可穿戴設(shè)備的圖形庫(kù)和應(yīng)用由軟件控制，而硬件則由一個(gè)幀緩沖器控制，后者是一個(gè)連續(xù)高吞吐量?jī)?nèi)存。幀緩沖器中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)屏幕上的一個(gè)像素，像素強(qiáng)度由其電壓決定。

 

 

即使按照最保守的估計(jì)，到2020年，市場(chǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和可穿戴設(shè)備的需求將增長(zhǎng)三倍。這意味著全球?qū)⒂?00億件設(shè)備。這將催生對(duì)新一代顯示器驅(qū)動(dòng)器和幀緩沖器(一種與傳統(tǒng)顯示器中所使用的內(nèi)存不同的內(nèi)存)的需求。雖然嵌入式RAM能夠滿足初代可穿戴設(shè)備的需要，但當(dāng)今的高清和大型可穿戴顯示器需要大得多的幀緩沖內(nèi)存。這些要求不同于傳統(tǒng)的PC和電視顯示器，因?yàn)樗鼈兪褂秒姵毓╇?，能效是主要的設(shè)計(jì)約束條件。大多數(shù)最新的可穿戴設(shè)備將具備極高的空間效率和能效，以至于它們將能在充滿電后連續(xù)工作數(shù)天甚至數(shù)周，同時(shí)還能完成各種復(fù)雜的操作。這就是我們?yōu)楹涡枰乱淮@示其驅(qū)動(dòng)器的原因所在。

　　

為了了解可穿戴設(shè)備的幀緩沖器要求，讓我們首先研究一下圖形系統(tǒng)的架構(gòu)。每一個(gè)圖形系統(tǒng)都由三個(gè)組件構(gòu)成：硬件、圖形庫(kù)和一個(gè)使用它的應(yīng)用。

　　

圖形庫(kù)和應(yīng)用由軟件控制，而硬件則由一個(gè)幀緩沖器控制，后者是一個(gè)連續(xù)高吞吐量?jī)?nèi)存。幀緩沖器中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)屏幕上的一個(gè)像素。像素強(qiáng)度由其電壓決定。

　　

顯示器的分辨率由以下因素決定：

　　

掃描行數(shù)

每行的像素?cái)?shù)

每個(gè)像素的位數(shù)

　　

以1024x768 24位圖像為例，它是PC最常用的屏幕分辨率。

　　

1024 X 768 X 24 = 18.9Mb

 

這是幀緩沖器支持這種顯示器所需的最小容量。盡管如此，如果它是一個(gè)具備視頻功能的動(dòng)態(tài)顯示器，僅有一個(gè)這樣容量的內(nèi)存還不夠。這給幀緩沖器提出了吞吐量要求。

　　

對(duì)于上述分辨率下的一個(gè)每秒30幀(fps)的視頻而言，最大吞吐量是：18.9 x 30 = 566Mbps。

　　

如上所述，幀緩沖器中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)屏幕上的一個(gè)像素。對(duì)于一個(gè)n位彩色顯示器而言，n位中的每一位是一個(gè)單獨(dú)的位平面(例如，24位色有24個(gè)位平面)。N個(gè)存儲(chǔ)單元將存儲(chǔ)每個(gè)像素的狀態(tài)，來(lái)自每個(gè)n位平面的二進(jìn)制值被加載到存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)位置。最終的二進(jìn)制數(shù)被詮釋為0到2n – 1之間的一個(gè)強(qiáng)度值，然后被一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一個(gè)0到最大電壓之間的模擬電壓值，從而實(shí)現(xiàn)2n種強(qiáng)度。

　　

兩個(gè)因素決定了顯示器所使用的幀緩沖器類(lèi)型：容量和吞吐量。增加圖像的分辨率需要更大的內(nèi)存，而增加視頻的fps需要更高的吞吐量。有兩種方法滿足這個(gè)要求：增加幀緩沖器的容量和吞吐量，或者通過(guò)增加幀緩沖器的容量降低吞吐量(例如，將前者增加一倍，將后者減半)。通過(guò)增加幀緩沖器的容量(通常是在一個(gè)芯片中集成多個(gè)幀緩沖器)，我們能夠降低吞吐量，因?yàn)樾酒匦杞?jīng)歷的輸入-輸出周期減少了。例如，將容量增加一倍后，兩個(gè)幀可被同時(shí)存儲(chǔ)在一個(gè)緩沖器中，這意味著給定時(shí)間內(nèi)該緩沖器被調(diào)用/引用的次數(shù)減少了一半，因此實(shí)現(xiàn)了較低的吞吐量。因此，內(nèi)存分為兩類(lèi)：高密度和高吞吐量。這方面的內(nèi)容將在本文稍后討論。

 

 

仔細(xì)觀察Nvidia和AMD的最新一代計(jì)算機(jī)圖形處理器(GPU)的規(guī)格后，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)存容量大幅增加，通常達(dá)到數(shù)個(gè)GB。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)代GPU是為游戲和高清渲染應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，此外還有很多占用內(nèi)存空間的額外功能：MSAA(使用采樣頻率成倍增加緩沖器的容量)、預(yù)取、影子緩沖器、延遲渲染和特效。即使窗口滾動(dòng)等我們習(xí)以為常的功能也需要占用額外的緩沖空間。大多數(shù)游戲緩沖器采用三重緩沖(每個(gè)幀使用三個(gè)緩沖器)和HDR(正常的HDR深度是64位，而非24位)。很多這些高端GPU還支持多個(gè)高清顯示器，這意味著為每個(gè)顯示器內(nèi)置一個(gè)專(zhuān)用緩沖器。

　　

但是，由于它們的顯示器較小，大多數(shù)可穿戴設(shè)備和便攜設(shè)備還不需要這些功能。理想的方法是將MCU的嵌入式內(nèi)存資源用作幀緩沖器。它將擁有最高的吞吐量，而且最容易實(shí)現(xiàn)。但是，對(duì)于可穿戴設(shè)備中的新一代顯示器而言，大多數(shù)MCU的內(nèi)存還不夠。此外，日益增高的程序復(fù)雜性要求將更大的嵌入式內(nèi)存用作MCU的一級(jí)高速緩存。對(duì)于大多數(shù)當(dāng)代可穿戴設(shè)備而言，顯示器的分辨率為QVGA(Quarter Video Graphics Array-四分之一視頻圖形陣列)，而對(duì)于這些顯示器而言，以下規(guī)格將夠用：24位| 480*360 | 30fps。對(duì)于可穿戴設(shè)備的顯示器而言，它們意味著每英寸像素?cái)?shù)(ppi)達(dá)到300個(gè)。這種顯示器對(duì)內(nèi)存的要求是吞吐量為120 Mbps的4Mb內(nèi)存。但是， 未來(lái)的設(shè)備將配備分辨率高得多的顯示器，超過(guò)400 ppi，與眾多最新一代的手機(jī)相當(dāng)。對(duì)于尺寸相同的顯示器而言，日益增高的ppi意味著幀緩沖器的容量也要相應(yīng)增加。

 

如上所述，有兩種方法實(shí)現(xiàn)這個(gè)容量的幀緩沖器：吞吐量約為120 Mbps 的4Mb緩沖器或吞吐量約為30Mbps的16Mb緩沖器。在這兩種方法中，小容量緩沖器具備眾多好處-尺寸更小(芯片或CSP)、功耗更低、成本更低、選擇更多(隨著容量密度越來(lái)越大，廠商和產(chǎn)品種類(lèi)會(huì)越來(lái)越少)。對(duì)于可穿戴設(shè)備而言，尺寸、功耗和成本是所有設(shè)備組件的最重要的決定因素。

　　

應(yīng)用最廣泛的幀緩沖內(nèi)存是動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)，雖然常見(jiàn)的最高性能的內(nèi)存是靜態(tài)RAM(SRAM)。DRAM的功耗高于SRAM，吞吐量低于后者。雖然SRAM的性能極高，是最新一代便攜設(shè)備的理想選擇，但大多數(shù)電池支持型設(shè)備并未使用它們，這是因?yàn)镾RAM的產(chǎn)品種類(lèi)較少，僅有低密度產(chǎn)品，最大128Mb。SRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由6個(gè)晶體管構(gòu)成，而DRAM存儲(chǔ)單元由1個(gè)晶體管 + 1個(gè)電容器構(gòu)成。這就是SRAM在增加密度上受限的原因所在，而這已經(jīng)被證明是其最大的局限性。雖然SRAM因這個(gè)局限性未被應(yīng)用于傳統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備(PC、電視、手機(jī)等)，但考慮到可穿戴設(shè)備所需的幀緩沖內(nèi)存容量較小，SRAM對(duì)于可穿戴設(shè)備而言并非壞事。此外，在這些設(shè)備中，較高的性能(較高的吞吐量等同于較低的功耗)也是SRAM的一大優(yōu)勢(shì)。

　　

隨著對(duì)高性能尤其是低功耗的需求的歸來(lái)，曾被視為已絕跡的內(nèi)存類(lèi)型-SRAM-似乎要重振雄風(fēng)。您可以閱讀這篇文章 ，了解新一代可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的SRAM。文章闡述了SRAM超越幀緩沖的用途：從內(nèi)存擴(kuò)容到數(shù)據(jù)記錄。

　　

很多領(lǐng)先的SRAM廠商推出了一系列創(chuàng)新技術(shù)，主要是為了滿足可穿戴系統(tǒng)的需求：從更高的可靠性到新的封裝形式。在高清視頻錄制和處理領(lǐng)域，賽普拉斯也有一個(gè)不同凡反響的HD幀緩沖器系列。欲詳細(xì)了解幀緩沖內(nèi)存的配置和HD幀緩沖器系列，請(qǐng)參閱以下應(yīng)用指南：在視頻和成像應(yīng)用中使用高密度可編程FIFO。