在现代航空领域中，机载座舱显示系统扮演着至关重要的角色。随着飞机航电系统的日益复杂，飞行员需要获取的信息量也在不断增加，这对机载座舱显示系统的信息处理能力、数据传输速率、系统稳定性以及数据存储量等方面提出了更高的要求。为了应对这些挑战，基于国产GPU的机载座舱显示系统的设计与实现成为了一个重要的研究方向。
### 系统总体设计方案
#### 系统设计架构
系统采用“国产GPU+国产CPU+国产操作系统”的整体方案。在这一架构中，国产图形处理器（GPU）作为核心器件，负责视频生成、图形参数计算及显示等功能；国产CPU则作为控制处理器，负责数据处理、逻辑判断等操作。为了将最终数据呈现给飞行员，系统采用了LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低电压差分信号）编码格式进行视频输出。
具体来说，外部数据信息通过标准的总线协议传送给复旦微SoC可编程逻辑单元，然后通过可编程融合芯片内部的多个数据接口和互连控制信号将数据发送给CPU芯片的处理器系统。处理器系统对数据进行逻辑判断和预处理后，通过PCI总线将数据写入到图形处理芯片HKM9000中。HKM9000由西安翔腾微电子有限公司开发，采用全自主正向设计，能够实现3D图形处理器硬件加速功能。
HKM9000生成的像素数据通过一路的视频输出接口传送给CPU的可编程逻辑单元，转换成双像素的RGB信号。随后，这些RGB数据信号经过编码芯片编码成LVDS格式，最终传送到液晶显示屏完成视频显示。CPU选用的型号为FMQL45T900，由上海复旦微电子有限公司开发，内部集成了四核处理器系统（PS）和可编程逻辑（PL）。
#### 电源模块硬件设计
在电源模块硬件设计中，系统采用了LTM4644电源芯片为FMQL45T900和HKM9000芯片供电。LTM4644可实现4~14V的电压输入和0.6~5.5V的电压输出，提供4通道4A连续输出电流。电源芯片内部PWM控制器将0.6V的参考电压连接到FB引脚，同时Vout引脚通过内部60.4kΩ的电阻连接到FB引脚。不同的输出电压可以通过在FB和GND引脚之间的电阻来实现。
HKM9000的内核供电电压为1.2V，外部I/O电压为3.3V，外接DDR2接口电压为1.8V；复旦微SoC则需要3.3V、1.0V、1.5V和1.8V的供电电压。鉴于HKM9000和FMQL45T900内核供电需要较大的驱动电流，在设计电源芯片外部电路时，通过两路Vout引脚并联来实现8A电流输出，以满足芯片的供电需求。
#### 视频输出模块
视频输出模块的设计采用了LVDS制式视频的输出显示。LVDS接口采用高速串行差分协议，能够充分满足高速传输的需求。图形处理芯片HKM9000输出一路单像素RGB信号，通过CPU的可编程逻辑单元生成双像素的RBG信号。由于GPU与CPU的可编程逻辑单元的电压不匹配，此处采用了4位双电源总线收发器SN74AVC4T245芯片实现电压电平转换，将GPU输出的3.3V电压转换为CPU能够接收的1.5V电压。
LVDS输出电路采用了DS90C387芯片，将48位的双像素RGB信号通过编码芯片转换成8对LVDS低压差分信号数据流。复旦微SoC的PL端输出112MHz的时钟频率到编码芯片CLKIN引脚，通过芯片内部的锁相回路统一整合时钟信号，实现数据672Mbit/s的传输速率。在锁相环电路的电源引脚和LVDS输出电源引脚分别接两个磁珠L1和L2，主要用来抑制外部输入的3.3V电源线上的高频噪声和尖峰干扰，起到隔离的作用。同时，在电源和地之间并接0.1μF、10μF和100μF的电容，防止由于电源内阻形成正反馈而引起的寄生震荡。
#### 存储模块
机载座舱系统中需要处理的数据信息较多，并且对显示画面的清晰度和实时性有较高的要求。因此，在输出过程中采用了缓存机制。本系统的数据缓存由处理器PL端外挂的两片DDR3 SDRAM芯片实现，芯片存储容量为512MB。可编程逻辑单元对DDR3读写频率为667MHz。系统输出的显示分辨率为1600×1200像素，每个像素点占3个字节（RGB信号各占一个字节），故显示一幅图像约为5.6MB。通过计算，DDR3存储器的传输速率约为238帧/秒，远超显示器的刷新频率。
由于机载画面视频数据流数据量大、对实时性要求高，为满足设计要求，存储模块采用了2片DDR3存储器进行乒乓读写。采用乒乓RAM结构进行数据的读取是将CPU输出像素数据通过输入数据选择单元实时地将数据流分配到两个RAM缓冲区，通过两个RAM进行数据读和写的切换，实现数据的流水式传输。相对于双口RAM结构和高速FIFO结构，乒乓读写操作更适合大数据缓冲存储，有效保障了机载显示系统数据缓存机制的流畅性。
### 软件设计
为了满足航空装备国产化的需求，本次设计的机载座舱显示系统硬件平台适配了国产天脉操作系统。天脉操作系统是中航工业西安航空计算所研发的针对航空领域的嵌入式实时操作系统，可用来实现系统的任务调度、时间管理、内存管理等功能。
模块支持层主要是将座舱显示系统的硬件电路抽象化，通过模块支持层实现操作系统对底层硬件资源的访问。机载显示控制系统中OpenGL图形编程接口由HKM9000驱动程序提供，满足接口规范的基本要求。HKM9000硬件访问为复旦微SoC在标准PCI操作API下对HKM9000的硬件访问提供支持，包括HKM9000存在性检测、HKM9000 PCI配置检测、HKM9000寄存器访问和硬件初始化等功能。操作系统访问层封装了驱动程序软件中与操作系统相关的API，驱动程序可以通过访问层使用操作系统相关的功能。
### 国产GPU的优势与挑战
基于国产GPU的机载座舱显示系统设计与实现不仅提升了系统的性能，还在一定程度上推动了国产GPU产业的发展。国产GPU在自主知识产权、政策支持和市场需求方面具有显著优势。然而，与国际品牌如英伟达、AMD等相比，国产GPU在性能、生态系统建设和品牌影响力等方面仍存在一定的差距。
首先，国产GPU拥有完全自主知识产权，这有助于打破国外产品在中国市场的长期垄断，促进国内集成电路产业的发展和自主创新。同时，国产GPU的发展受到国家政策的鼓励和支持，为产业的快速发展提供了有力保障。随着国内对高性能计算和AI推理需求的增长，国产GPU拥有庞大的潜在市场和应用场景。
然而，国产GPU在性能上与国际品牌相比仍存在一定的差距，尤其是在高端GPU市场。此外，国际品牌如英伟达拥有成熟的生态系统，包括广泛的开发者社区、丰富的软件支持和优化的工具链，而国产GPU在这方面还在建设中。因此，在推动国产GPU产业发展的过程中，需要不断加强技术研发和生态建设，提升产品的性能和竞争力。
### 结论
基于国产GPU的机载座舱显示系统设计与实现是现代航空领域中的一项重要技术创新。通过采用国产GPU作为核心器件，结合国产CPU和操作系统，系统实现了高性能的视频生成、图形参数计算及显示等功能。同时，通过优化电源模块、视频输出模块和存储模块等硬件设计，以及适配国产操作系统和提供OpenGL图形编程接口等软件设计，系统满足了飞行员对信息交互能力、芯片处理速度、系统可靠性等方面的高要求。
然而，国产GPU产业的发展仍面临诸多挑战。为了提升国产GPU的竞争力，需要不断加强技术研发和生态建设，推动产品性能的提升和生态系统的完善。同时，还需要加强市场推广和品牌建设，提高国产GPU的市场认可度和品牌影响力。
总之，基于国产GPU的机载座舱显示系统设计与实现为国产GPU产业的发展提供了有力支持，也为现代航空领域的技术创新注入了新的活力。未来，随着技术的不断进步和市场的扩大，国产GPU有望在更多领域实现突破和发展，为国家的科技创新和产业升级做出更大的贡献。
