高速鏈路設計難？利用HPM6750雙千兆以太網透傳實現LED大屏實時控制

LED大屏顯示系統利用發光二極管構成的點陣模塊或像素單元組成大面積顯示屏顯示字符、圖像等信息，具有低功耗、低成本、高亮度、長壽命、寬視角等優點，近年來隨著LED顯示技術的不斷更新，廣泛應用在各類媒體場合。

LED大屏由無數個LED RGB燈組成，通過實時控制每個LED RGB的亮度及色彩，來顯示不同的圖案。在LED大屏顯示應用中，傳統的核心控制芯片選擇可謂多種多樣，MCU、FPGA或PLD都可以被作為核心控制芯片來進行設計，實現的效果也是各有優劣。 在LED大屏顯示應用不斷拓展的同時，大屏顯示系統對刷新頻率和延遲也提出了更嚴苛的要求：

更高的刷新頻率：刷新頻率越高，顯示的圖像越穩定，眼睛感覺到疲勞可能性就越??；

更低的延遲：整個數據鏈路的延遲進一步降低，減少閃屏或卡頓。

為確保LED大屏高刷新頻率和低延遲，避免閃屏或卡頓的情況，就必須通過高速的鏈路來實時控制這些LED RGB燈。要實現更高刷新頻率、更低延遲的LED大屏系統系統設計，主控芯片的選擇非常關鍵。以MCU為核心的LED大屏顯示控制系統常常被詬病數據處理速度無法滿足實時性要求很高的場合，其實不然。 RISC-V內核的MCU，得益于RISC-V本身的簡潔性和模塊化設計，CPU能以更高的頻率運行，帶來更高的性能。因此，基于RISC-V的高主頻MCU能讓LED大屏顯示系統實現更高的驅動頻率及更高的實時性。HPM6750就是上海先楫半導體公司開發的采用RISC-V 內核、具有高主頻及創新總線架構的雙核高性能MCU。HPM6750擁有兩個完全獨立的CPU且主頻高達816MHz，模擬外設包括4組共32路精度達2.5ns的PWM、3個12位高速ADC以及1個16位高精度ADC，其性能在市場同類產品中居于領先水平。不僅如此，對于LED大屏顯示應用，高性能HPM6750能通過雙千兆以太網透傳的方案加雙核加持完美解決高速的鏈路設計。HPM6750支持2個以太網控制器ENET，支持標準以太網MAC，支持10/100/1000Mbps數據傳輸速率，支持RMII和RGMII模式的PHY，ENET以太網控制器自帶DMA，因此在數據接收和發送上CPU負載為0。HPM6750通過以太網控制器，將兩個PHY收到的以太網數據相互透傳，透傳速率達780Mb/s?；诟咝阅蹾PM6750的LED大屏顯示方案在對實時控制要求極高的應用中絲毫不遜色于FPGA方案，不僅成本更低而且進一步降低了開發難度。

< 解決方案分享>

先楫高性能MCU

LED大屏顯示雙千兆以太網透傳應用

案例為720P 1280x720分辨率的LED大屏顯示控制，也就是至少需要實時控制1280x720個LED RGB燈，調整亮度及色彩來顯示不同的圖案。為確保LED大屏高刷新率及低延遲，避免閃屏或卡頓的情況，就必須通過高速的鏈路來實時控制這1280x720個LED RGB燈。本案例使用兩個RTL8211 RGMII模式的千兆PHY。

通信框圖如下：

LED RGB燈需要通過特定的波形驅動，案例由UCS1903 LED驅動控制器驅動。UCS1903時序波形圖如下：

整體的應用方案使用高精定時器GPTMR+DMA+GPIO的方案來驅動LED。DMA:HPM6750支持2個DMA控制器：XDMA和HDMA，可以實現實時的外設寄存器和內存及內存之間的數據搬移。 支持DMA請求路由器(DMAMUX)。將來自各個外設模塊的DMA請求分配到16個輸出信號，作為XDMA和HDMA的DMA傳輸請求源。 DMAMUX 的輸出0-7連接到外設總線DMA控制器HDMA，DMAMUX的輸出8-15連接到系統總線DMA控制器XDMA。 用戶可以通過配置DMAMUX寄存器，把來自特定外設的DMA請求，連接到XDMA或者HDMA的各個通道。

DMA控制器支持8對請求-響應的握手信號，請求信號來自功能模塊并經由DMAMUX路由至DMA控制器，DMA控制器根據配置使用某個通道執行改請求，完成長度為SrcBurstSize的數據傳輸后發送響應信號給DMAMUX，完成硬件握手。

GPTMR:HPM6750支持11個通用定時器，每個通用定時器支持4個通道，每個通道支持32位計數器，重載寄存器和一個輸入捕獲/輸出比較通道，支持通用計時，輸入捕獲，輸出比較，PWM 生成，以及產生中斷和DMA請求。 其中：

8 個定時器位于系統電源域稱為通用定時器 GPTMR0～7

2 個定時器位于系統電源域的 CONN 子系統，稱為網絡定時器 NTMR0, NTMR1

1 個定時器位于電源管理域，稱為電源管理域定時器 PTMR。

GPIO:HPM6750支持2個GPIO控制器和2個快速GPIO控制器?？焖貵PIO控制器IO翻轉速率可達到主頻的一半400Mhz。GPIO控制器IO翻轉速率在10Mhz左右。 快速GPIO控制器FGPIO是CPU私有，外設無法直接訪問。

本案例中波形頻率是800khz，使用GPIO控制器速率完全足夠。

< 應用細節 >

為獲得高刷新幀率，結合HPM6750雙核加持，一個核專門用來觸發ENET DMA 做網絡數據透傳，另一個核用來解析、轉換、觸發HDMA，HDMA結合GPTMR拉取波形。故網絡透傳、數據轉換處理、拉取波形三者并發執行。 案例中使用HDMA和GPTMR硬件握手來驅動GPIO高低生成指定的波形，CPU完全不參與，CPU的工作僅僅是解析網絡數據包和觸發DMA，故CPU在波形產生上，負載為0。因為使用了HDMA訪問，因此要強調的是HDMA訪問地址必須連續，需要使用的PIN管腳必須是同一組管腳，如：PA0~31/PB0~31/PC0~31/PD0~31等。 LED控制器UCS1903波形周期為800Khz，即一個周期1250ns。一個周期分為5段，即GPTMR定時器的頻率為4x800Khz=4Mhz，每段1250/5=250ns（頻率及分段情況，根據實際項目調整）。1碼前4高后1低（高電平時長：250x4=1000ns）；0碼前2高后2低（高電平時長：250x2=500ns）。每路燈驅動點亮延時（每路第一個燈珠）在4ns左右，且完全的并發。

本方案最大支持32路，以32路計算占用RAM，4(32路32bit，4byte)×5(每個周期分為5段)×24(每個燈占用24個周期)×720(每路720個燈)為338k，。為提升執行速率，源數據建議放到DLM或SRAM中，SDRAM速率相對較慢，SRAM讀寫時間短，靜態功耗更低，總線利用率高，更適合性能要求較高的應用。

LED大屏幕刷新頻率（幀率）則和LED大屏分辨率以及LED燈組合方式相關。本案例為1280x720的分辨率，每路串聯720個燈驅動需耗時21.6ms(該耗時為UCS1903物理特性，和MCU性能無關)，需要1280/32=40個MCU通過千兆串聯。 一幀圖像的數據大小為1280x720x3(RGB三種顏色值)=2700KByte=21.1Mbit，HPM6750千兆透傳速率780Mb/s, 所以一幀圖片傳輸耗時27.05ms。 每幀數據解析后將32(每個32路)x720x3圖像數據轉換成指定格式并觸發HDMA，實測耗時26.03ms。 以上拉波形耗時21.6ms、網絡傳輸耗時27.05ms、數據轉換處理耗時26.03ms均為并行執行，故1280x720分辨率的刷新一幀耗時為27.05ms，刷新幀率36.97幀/s fps。

雙千兆以太網透傳速率實測可達780Mb/s，通過上面計算可以看到，HPM6750雙核加持下的高速鏈路完全能滿足實時控制需求，確保了LED大屏顯示的高刷新率及低延遲。

高性能驅動

HPM6750芯片介紹

HPM6750采用雙RISC-V內核，主頻達816MHz，憑借先楫半導體的創新總線架構、高效的L1緩存和本地存儲器，創下了高達9220CoreMark和高達4651 DMIPS 的MCU性能新紀錄。與ARM Cortex-M家族中性能領先的M7相比，HPM6750的 Coremark/MHz 跑分高出約10%。 除了高算力RISC-V CPU，HPM6700系列產品還創造性地整合了一系列高性能外設，包括支持2D圖形加速的顯示系統、高速USB、千兆以太網、CAN FD等通訊接口，高速12位和高精度16位模數轉換器，面向高性能電機控制和數字電源的運動控制系統。

欲了解更多HPM6750產品特點與應用案例，歡迎關注并推薦 “先楫半導體HPMicro” 及 “先楫芯上人”。

審核編輯 ：李倩