需要高級視頻圖形功能的系統(tǒng)實施起來一直是個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，這些系統(tǒng)需要硬件特性和軟件功能的復雜組合，以創(chuàng)建應用程序所需的必要更高級別的視頻和圖形。最新的基于 ARM 的 MCU 現(xiàn)在提供了一套全面的高級硬件功能，這些功能通常將常見的視頻和圖形標準實現(xiàn)為獨立的模塊，從而最大限度地減少對這些硬件功能“硬編碼”的需求。此外，廣泛的基于 ARM 的生態(tài)系統(tǒng)提供了大量軟件支持，以實現(xiàn)常見的應用程序級功能（例如，輕松構(gòu)建圖形用戶界面或 GUI 的應用程序），所需的低級編碼數(shù)量最少。廣泛的參考設計和硬件平臺允許設計人員利用制造商開發(fā)的例程來簡化他們自己的定制應用程序的創(chuàng)建。讓我們看看現(xiàn)在基于 ARM 的 MCU 系列中提供的一些新的視頻硬件和軟件功能。

　　三個關鍵要素：輸入、處理和顯示

　　將視頻圖形的三個關鍵要素分為輸入、處理和顯示是很方便的。輸入功能通常允許設備連接到各種標準的各種傳感器和相機。處理功能支持將一種標準轉(zhuǎn)換為另一種標準，創(chuàng)建用于顯示的多層圖形對象（例如，作為 GUI 中的元素），以及用于創(chuàng)建具有深度和陰影屬性的對象的更復雜的功能。最后，顯示功能將存儲在內(nèi)存中的圖形元素轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)狡桨屣@示器或電視的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在讓我們使用基于 ARM 的 MCU 來更詳細地了解這些元素中的每一個。

　　視頻圖形輸入

　　大多數(shù)現(xiàn)代基于 ARM 的 MCU 都包含一個用于常見圖像傳感器的視頻輸入接口。這些接口通常使用標準格式（例如 RGB 或 YCbCr）將視頻輸入存儲到內(nèi)部存儲器中，這些格式可以進行處理，然后顯示在標準 LCD 面板上。愛特梅爾SAMA5D3系列基于 ARM 的 MCU 就是一個很好的例子，它說明了一些所需的視頻輸入功能。主要的視頻輸入模塊是圖像傳感器接口 （ISI），并使用兩種流行的方法連接到圖像傳感器：與垂直和水平同步信號的硬件同步，或國際電信聯(lián)盟建議 （ITU-R） 標準（如 BT. 601/656）。BT.601/656 的使用減少了引腳數(shù)，因為不需要垂直和水平信號，但不如通用垂直和水平硬件同步模式靈活。圖像傳感器數(shù)據(jù)由高達 12 位的并行數(shù)據(jù)組成，并支持高達 2048 x 2048 的分辨率。完整的輸入數(shù)據(jù)路徑如下圖 1 所示。

　　圖 1：Atmel SAMA5D3 MCU 的視頻輸入路徑（由 Atmel 提供）。

　　時序信號和圖像傳感器輸入數(shù)據(jù)顯示在圖表的左側(cè)。圖中底部中間有兩條輸入路徑；一個用于預覽路徑，一個用于編解碼器路徑?？梢愿袷交A覽路徑以轉(zhuǎn)換輸入視頻，然后直接在輸出 LCD 面板上顯示（可能是 RGB 格式）。2D 圖像縮放器和像素格式化器可用于實現(xiàn)簡單的視頻縮放，并且需要剪輯。完整的路徑可以通過中斷和 DMA 訪問來支持，而完全不涉及 CPU。如果需要視頻處理，可以使用圖 1 底部所示的編解碼器路徑將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（例如，從 RGB 到 YCbCr）并以打包格式存儲在內(nèi)存中。

　　使用中斷和 DMA 傳輸管理數(shù)據(jù)路徑的能力對于提高視頻應用的效率至關重要。這使得 ARM CPU 可以專注于實現(xiàn)管理功能并為功能差異化提供定制化處理。Atmel SAMA5D3 是具有重要自主操作的設備的一個很好的例子，當處理效率至關重要時，您應該尋找它。

　　在許多情況下，視頻數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過壓縮處理，需要以不同的格式捕獲。例如，安全攝像機通常以壓縮的 JPEG 格式提供視頻數(shù)據(jù)，以減少傳輸視頻數(shù)據(jù)所需的帶寬。這可以降低接收端的功耗要求并簡化數(shù)據(jù)帶寬要求。加密通常用于保護視頻數(shù)據(jù)免受網(wǎng)絡入侵。讓我們考慮一個使用STMicroelectronics STM32F207 MCU 作為目標平臺的安全攝像頭設計示例。

　　STM32F207 數(shù)碼相機輸入是一個同步并行接口，能夠從外部 CMOS 相機模塊捕獲高速圖像數(shù)據(jù)。支持YCbCr4:2：2、RGB656、8/10/12/14位逐行視頻、JPEG等常見格式。JPEG 在低功耗應用中很有用，因為它經(jīng)過壓縮，因此傳輸圖像所需的帶寬更少。STM32F207 在視頻流的水平同步部分接收 JPEG 視頻，如圖 2 所示。請注意，HSYNC 信號的寬度取決于每個 JPEG 數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)量。流的開始和結(jié)束指示以 VSYNC 信號為界，以便于識別。

　　圖 2：在 STM32F207 上使用攝像頭輸入進行 JPEG 捕獲（由 STMicroelectronics 提供）。

　　一旦捕獲了 JPEG 視頻數(shù)據(jù)，就會使用 DMA 控制器將其存儲在內(nèi)存中，以減少 CPU 開銷。在傳輸之前，視頻數(shù)據(jù)會被加密，以使網(wǎng)絡入侵者難以捕獲或篡改視頻（您是否經(jīng)常看到安全視頻數(shù)據(jù)在雀躍電影中“被黑”）。STM32F207 具有片上加密處理器，支持流行的加密標準，如 Triple-DES 和 AES-256。加密處理器作為 32 位 AHB 外設訪問并支持 DMA 傳輸。隨機數(shù)生成器和安全哈希處理器也可用于添加身份驗證功能，以便可以證明安全攝像頭的命令和從攝像頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來自預期的來源。

　　一旦數(shù)據(jù)被完全處理并準備好發(fā)送，STM32F207 就有一個以太網(wǎng)控制器，該控制器使用符合 IEEE 802.3 的 MII 接口連接到外部 PHY，支持 10/100 數(shù)據(jù)傳輸。該控制器還支持 LAN 喚醒幀，以便在等待以太網(wǎng)端口活動時可以使用低功耗模式。雙 2 KB FIFO（一個用于發(fā)送，一個用于接收）提供足夠的緩沖存儲來保持高效率，從而降低功耗。DMA 用于傳輸以太網(wǎng)流量以及進一步減少 CPU 開銷。普遍使用 DMA 將數(shù)據(jù)從輸入通過處理傳輸?shù)絺鬏敚@是低功耗視頻實現(xiàn)中的一種常見技術(shù)，并且在任何以功率效率為關鍵考慮因素的設計中都應該是一個關鍵元素。

　　視頻圖形處理

　　視頻圖形處理是高級 ARM MCU 和 MPU 近年來增加的更復雜的功能之一。MPU 尤其為視頻處理添加了硬件加速，旨在創(chuàng)建可包含實時視頻的創(chuàng)新用戶界面。將視頻數(shù)據(jù)從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式、裁剪、縮放和顏色校正以適應目標顯示器的屬性或變化的照明條件的能力可以顯著增強用戶體驗。飛思卡爾 i.MX53xx _具有片上 2D 圖形處理單元 （GPU） 和單獨的 3D GPU。2D GPU 實現(xiàn)了針對 OpenVG 1.0.1 圖形 API 和功能集的各種圖形和視頻處理功能。3D GPU 以 DirectX9 著色和紋理為目標，用于構(gòu)建高級圖形圖像。

　　2D GPU 在構(gòu)建視覺上引人注目的 UI 時特別有用，并且可以使用由 3D GPU 創(chuàng)建的圖形元素。2D GPU 支持各種源和目標位圖格式（例如，從 ARGB4444 到 ARGB8888）中最高 2048 x 2048 的幀緩沖區(qū)上的位圖圖形操作，例如 BitBlt、填充和光柵化操作。提供了三個用于遮罩、圖案和 Alpha 層的獨立源位圖，以簡化復雜圖形結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。矢量圖形引擎與 2D 單元一起提供多邊形和幾何操作。2D GPU 的框圖如下圖 3 所示。

　　圖 3：飛思卡爾 i.MX53xx MPU 嵌入式 2D GPU 框圖（由飛思卡爾提供）。

　　2D GPU 接受命令流，如圖 3 頂部所示。命令被分離并發(fā)送到 2D 單元或矢量圖形單元。2D 單元通過內(nèi)存仲裁器對圖形內(nèi)存上的像素、漸變、紋理和顏色進行操作。矢量單元生成幾何形狀并對其進行操作，也使用內(nèi)存仲裁器訪問圖形內(nèi)存。仲裁器通過優(yōu)先化和組合內(nèi)存操作來最大化帶寬效率。

　　i.MX53 視頻圖形系統(tǒng)的架構(gòu)具有獨立的 2D、矢量和 3D 單元，這并不罕見。擁有支持不同標準的獨立模塊可以更輕松地創(chuàng)建特定功能的驅(qū)動程序、中間件和更復雜的高級應用程序接口 （API），讓設計人員能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊年P鍵差異化，而不是將時間投入到實現(xiàn)低級“家政”功能。很多時候，這些模塊還支持低功耗模式，其中可以關閉未使用的元件以顯著降低功耗。當視頻圖形處理是您設計中的一項重要要求時，請尋找這些類型的功能。

　　視頻圖形輸出

　　在某些應用中，不需要直接視頻輸入功能；但是，擁有視頻輸出功能可能很關鍵。例如，手持式測試設備可能需要圖形用戶界面和生成以圖形方式顯示實時測試結(jié)果的視頻輸出的能力。這些類型的功能的常見示例可以在超聲醫(yī)療設備、材料檢查或電信頻率測試中找到。NXP LPC4350雙 ARM 內(nèi)核 MCU 是非常適合這些應用的設備類型的一個很好的例子。NXP LPC4530 的 LCD 面板輸出控制器如下圖 4 所示。

　　圖 4：NXP LPC4350 雙 ARM 內(nèi)核 MCU 上的 LCD 輸出（由 NXP 提供）。

　　到幀緩沖器的系統(tǒng)接口是通過圖 4 中左中所示的 AHB 主設備?？刂破鲗⑾袼鼐幋a數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各種可能的顯示設備所需的格式，包括單或雙 Super Twisted向列 （STN） 面板或薄膜晶體管 （TFT） 彩色面板。支持從 320 x 240 到 1024 x 768 的顯示分辨率，在 TFT 顯示器上每像素真彩色非托盤顏色高達 24 位。245 個 16 位條目的 RAM 調(diào)色板可用于托盤化實現(xiàn)。請注意，當存在雙面板時可以使用單獨的 DMA FIFO，或者當只有一個面板時可以組合使用。這有助于提高傳輸效率并減少 CPU 開銷。包含硬件光標以簡化圖形用戶界面 （GUI） 實現(xiàn)。

　　NXP LPC4350 上可用的雙 ARM 內(nèi)核對于具有大型或復雜 GUI 功能的應用程序特別有用。其中一個 ARM 內(nèi)核可專門用于管理用戶界面和測試數(shù)據(jù)的實時顯示。這有助于將時間關鍵功能與不太關鍵的管理或處理功能分開。例如，數(shù)據(jù)處理的短暫延遲遠不如數(shù)據(jù)顯示期間的延遲（造成“參差不齊”并分散測試結(jié)果的推出）那么明顯。將 CPU 專用于關鍵顯示功能也有助于優(yōu)化功耗，因為當顯示屏不活動時，可以將顯示處理器置于低功耗模式。您只需在需要更新顯示時喚醒 CPU。

　　基于 ARM 的生態(tài)系統(tǒng)支持

　　當時 ARM CPU 的普遍使用創(chuàng)造了一個非常強大的生態(tài)系統(tǒng)，支持與視頻圖形相關的功能。軟件支持包括視頻編解碼器、用于構(gòu)建 GUI 功能的工具，甚至是高級視頻處理功能。一種流行的用戶界面 （UI） 構(gòu)建器是 Mentor Graphics 的 Inflexion UI。它支持拖放創(chuàng)建引人注目的 UI，這些 UI 可以針對運行 RTOS 的應用程序，并且可以使用目標設備的 OpenGL 硬件圖形引擎來實現(xiàn) 2D、2.5D 或全 3D 效果。

　　另一個例子是 Segger 的 emWin。emWin 中間件系統(tǒng)為圖形 LCD 提供了高效的 GUI。它以“C”源代碼的形式提供，以便在基于 ARM 的設備上輕松實現(xiàn)。該系統(tǒng)包括對小部件庫、窗口管理器、渲染支持（帶有圖形庫、基本字體和觸摸/鼠標支持）以及輸出和內(nèi)存設備驅(qū)動程序的支持。這些只是 ARM 軟件生態(tài)系統(tǒng)中眾多圖形和面向 GUI 的元素中的兩個示例。

　　供應商和第三方提供了豐富的硬件支持，他們提供了可以開發(fā)基于視頻的應用程序的開發(fā)平臺。飛思卡爾 i.MX53 器件擁有一個完整的開發(fā)平臺，具有針對復雜設計的目標參考設計，例如無線攝像頭接口、可視電話平臺或更通用的開發(fā)平臺。即使是 i.MX53 的簡單入門套件，如MCIMX53-START-R-ND，也可用于評估 i.MX53 的一些高級視頻圖形功能，包括引導 Linux、連接到相機和驅(qū)動液晶面板。

　　概括

　　需要高級視頻圖形功能的系統(tǒng)現(xiàn)在受益于使用基于 ARM 的現(xiàn)代 MCU，這些 MCU 將通用視頻和圖形標準實現(xiàn)為獨立模塊，最大限度地減少對這些硬件功能“硬編碼”的需求。此外，廣泛的基于 ARM 的生態(tài)系統(tǒng)為實現(xiàn)常見的應用程序級功能提供了大量軟件支持，并提供了硬件平臺來簡化自定義應用程序的創(chuàng)建。有關 MCU 以及此處討論的視頻和圖形功能的更多信息，請使用提供的鏈接訪問 Digi-Key 網(wǎng)站上提供的產(chǎn)品信息頁面和培訓模塊。