CN102194403A - 基于Microblaze软核技术的LED大屏幕异步控制系统 - Google Patents

基于Microblaze软核技术的LED大屏幕异步控制系统 Download PDF

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王有乾
徐爱琴
张虎平
何立元
白国锋
张文忠
覃忠利
石天成
高庆伟
李子明
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Abstract

本发明公开了一种基于Microblaze软核技术的LED大屏幕异步控制系统，至少包括：用于实现控制系统与外部设备之间通讯的通讯接口模块；用于显示内容和显示特技处理的显示内容与特技处理模块；用于将显示内容转换成LED大屏幕的接口时序输出的显示输出模块；所述通讯接口模块、所述显示内容与特技处理模块、所述显示输出模块为并行操作。本发明充分利用各个软核之间可并行操作的特性，最大程度地提高了数据的处理效率，降低了控制系统的成本。

Description

基于Microblaze软核技术的LED大屏幕异步控制系统
技术领域
本发明涉及LED大屏幕技术领域，尤其涉及一种基于Microblaze软核技术的LED大屏幕异步控制系统。
背景技术
随着LED面板成本的降低，LED大屏幕的应用范围已经越来越广泛，各种不同的应用环境对LED控制系统的性能提出了更高的技术要求，同时又要求不能大幅度增加成本。
LED异步控制系统主要由通讯接口模块、显示内容与特技处理模块和显示输出模块三部分组成。其中通讯接口模块主要用于实现控制系统与电脑(PC)或其他设备之间的通讯，显示内容与特技处理模块主要负责显示内容和显示特技的处理，显示输出模块主要负责将显示内容转换成LED大屏幕的接口时序输出。
目前的LED异步控制系统主要有两种实现模式，一种为单处理器(CPU)模式，另一种为处理器(CPU)+复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列(CPLD/FPGA)模式。
单CPU模式是指，控制系统的三个模块采用分时模式共用一个CPU来实现。这种模式可以大大节省控制器的成本，但同时具有以下缺点：
1、各模块之间无法实现真正的并行操作，各模块需共享CPU的带宽和处理能力；
2、显示输出模块只能使用普通输入输出口(IO)来模拟，而CPU的输入输出口(IO)相对CPLD和FPGA的速度很难再做提高。
根据以上技术特性，采用单CPU模式的LED异步控制系统一般只能用于显示面积比较小，显示效果要求不高的应用场合。
如图1所示的CPU+CPLD/FPGA模式是指，由CPU完成通讯接口模块和显示内容与特技处理模块，CPLD和一块RAM来完成显示输出模块，CPU和CPLD之间采用并行总线连接。
这种模式中，三个模块被分解为两个部分并行完成，所以相对于单CPU模式，其技术性能和显示效果有了很大程度的提高。但由于CPU与CPLD之间采用外部总线连接，而CPU的外部总线速度与其内部总线速度相差很大，并且CPU和CPLD之间要实时进行大量数据的交互，因此内、外总线的速度差成为CPU+CPLD/FPGA模式的一个重大技术瓶颈。另外，上述技术方案由于添加了一个CPLD/FPGA和一片RAM，因此整个控制系统的成本大大提高，这样将不利于其应用推广。虽然CPU+CPLD/FPGA模式的带载面积相对单CPU模式有了很大提高，但CPU+CPLD/FPGA模式应用在很多特宽屏或特长屏时，单个控制器无法完成其控制，而需要多个控制器级联控制。
因此，针对目前的单处理器(CPU)模式和CPU+CPLD/FPGA模式，无法满足各模块之间并行操作和外部总线速度难以提升的特点。本领域的技术人员致力于开发一种应用于大面积LED显示屏的异步控制系统。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高效、低成本的LED大屏幕异步控制系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于Microblaze软核技术的LED大屏幕异步控制系统，至少包括：用于实现控制系统与外部设备之间通讯的通讯接口模块；用于显示内容和显示特技处理的显示内容与特技处理模块；用于将显示内容转换成LED大屏幕的接口时序输出的显示输出模块；所述通讯接口模块、所述显示内容与特技处理模块、所述显示输出模块为并行操作。
在本发明的较佳实施方式中，所述控制系统还包括第一Microblaze软核，所述第一Microblaze软核用于所述显示内容与特技处理模块实现显示内容和显示特技的处理；所述控制系统还包括第二Microblaze软核，所述第二Microblaze软核用于所述通讯接口模块实现通讯接口部分的协议；所述显示输出模块通过一DMA模块与一多端口存储器控制器直接相连。
在本发明的另一较佳实施方式中，利用所述多端口存储器控制器共享一外部存储器。所述外部存储器为一片二代双倍率动态RAM；采用所述多端口存储器控制器将该二代双倍率动态RAM在逻辑上分隔成各自独立第一端口、第二端口和第三端口；所述显示内容与特技处理模块通过所述第一端口与所述多端口存储器控制器直接相连；所述通讯接口模块通过所述第二端口与所述多端口存储器控制器直接相连；所述显示输出模块通过所述第三端口与所述多端口存储器控制器直接相连，以实现共享所述外部存储器。
在本发明的另一较佳实施方式中，在所述外部存储器中划分出一连续的当前帧存储专用区域。所述第一Microblaze软核每处理完一帧数据后，都对所述当前帧存储专用区域进行更新，所述显示输出模块直接从所述当前帧存储专用区域读取该数据并输出。
当所述第二Microblaze软核接收到新数据后，首先将该数据保存在一外部存储器中；然后，所述第二Microblaze软核通知所述第一Microblaze软核，所述第一Microblaze软核根据通知消息中的地址信息处理该新数据。所述第一Microblaze软核与所述第二Microblaze软核之间使用Mailbox实现消息传递和同步。
本发明充分利用各个软核之间可并行操作的特性，最大程度地提高了数据的处理效率。
与现有技术相比，本发明的LED大屏幕异步控制系统使用两个Microblaze软核替代普通的CPU，将通讯接口模块和显示内容与特技处理模块分离，最大限度地提高了各模块的处理效率。
本发明使用内部显示输出模块替代现有技术中的外部CPLD/FPGA，减少了各模块之间大数据量的直接交互，从而缓解了由于使用外部总线进行数据交互而造成的效率低下问题。
本发明还充分利用了多端口存储器控制器(MPMC)和二代双倍率动态RAM(DDRII)的高带宽，节省一块RAM，降低了控制系统的成本。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是现有技术中CPU+CPLD/FPGA模式的结构示意图；
图2是本发明一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明的LED大屏幕异步控制系统，其核心设计原理是基于赛灵思软核技术。赛灵思(Xilinx)公司的MicroBlaze软核是一个功能强大、应用灵活的嵌入式软处理器，其强大的用户自定义逻辑功能极大地便利了系统设计。
如图2所示，在本发明的一具体实施例中，至少包括：用于实现控制系统与外部设备之间通讯的通讯接口模块；用于显示内容和显示特技处理的显示内容与特技处理模块；用于将显示内容转换成LED大屏幕的接口时序输出的显示输出模块。
控制系统还包括用于显示内容与特技处理模块实现显示内容和显示特技处理的第一Microblaze软核；用于通讯接口模块实现通讯接口部分协议的第二Microblaze软核。
由于使用第一Microblaze软核来实现显示内容和显示特技的处理。而通讯接口部分全部是由第二Microblaze软核来实现，大大降低了第一Microblaze软核的额外负荷，将第一Microblaze软核几乎所有的处理能力用到显示内容和特技的处理上。这样可以最大程度的提高显示特技的速度，并且也大大增加了控制系统的控制面积。
本实施例中所提的MicroBlaze软核采用了32位流水线结构，包含32个32位通用寄存器和1个可选的32位移位器，时钟频率可达150MHz；在Virrex一4FPGA上运行速率高达120DMIPS，仅占用Virtex-II Pro FPGA中的950个逻辑单元。
具体地，MicroBlaze软核的结构具有以下基本特征：32个32位通用寄存器和2个专用寄存器；32位指令系统，支持3个操作数和2种寻址方式；分离的32位指令和数据总线，符合IBM的OPB总线规范；通过本地存储器总线直接访问片内块存储器(BRAM)；具有高速的指令和数据缓存(cache)，三级流水线结构；具有硬件调试模块；带8个输入和8个输出快速链路接口。
本发明还利用多端口存储器控制器(MPMC)共享一外部存储器。
具体地，该外部存储器为一片二代双倍率动态RAM(DDRII)。多端口存储器控制器(MPMC)将该二代双倍率动态RAM(DDRII)在逻辑上分隔成各自独立第一端口、第二端口和第三端口。
具体地，再参见图2，显示内容与特技处理模块通过第一端口(图2中为端口0)与多端口存储器控制器(MPMC)直接相连。通讯接口模块通过第二端口(图2中为端口1)与多端口存储器控制器(MPMC)直接相连。显示输出模块通过一DMA模块经第三端口(图2中为端口2)与多端口存储器控制器(MPMC)直接相连，成为一个单独的并行模块，无需其它模块干预。
上述结构设计实现了共享二代双倍率动态RAM(DDRII)的技术目的。基于二代双倍率动态RAM(DDRII)的高速率特性，其带宽完全可以满足本发明的技术需求。
更进一步地，本发明在二代双倍率动态RAM(DDRII)中划分出一连续的当前帧存储专用区域，专门用于存储当前帧。第一Microblaze软核每处理完一帧数据后，都对当前帧存储专用区域(A0)进行更新，显示输出模块直接从当前帧存储专用区域(A0)读取该数据并输出。这样即可完成显示内容的更新。
当第二Microblaze软核接收到新数据后，首先将该数据保存在一二代双倍率动态RAM(DDRII)中；然后，第二Microblaze软核使用消息邮箱(Mailbox)通知第一Microblaze软核，第一Microblaze软核根据通知消息中的地址信息处理该新数据。
这样就避免了通讯模块和显示内容与特技处理模块之间的大数据量交互。
本发明通过上述主体结构设计，使控制器内部三个模块之间完全为并行操作，并且各模块之间的大数据量传递都是直接通过地址传递来完成，而不存在数据通过总线来交互，最大程度上获得了提高数据处理效率的有益效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于Microblaze软核技术的LED大屏幕异步控制系统，至少包括：
用于实现控制系统与外部设备之间通讯的通讯接口模块；用于显示内容和显示特技处理的显示内容与特技处理模块；用于将显示内容转换成LED大屏幕的接口时序输出的显示输出模块；其特征在于：
所述通讯接口模块、所述显示内容与特技处理模块、所述显示输出模块为并行操作。
2.如权利要求1所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括第一Microblaze软核，所述第一Microblaze软核用于所述显示内容与特技处理模块实现显示内容和显示特技的处理；
所述控制系统还包括第二Microblaze软核，所述第二Microblaze软核用于所述通讯接口模块实现通讯接口部分的协议；
所述显示输出模块通过一DMA模块与一多端口存储器控制器直接相连。
3.如权利要求2所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：利用所述多端口存储器控制器共享一外部存储器。
4.如权利要求3所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：所述外部存储器为一片二代双倍率动态RAM；采用所述多端口存储器控制器将该二代双倍率动态RAM在逻辑上分隔成各自独立第一端口、第二端口和第三端口；所述显示内容与特技处理模块通过所述第一端口与所述多端口存储器控制器直接相连；所述通讯接口模块通过所述第二端口与所述多端口存储器控制器直接相连；所述显示输出模块通过所述第三端口与所述多端口存储器控制器直接相连，以实现共享所述外部存储器。
5.如权利要求3所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：在所述外部存储器中划分出一连续的当前帧存储专用区域。
6.如权利要求5所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：所述第一Microblaze软核每处理完一帧数据后，都对所述当前帧存储专用区域进行更新，所述显示输出模块直接从所述当前帧存储专用区域读取该数据并输出。
7.如权利要求2所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：当所述第二Microblaze软核接收到新数据后，首先将该数据保存在一外部存储器中；然后，所述第二Microblaze软核通知所述第一Microblaze软核，所述第一Microblaze软核根据通知消息中的地址信息处理该新数据。
8.如权利要求7所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：所述第一Microblaze软核与所述第二Microblaze软核之间使用Mailbox实现消息传递和同步。
9.如权利要求1所述的LED大屏幕异步控制系统，其特征在于：使用内部显示输出模块替代外部CPLD/FPGA。
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