임베디드 LCD 제어 애플리케이션의 요구 사항
그래픽 LCD 디스플레이 디스플레이는 산업용, 자동 판매기, 자동차 및 선박 클러스터 계기판, 가전, 의료 기기 및 콘솔 게임 기기를 위한 휴먼 머신 인터페이스 (HMI)와 같은 임베디드 디스플레이 제어와 비디오 애플리케이션의 수요에 따라 설계 및 적용도 증가되고 있다. 효율적인 컨트롤러 설계를 위한 핵심 요구 사항은 비용 및 성능의 최적화뿐만 아니라 효과적이면서 얼마만큼 폭넓은 솔루션을 제공하느냐에 있다. 디자이너들은 종종 자신의 디자인에 타사 디스플레이 제어 솔루션을 통합할 필요가 있는데, 이때 필요한 IP는 디자이너 자신의 IP 모듈과 타사 프로세서의 인터페이스간의 통합이 쉽고 안정적이어야 한다.
다중 디스플레이 및 프로세서 형식을 지원하는 디자인에 최첨단 LCD 그래픽 솔루션을 구현하기 위해서 시스템 설계자는 일정 기간내에 변화가 심한 시장의 표준과 요구안을 맞추기 위해 프로그래머블 로직 디바이스의 FPGA를 사용하여 개발하고 있다. 다음은 임베디드 LCD 컨트롤 애플리케이션을 위한 중요하고 일반적인 요구사항들과, 어떻게 이러한 요구 사항을 FPGA를 이용하여 충족시킬 수 있는지에 관한 설명이다.
다중 디스플레이 지원
디스플레이 시장은 인터페이스 및 타이밍 운영에 대한 표준이 그다지 잘 정의되지 않았다. 그래서 유연성이 있는 좋은 방법으로, 다양한 디스플레이를 구동할 수 있는 하나의 비디오 컨트롤러가 필요하다. 프로그래머블 로직은 동일한 비디오 콘트롤러에서 여러 LCD 디스플레이를 지원할 수 있도록 , 즉 애플리케이션에 따른 다양한 FPGA 컨피규레이션 비트-스트림을 유연하게 제공한다.
폭넓은 솔루션
HMI 애플리케이션은 저가 자동 판매기와 같은 컨슈머 애플리케이션에서 복잡한 해양 산업 및 자동차 콘솔영역까지 확장되고 있다. FPGA는 80MHz의 비디오 클럭의 고성능, 고해상도의 WSXGA, 저가의 QVGA TFT를 구동하며, 작은 사이즈의 저가 FPGA 디바이스를 이용한 IP 빌딩 블럭을 지속적으로 지원하고 있다.
저가 프로세서에서의 개선된 그래픽들
HMI 애플리케이션은 디스플레이 콘트롤러를 이용하여 복잡한 그래픽 효과를 나타낼 수 있도록 다른 레이어 상에서 여러 프레임 버퍼 읽기, 하나의 이미지에 그것들을 블렌딩이 가능하도록 요구한다. 고가의 병렬 프로세서를 이용하여야만 했던 부분을 저가의 FPGA를 이용하여 구현할 수 있는 프로그래머블 로직 플랫폼이다.
그래픽 가속
고성능 HMI 애플리케이션은 고급 이미지를 합성 및 기본 BitBlt 에서 고급 포터-더프 알파 블렌딩(Porter-Duff alpha blending) 동작 등의 기능을 요구한다. FPGA기반의 가속 엔진은 쉽게 그래픽 가속 기능을 구현한다.
효율적인 설계 능력
프로그래머블 로직은 다양한 콘트롤 신호 타이밍과 다양한 컬러 비트 조직 변경, 클럭 주파수 변경, TTL혹은 LVDS와 같은 다양한 표준 디스플레이를 구동에 적용할 수 있고, 디스플레이 구동 신호 콘트롤을 완벽히 제어 할 수 있도록 디자인되어 있는 FPGA안의 프로그래머블 레지스터를 통하여 효과적인 디자인을 제공한다. FPGA는 TFT LCD 타이밍 콘트롤러(TCON)의 통합을 간단히 할 수 있고, 디스플레이 전원 인가과정과 나머지 아날로그 회로를 제어할 수 있다.
유연성 및 단종에 대한 대처
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HMI애플리케이션들은 프레임 버퍼 저장을 위한 외부 메모리 디바이스를 지원하기 위해 높은 대역폭 프레임 버퍼 메모리 콘트롤러에 의존된다. 프로그래머블 로직은 강력한 메모리 콘트롤러로 인하여 다양한 종류의 메모리 사용이 가능하며, FPGA 플랫폼을 이용함으로써 제조업체의 투자에 대한 보호가 가능하게 한다. 프로세서의 단종이란 부분은 프로그래머블 로직을 이용함으로써 제조업체의 투자 보호를 제공받을 수 있는 또 다른 영역이다. 유연성을 갖춘 FPGA는 사용자가 선택한 프로세서에 통합 및 변경을 쉽게 할 수 있도록 인터페이스를 USB,SPI 혹은 사용자 인터페이스를 통하여 구현될 수 있도록 한다.
그림 1은 일반적인 임베디드 디스플레이 제어 장치의 FPGA 구현을 보여준다.
FPGA경우에 임베디드 디스플레이 제어 디바이스는 호스트 시스템, 혹은 콘트롤 담당 프로세서와 디스플레이 출력을 위한 터치-스크린 LCD 패널과 통신한다. 디스플레이 페이지 저장과 리프레쉬를 위한 DDR 메모리와, 실시간 외부 비디오 오버레이를 위한 비디오 입력 스트림과 인터페이스 된다. 호스트 시스템은 상태를 감시하고 FPGA에 명령을 내린다. FPGA는 비디오 콘트롤, 그래픽 가속, 터치-스크린 인터페이스 콘트롤, 비디오 입력 스케일링, 크롭핑, 포지셔닝과 SPI를 통한 주변확장을 위해 개선된 기능을 구현할 수 있다.
FPGA를 이용한
디스플레이 임베디드 제어 애플리케이션
애플리케이션: 자동 판매기그래픽 사용자 인터페이스
자동판매기는 과거 수 년 동안에 많은 변화가 있어왔다. 전통적인 자동판매기 사용자 인터페이스는 저가의 문자 LCD 디스플레이와 전기식 푸쉬버튼을 기반으로 되어있었다. 새로운 세대의 혁신적인 자동판매기는 온-스크린 텍스트와 비디오 오버레이 기능이 갖추어진 컬러 디스플레이로 되어있다. 그것들은 광고차원에서 제품 정보를 보여주기 위한 터치스크린, 디스플레이 기능의 빌트인 LCD로 구현된다. 기기는 그래픽 사용자 인터페이스와 다양한 페이먼트(Payment) 시스템을 통합하기 위하여 진화를 거듭하고 있다.
이 애플리케이션 예는 따뜻한 음료를 위한 자동판매기제조를 이끌고 있는 유럽의 업체들에 의해 제조되고 있다. 제조업자는 제품 선택과 비디오 광고를 구성할 만한 혁신적이고 새로운 그래픽 LCD 터치스크린 HMI가 필요 했다.
요구 사항
애플리케이션은 터치 스크린 콘트롤러가 통합되고, 다양한 그래픽 해상도를 지원하는 폭넓은 범위의 터치스크린 TFT를 지원하는 프로그래머블 비디오 콘트롤러를 필요로 한다. 제조사들은 제품 광고를 위해 외부 마이크로콘트롤러와 오버레이 비디오에 의해 제어되는 OSD (On Screen Display)오버레이, 초기 Splash 이미지 렌디션, PIP(Picture in Picture)를 지원하는 저가의 임베디드 인터페이스를 필요로 한다.
FPGA 구현을 선택한 이유
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자판기 제조업체들은 저가의 문자기반, 텍스트 LCD디스플레이에서부터 비디오를 디스플레이 할 수 있는 커다란 사이즈의 TFT LCD스크린까지 제품 라인을 가질 수 있다. 전형적으로 단순 I/O와 페이먼트 시스템 인터페이스는 마이크로 콘트롤러 기반으로 되어 있다. 제조업체의 주요 문제는 모든 자판기, 모든 디스플레이 형태를 위해 동일한 콘트롤러를 유지해야 한다는 것이다. 그림 2는 제조업체의 전통적이고 개선된 디스플레이 인터페이스 요구사항을 설명해 놓았다.
이 경우에, 제조업체는 래티스 LCD-Pro 평가 킷과 그래픽 주변 기기를 구동하고, 자체 SPI 드라이버를 이용한 빠르게 개발하기 위해 FPGA기반의 레퍼런스 디자인을 이용했다. 비디오 콘트롤러는 저가의 TFT 16:9비율의 480 x 270픽셀을 구동하기 위해 사용되었다. A/D, DA 콘트롤러 IP는 저가의 4-와이어 아날로그 저항 터치 스크린 인터페이스를 이용하였다. 임베디드 NOR플래쉬는 비트맵 애플리케이션 그림과 프레임을 저장하기 위해 이용되었다. 저가의 SPI슬레이브 IP는 FPGA기반의 비디오 플랫폼과 임베디드 마이크로 콘트롤러를 인터페이스 한다. FPGA기반의 개선된 그래픽 가속기는 BitBlt 분할과 스크린상에 다른 위치에 비트맵을 재 생성하기 위해 이용되었다. 또한 BitBlt 기법은 임베디드 비트맵 애니메이션 광고를 생성할 수 있도록 이용되었다.
왜 비디오 컨트롤러가 통합된 마이크로 컨트롤러를
사용하지 않는가?
비디오 콘트롤러가 통합된 시스템-온-칩(SoC)의 주요 장점은 저가라는 점이다. 그러나, 다양한 TFT의 구동은 SoC상에서는 제공되지 않는다. 더욱이, 비디오 콘트롤러의 통합은 모든 LCD모듈에 적용될 수 없으며, 추가적인 로직이 필요하다. 레퍼런스로서 공급되는 애플리케이션 소프트웨어는 자주 변경 되어야 한다. 또한, SoC에 통합된 비디오 콘트롤러들은 제조업체의 광고 애니메이션 통합을 지원하기 위한 충분한 기능을 갖추지 못했다.
왜 인텔 아톰(Atom) 프로세서를 기반의
저렴한 PC를 사용하지 않는가?
임베디드 PC플랫폼은 제조업체에 의해 테스트를 거쳤다. 자판기 애플리케이션의 주요 요구사항은 광고 시스템을 위한 최적화된 성능과 최상의 지원이다. 인텔 아톰은 매우 고가의 플랫폼이다. 또한, 현재 임베디드 텍스트 디스플레이로 되어있는 제조업체 시스템 라인의 애플리케이션 소프트웨어를 완전히 교체되어야 한다. 임베디드 PC플랫폼들은 작은 TFT 디스플레이 구동에는 적절하지 않으며, 작은것에서부터 커다란 디스플레이가 갖추어진 시스템을 위한 유일한 표준 플랫폼으로 이용되는 것도 적절하지 않다. 또한, 전통적인 OS를 이용하는 x86플랫폼은 지속적으로 폭넓은 애플리케이션을 위한 소프트웨어의 공개가 고려 되어있지 않다.
이러한 예에서, 제조업체는 FPGA의 유연성과 성능을 이용하여 개선된 그래픽과 폭넓은 해상도, 여러 종류의 디스플레이의 지원이라는 엔지니어 목적과, FPGA내에 지적 재산(IP)의 이용한 최적의 가격과 적절한 시간에 시장 진입이라는 비즈니스 목적을 달성할 수 있었음을 볼 수 있다.
신속한 프로토 타입,
가속 제품 개발을 가능하게 하는 평가 플랫폼들
평가 플랫폼들은 임베디드 디스플레이 애플리케이션을 위한 디자이너 툴킷의 필요한 부분이 되고 있다. 오늘날 HMI시스템 디자이너는 개선된 터치 스크린 비디오 그래픽, 플러그-인 레퍼런스 디자인, 컬러 터치 스크린 디스플레이, 컬러 비디오 카메라, 전원 공급과 케이블이 완벽하게 평가 플랫폼에 포함되기를 원하고 있다. 레퍼런스 디자인을 이용하여, 디자이너는 모든 FPGA리소스에 접근 할 수 있기를 기대한다. 소프트웨어 지원 요구 사항은 마이크로 소프트 비주얼 스튜디오를 이용한 사용자 스크린 생성 지원을 포함하고 있으며, DirectDraw와 같은 툴들을 통하여 윈도우 CE와 같은 OS와 같이 동작할 수 있는 BitBlt 그래픽 오버레이드를 위한 지원등이 포함된다. 자판기 애플리케이션 예제로서 제조업체는 신속한 프로토 타입 및 가속 제품 개발을 위해 래티스 ECP2 FPGA를 기반으로 한 임베디드 디스플레이 평가 플랫폼과 래티스 LCD-Pro Advanced Video Graphics Controller를 이용할 수 있다.
요약
임베디드 디스플레이 애플리케이션들은 자동차 산업과 자판기 기계 환경과 같은 장기간의 라이프 사이클에 이용되는 다양한 디스플레이와 프로세서 지원 등이 요구되고 있다. 디자이너는 종종 저렴한 비용으로 하이-엔드 HMI 애플리케이션에 이르는 제품 라인을 요구한다. 프로그래머블 로직은 고가의 프로세서와 소프트웨어에 의존하지 않고서 정교한 임베디드 디스플레이 콘트롤 애플리케이션에서 요구되는 고성능 그래픽을 구현하기 위해 유연성을 제공한다. 모듈화 및 컨피규레이션 선택사항은 가격과 성능을 위한 효과적인 솔루션과 최적화를 가능하게 한다.
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