用FPGA設計LCD和電子書的靈活顯示器控制器

美商愛特Solutions Manager, Marketing Department, Yvonne Lin。

FPGA是IC設計業者的工具，因其靈活度高使市場接受度逐漸攀升。FPGA大廠美商愛特(Actel) Solutions Manager, Marketing Department, Yvonne Lin在「DTF消費電子暨電子書技與設計論壇」中，以LCD和電子書的產品特性與需求，分析使用不同設計工具在顯示器控制器上的優缺點。

首先以市場面來看，Yvonne指出，消費性產品設計挑戰有幾方面，一、成本競爭力要夠，二、推出市場的速度要夠快，三、低功耗，四、更小、更輕、更薄，五、要有獨特的特性，六、可攜性要高，且要有足夠的彈性以便更新到新一代版本。

顯示器已鋪天蓋地的入侵到我們的生活中，例如行動電話從黑金剛進展到現在的智慧型手機，對螢幕的要求愈來愈高；書本也從紙本進展到以螢幕閱讀的電子書形式；相機從早期單眼相機進展到現在有觸控螢幕的數位相機；地圖也從紙本進展到現在的衛星導航。

LCD技術愈來愈成熟，供應商也不斷增加，一旦價格滑落，廠商要有足夠的適應能力。另外，即便價格變動大，消費性可攜式產品還是不可避免地要使用LCD；而LCD主要不利的地方在於功耗問題。

電子書一推出就受到很大的矚目，銷售狀況很好，但電子紙目前供應商還處於非常有限的狀態，而且因為尚未大量應用，所以目前價格還沒達到合適的水準；其技術具備低功耗的優勢，主要面臨的挑戰為彩色顯示還有其困難度存在，且畫面更新時間還不夠快。

顯示器控制器的設計

顯示器控制器扮演什麼角色呢？顯示器是一個充滿著直條紋與橫條紋的圖形輸出裝置，控制器的功用，是裝置用來控制和管理輸出內容，控制器的內容來自於處理器、記憶體和其他視訊來源。

Yvonne表示，顯示器控制器的設計挑戰包括，一、處理器頻寬，若沒有內建LCD控制器，就會把內容通通輸出到顯示器上。二、非標準的顯示器，特別是小於10吋的顯示器，或者每個電子紙都有自己獨有的驅動需求，都會形成挑戰；另外像不同的製造商、解析度、BPP、控制訊號等也是控制器難題。三、因使用者端需求所作的改變，像制定不同的功能，改變視訊介面和輸入值等。

顯示器控制器有各種型式和功能，第一種為內嵌在處理器中，這是應用處理器最普遍的方式，好處為它是單晶片、依處理器而有不同特性、目標LCD可決定；缺點為沒有彈性、不能支援所有LCD種類，無法從處理器上卸載。主要特性為，能控制該處理器的LCD、目標LCD解析度屬特定解析度、記憶體介面為預先定義好的、電源管理有限；供應商包括iMX、PXA、Blackfin。

第二種為標準ASSP，優點為能預先決定好功能、很容易導入目標、可彈性調整。缺點為彈性和特性仍相當有限、且可能因為一些簡單的需求而產生殺傷力。主要特性為有限的視訊？處理器介面及控制LCD、目標LCD解析度在一定的範圍、記憶體介面為預先定義、電源管理有限；供應商為Epson、Renesas、Zoran。

第三種為FPGA，優點為可以依使用者需求實現獨特且有彈性的解決方案，可以隨時因需要而改變。缺點為需要使用者來安裝啟用，硬體設計者需要具備視訊和HDL的知識。主要特性為多重視訊和處理器介面、制定功能、解析度、低電壓差動訊號傳輸(LVDS)顯示器、解決EOL。目標LCD解析度、記憶體介面和電源管理都是很有彈性的。供應商包括Actel、Altera、Xilinx。

使用FPGA顯示器控制器的好處為，一、彈性很大，很快就可以針對不同的顯示器特性作出符合需求的設計。若有新的特性，只需重新寫程式即可。二、安裝啟用很有人性，擁有可客制化的邏輯和演算法設計，及額外的一些功能。三、處理器可卸載，可以將處理器上密集的工作卸載到硬體中，因此可以讓CPU頻寬釋放出來以完成其他任務。四、可滿足輸入？輸出的擴張，因為掌控幾種視訊源所需要擴增的I/O埠。

使用FPGA設計顯示器控制器

Yvonne以長期接觸客戶的互動經驗提出，使用FPGA來設計顯示器控制器時，首先有些問題要考慮清楚，一、功能和特性是否明確？這顆控制器要做些什麼？有沒有其他特性沒有考慮進去？二、來源為何？有沒有外來的視訊源？他們的格式為何？畫面轉換頻率是多少？解析度是多少？三、輸出到顯示器時，要用何種輸出裝置？解析度、每畫素的bits、更新頻率各是多少？四、記憶體需求上，是否有外接畫面緩衝的需求？哪一種記憶體最能達到高品質和最好的價格？

另外，Yvonne也提出，LCD和電子紙是否使用同一個FPGA即可？答案是：對，FPGA可適用於不同的設計。在LCD上，速度是關鍵，頻寬也很重要；在電子紙上，除了需要低功率，另外一個重點就是處理器介面是否完善。