處理器支援複雜的繪圖，達到更豐富的視覺效果

單純提供純文字效果已經不敷現代需求。 為了在過度感官刺激的環境下吸引並保持使用者注意力，任何資料的顯示現在都要符合美學。 因此，即使是基本資訊也要用生動鮮豔的色彩呈現，並且運用複雜的著色、動畫和影片。

然而，高解析度、深層調色盤、即時動畫和影片皆會大量耗用處理器建構、渲染和顯示頁面的能力。 我們希望頁面整齊、無閃爍且無異樣。 隨著顯示解析度逐漸提高，內容量、背景處理、各頁面的資料活動以及渲染頁面的能力都會耗用更多的處理器資源，尤其是時間和記憶體。

本文將探討高階處理器如何透過足夠的處理能力、資源和架構改良支援更高階的繪圖。 這通常需在內部採用 32 位元或更寬廣的資料路徑，並且使用高速時脈。 內部高速快取 RAM 以及交錯式 DMA 在此也是重要項目。 本文所述之所有零件、規格表、教學內容和開發套件皆可在 DigiKey 網站取得。

需求和選擇

多數人都沒有如此幸運，能以數百萬的預算進行設計。 有鑑於此，ASIC 並不是符合成本、時間或風險效益的選項，所以只能採用更高成本的 FPGA 或能力剛好足夠的處理器來處理繪圖，並且執行其他系統功能。

如今的影片並非簡單的作業。 要將資料格式化、賦予生動感、執行重疊、進行捲動、調色等，皆是流程與資料路徑密集的任務。 3D 立體渲染與著色更額外增添必要的功能性，佔據處理器的資源和時間。

某些高效能處理器能編程成為專用的繪圖周邊處理器，通常即可處理眾多額外任務。 此外，其高階周邊包含投射式電容觸控介面、立體聲音效、乙太網路以及其他通訊協定，因此能讓應用處理器在最少干擾下進行作業。 就像擁有另一顆核心一樣。 通常也具有高效能 DMA 和外接匯流排介面邏輯，並具有多種一般用途 I/O。

典型平板裝置的 TFT 顯示器解析度介於 1024 x 600 至 2560 x 1600 像素。 如此寬廣的範圍會對系統效能造成嚴重限制，特別是所需的記憶體資源量（表 1）。 24 位元全彩調色盤的 2560 x 1600 顯示器，例如在 Samsung Galaxy、Amazon Kindle 和 Toshiba 平板裝置所用的顯示器，光是單一頁面就會佔據超過 12 MB 的 RAM。


表 1：典型平板裝置顯示器與頁面記憶體之間的關係。

即使具備 32 位元寬的資料匯流排，每秒鐘也要進行 368,640,000 次的單循環 24 位元記憶體傳輸，才能完整重新繪製每秒 30 畫格數 (fps) 的影片串流。 也就是每次傳輸需要 2.7 ns，對於渲染和資料移動而言，這是龐大的作業。 即便不是執行 MPEG 等壓縮影片格式的即時解碼，渲染也絕非您所想像的那樣簡單。

其他因素包括內部高速快取 RAM 和外部匯流排介面的速度。 在高時脈速度下，外部匯流排 RAM 的等待狀態會耗盡處理器並使效能降低。 處理器外部匯流排介面上的良好 SDRAM 介面能讓頁面在背景中重新整理，因此處理器就可專注在渲染上。

高效能處理器能專門進行繪圖控制，尤其是在其移動資料進出的速度非常快速之時。 Freescale 的 MPC8245LVV333D 就是良好實作的高速 SDRAM 介面實例，採用該公司的 Power PC MPC603e 核心為基礎，並且屬於 MPC82xx 系列。 此 32 位元、352 引腳處理器的時脈為 333 MHz，本系列其他產品的速度甚至更快。 此處理器提供 2、1.8 和 1.5 V 型號，有助於降低此 450 萬電晶體元件的功率。

MPC8245 結合 Power PC 架構以及 PCI 橋接器，因此設計人員能採用專為 PCI 設計的周邊以及其他標準介面快速進行系統設計。 其核心提供多種操作頻率，因此設計人員能在效能和功耗之間進行權衡。 SDRAM 的同步和驅動會由周邊控制單元分別處理，並且會將 DMA 功能連結到外部匯流排介面邏輯，以便達到自主性高速資料傳輸到顯示器，空出處理器的能力以便在背景中進行渲染（圖 1）。


圖 1：簡化的處理器區塊結合先進的高速外部記憶體介面，就是專用繪圖處理器的優良選擇，並可當作高階半自主性周邊。 對於某些應用來說，這些就已經完全足夠。

請注意，SDRAM 介面支援高達 2 GB 的 SDRAM。 高頻寬匯流排能使用 32 或 64 位元的傳輸週期。 整合式 DMA 控制器能達到分散收集作業，並且支援 DMA 鏈結，可自動連結 DMA 緩衝器。 因此能讓主要微控制器的作業的減少一份任務。

Texas Instruments 是數位影像與繪圖的長期開發商與先驅，提供 OMAP35x 處理器與工具積極面對競爭。 OMAP 平台結合強大的 600 MHz 超純量 ARM^® Cortex™-A8 核心，並整合四個 OMAP 應用處理器。

OMAP3530 特別值得一提，號稱具備同級最佳的影片、影像和繪圖處理能力，能直接支援影片串流、2D/3D 行動遊戲以及影片擷取。 OMAP3530 含有繪圖加速器以及專用的視訊輸入和視訊輸出連接埠。

特別的是具有 64 位元 DMA 支援以及低功率 DDR 介面。 在其他處理器中，RAM 會佔用大量晶片面積，但此產品的 64 K 一般用途 RAM 一次含有一條或兩條掃描線。 此外亦可提供高達 256 KB 的晶片上二級快取 RAM，能含有範本以及一些背景繪圖資訊。 另一項值得注意的項目是，具有額外的 96 KB RAM，可用於 DSP 渲染和使用。 3530 亦含有硬體式繪圖加速器。

TI 以及第三方開發工具製造商皆支援這些零件。 Circuitco Electronics 的 BeagleBoard 就支援 OMAP3530，並可連接 SDRAM、S-Video、DVI-D 介面以及所有 LCD 介面訊號（圖 2）。 DigiKey 提供線上 BeagleBoard 產品培訓單元，並提供影片說明如何使用運行 Linux 系統的 BeagleBoard，以便驅動微型投影機，成為有用的視訊介面。


圖 2：BeagleBoard 具有 OMAP 處理器架構的優勢，能當作強大的測試和開發平台，特別適合嵌入式 Linux 設計。 可用於顯示器驅動以及微型投影機。

Logic PD 提供 SOMOMAP3530-11-1782JFIR 開發與評估平台，能支援 OMAP3530，並且結合 ARM Cortex-M8 處理器和 TMS320C64x DSP 處理器。 即便此產品較適合用於訊號處理開發，但也是實用的平台開發工具。

多核心替代方案

多重處理器晶片是實作多重處理器板時的良好替代方案。 即便在共用相同記憶體或周邊匯流排時會有一些頻寬限制，但多核心處理器已經展現其執行能力，能將任務有效分工。

Freescale 強大的 ARM 8 至 ARM 11 架構 i.MX 6 系列處理器是眾所周知且受到支援的多核心技術產品，能擴充成最多四核心、1.2 GHz 的元件，具有 64 位元 DDR 3 以及兩個 32 位元 DDR 2 介面。

Freescale 的 i.MX6sololite 系列中適合用於 2D 和 3D 繪圖的元件便屬 MCIMX6L3DVN10AA，是一款 432 引腳、無 ROM 的處理器，具有單一 1 GHz 核心。 值得注意的是，晶片上具有 256 KB RAM以及低至 0.95 V 的電源供應器。

這些零件皆可擴充，並且在製造上納入多媒體和繪圖的考量。 專用的硬體加速區塊能進行向量、2D 和 3D 繪圖，並將這些資料密集作業的負擔從處理器上解除。 另一個影像處理專用的區塊能進行強化、色彩反轉、旋轉、捲動、尺寸重設、混色等功能。 亦具有另一個專用的硬體區塊，能介接相機和顯示器（圖 3）。


圖 3：若精密的專用硬體區塊能運用高速匯流排以及深層記憶體集區的優勢，就能達到最佳效能。 能以更低成本，透過更多整合式周邊達到類似 ASIC 的效能等級。

Freescale 的大型 624 引腳 MCIMX6S5DVM10AB 亦是一款無 ROM 的設計，具有專用繪圖硬體以及 ARM Cortex-A9。 雙核心以及四核心皆屬高階產品，並能執行單核心產品無法達到的即時處理功能。 i.MX6 系列的 MCIMX6Q5EYM10AC 四核心 1.2 GHz 元件就是一個例子。 這些元件亦具備雙重 2D 繪圖引擎以及 3D 支援和四個額外的著色器。

總而言之，即便 ASIC 是提供複雜繪圖與視訊的有效解決方案，但多數設計人員無法負擔採用該方案的成本與時間。 幸好，本文列出多種目前可用的優異高階處理器，皆具備完善的視訊能力以及執行作業所需的特點。

如要進一步瞭解本文所述之產品，請透過本文中的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。