性能和功耗两个方面,对中央控制单元的电路结构做了优化设计。其次,分析了硬件旋转、画中画、透明显示和虚拟显示等各种图形加速引擎的原理,然后在此基础上找到扫描点位置(X,Y)与帧缓存地址Address之间存在的关系,推导出两者间的数学模型和硬件实现方法。在综合基于空间抖动算法和时间抖动算法各自特点的基础上,提出了在该设计中采取的灰度和色彩产生方法。并就空间抖动算法存在的块状效应和时间抖动算法引起的闪烁现象,分别提出了改进方法。然后,完成了该芯片的验证和后端设计。主要包括功能仿真、形式化验证、FPGA(Field Programmable Gate Array)验证、存储器内建自修复设计、低功耗设计和测试等。最后,完成了该芯片的样片功能测试和功耗分析。功能测试结果显示,该芯片的电路功能完全正确,存储器时钟工作速度高达70MHz,完全满足设计要求。而功耗分析结果显示该芯片具有非常低的功耗和高度的应用灵活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 图形控制芯片的研究现状
• 1.3 图形控制芯片的发展趋势
• 1.4 本文研究内容及章节安排
• 2 图形控制芯片的体系结构设计
• 2.1 前言
• 2.2 液晶显示动态驱动的时序模型
• 2.3 显示模式与存储结构
• 2.4 液晶显示接口标准分析
• 2.5 MCU 总线接口选择
• 2.6 图形控制芯片的体系结构设计
• 2.7 本章小节
• 3 中央控制单元的设计研究
• 3.1 前言
• 3.2 中央控制单元的电路结构
• 3.3 用FIFO 电路解决存储器的并发访问
• 3.4 图形加速引擎的实现
• 3.5 本章小节
• 4 用于STN-LCD 的灰度和彩色产生算法及其电路实现
• 4.1 前言
• 4.2 基于空间的抖动算法
• 4.3 基于时间的抖动算法
• 4.4 抖动算法的改进和电路实现
• 4.5 验证方法及结果
• 4.6 本章小节
• 5 图形控制芯片的验证和物理实现
• 5.1 前言
• 5.2 功能仿真与验证
• 5.3 嵌入式存储器的内建自修复设计
• 5.4 低功耗设计
• 5.5 物理实现
• 5.6 功耗分析
• 5.7 本章小节
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读博士学位期间发表的论文