基于国产GPU的作战指挥显示系统设计_王亚辉.pdf

基于国产 GPU 的作战指挥显示系统设计王亚辉张金伟房丽媛（西安工程大学电子信息学院，陕西 西安710048）田泽夏杰（集成电路与微系统设计航空科技重点实验，陕西 西安710068）Design of Combat Command Display System Based on Domestic GPU摘要：针对在军事、航空、航天领域中实现国产化的要求，给出了一个基于国产图形处理器、CPU、操作系统的全国产化作战指挥显示系统设计方案，在作战指挥显示系统中采用了图形处理器的并行加速技术，改善了作战指挥显示系统中战场态势信息实时显示效果不佳的状况，解决了在国防领域信息安全、关键技术封锁的问题。该系统在应用场景下进行测试，此方法加快了战场信息图形的绘制，达到战场态势信息实时显示的效果。关键词：作战指挥；显示系统；图形处理器；实时显示；国产化Abstract:Aiming at the requirements of localization in military,aviation and aerospace fields,this paper presents a de-sign scheme of fully localized combat command and display system based on domestic graphics processor,CPU and op-erating system.The parallel acceleration technology of graphics processor is used in the combat command and displaysystem,which improves the problem of poor real-time display of battlefield situation information in the combat commandand display system,and solves the problem of information security and key technology blockade in the field of national de-fense.The system is tested in the application scenario.This method speeds up the drawing of battlefield information graph-ics and achieves the effect of real-time display of battlefield situation information.Keywords:combat command,display system,graphics processor,real-time display,localization电子化指挥系统的主要任务是提高作战指挥人员对战场态势信息掌握的能力，对提高海、陆、空多兵种联合作战能力、减轻作战指挥人员的任务负荷发挥着重要的作用1。在电子化指挥显示控制系统中，图形处理器GPU（Graphic Processing Unit）属于核心器件之一。随着作战指挥显示的信息量不断增加，军标符号、多任务、数字地图等显示均对显示器的分辨率有很高的要求，为了便于解决显示信息量大的问题2，对GPU性能方面提出了更高的要求，要求在低功耗、高可靠性、高稳定性的作战指挥环境的条件下，达到更高性能的图形生成能力。1作战指挥显示系统需求分析信息技术的迅速发展，不断推进军事作战朝着智能化、综合化方向转变。未来军事作战指挥系统应用于多兵种联合作战3，要对更为庞大的信息进行处理，并要求信息精确化和实时可视化显示。这种多任务高度信息化的作战方式，给军事作战指挥显示系统提出了以下基本要求。1）实时显示需求。作战指挥人员要求能够以直观易懂的方式将相关信息在液晶显示器上自动实时地显示。作战指挥显示系统需具有实时显示的能力，在海、陆、空多兵种联合作战背景下，需要在同一显示器上实时显示不同的画面的要求4。满足陆战、海战、空战等各类作战样式的表现与复杂战争形态的显示。比如在侦查阶段时，显示作战指挥人员需要实时查看的位置信息和相关状态参数；在攻击作战阶段时，显示作战指挥人员需要实时查看的目标和武器装备信息5。作战指挥显示系统的实时显示性有利于作战指挥人员更好地掌握战场态势信息，有助于作战指挥人员对战场态势进行分析6。2）国产化装备需求。进口国外芯片内常常预留隐患，GPU作为计算机系统中的核心器件之一，当前从设计至芯片生产制造，所涉及到的核心技术皆由国外掌控；而GPU芯片同其它芯片不同，具有更大的规模，在超大规模电路中，更容易预留隐患7。若在GPU预留隐患，将产生无法想象的后果。针对进口芯片存在的安全隐患问题，本文介绍的作战指挥显示系统采用西安翔腾微电子自主研发的HKM9000图形处理器芯片，能够满足军用图形处理器高保障性、高安全性的要求，可以实现军事作战指挥显示系统国产化。2系统总体方案与硬件模块设计2.1系统总体设计根据作战指挥显示系统的功能要求，本系统方案设计采用国产CPU、GPU以及国产操作系统。CPU主要是接受外部数据，并把字符图形的数据和控制指令通过PCIe总线传送到PCIe转PCI桥片。PCIe转PCI桥片输出的数据通过PCI总线传输至HKM9000，HKM9000主要是完成图形绘制。图形绘制完成后将图形数据传送至复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Pro-grammable Logic Device），CPLD主要是将HKM9000输出的图形数据扩展为三路图形数据输出。系统设计总体框图如图1所示：图1系统设计总体框图2.2 DVI视频输入接口电路设计DVI视频解码芯片采用成都国腾电子技术型号为GM7501，该芯片输出最高像素时钟速率可达165 MHz，支持UXGA分辨率，TMDS串行比特率高达1.65 Gb/s。此外，该芯片内部采用4倍过采样技术，能够实现TMDS高速数据的解码以及通道间同基于国产GPU的作战指挥显示系统设计44工业控制计算机2023年第36卷第2期步。GM7501解码芯片电路设计如图2所示。在电路设计中考虑到信号完整性的问题，对GM7501解码芯片的每个电源引脚进行退耦电容设计，退耦电容设计能有效防止电路中因电源形成的正反馈通路而导致寄生振荡，并有效降低电源噪声对传输信号造成的影响。GM7501输入3路RX+/-和1路RXC+/-是经串/并转换的4路TMDS信号，其中3路RX+需接2 k的下拉电阻，使容性负载减少。输出信号包含24位像素信号QE23:0，行/场同步信号（HSYNC/VSYNC）、像素时钟信号ODCK、像素有效信号DE以及同步检测信号SCDT。HKM9000芯片根据检测DE信号的状态变化来决定是否激活链路。为了能够使芯片自动依据TMDS链路激活状态的变化来控制输出驱动器的电源供给，将GM7501芯片的SCDT引脚直接与输出驱动器电源管理引脚（PDO）相接。图2GM7501解码芯片电路设计2.3视频输出显示模块该作战指挥显示系统的显示终端采用液晶显示器。HKM9000输出的一路视频数字信号需传送到CPLD，通过CPLD将一路视频数字信号扩展为三路视频数字信号输出。由于液晶显示器无法对CPLD输出的视频数字信号直接进行处理，考虑到在长距离传输过程中并行的数字信号容易受到干扰，需将CPLD输出的数字信号通过编码器进行相应的调整。同时考虑到LCD显示器的接口种类多，需要适应不同显示器的接口并提供三路输出显示，用来提高系统的可靠性，CPLD输出的其中一路数字信号通过TFP410芯片将并行数字信号转换为差分数字信号，经DVI接口输出到显示器；CPLD输出的另一路数字信号通过THC63LVD827芯片将并行数字信号转换为双通道差分数据信号，经LVDS接口输出至显示器；CPLD输出的最后一路数字信号先通过THC63LVD827芯片将并行的数字信号转换为串行LVDS数据流，然后再通过DS90UB947芯片将数据进行相应的变换后，经FPD-Link III接口输出到显示器。HKM9000与显示器两者之间信号的传输路径如图3所示：图3HKM9000与显示器之间信号路径根据系统设计要求，实现3路不同接口视频显示，本文只介绍FPD-Link III接口。采用DS90UB947编码芯片，该芯片最高可支持1080p60和WUXGA分辨率，在双链路状态下输出像素时钟可达170 MHz。其中，将THC63LVD827编码芯片输出的差分信号作为DS90UB947编码芯片的输入信号，考虑到信号在传输过程中阻抗不匹配造成信号反射的问题，电路设计时需通过串联100 电阻进行阻抗匹配。输出为两路差分信号，每路差分信号需串联一个33 nF的电容和一个100 电阻提高传输信号质量，输出至显示器。DS90UB947编码芯片电路设计如图4所示：图4DS90UB947编码芯片电路设计3系统软件设计3.1国产化操作系统软件设计显示控制单元系统软件主要是由操作系统、HKM9000驱动、上层应用软件组成。操作系统可支持SylixOS、天脉2、Re-Works。图5为HKM9000驱动软件架构图：图5驱动软件架构图3.2作战信息处理与显示设计GPU加速图形处理流程如图6所示，首先将获取的战场态势信息数据进行分析，并将处理后的信息发送至主程序；主程序将协调各个数据模块加载需要显示的地理信息数据、军标符号数据以及纹理数据；主程序调用数据预处理模块，主要是将数据转化为GPU能够计算的数据形式，同时对转换完成后的数据依45（上接第43页）调机组供电、电源故障检测、漏电流检测等各项功能运行正常。人机交互部分的触摸显示屏在实际应用中，关键电气参数内容显示清晰，故障查询功能极大地方便了售后服务人员，获得了用户好评。4结束语根据实际项目需求，本文设计了一款基于ARM高性能嵌入式控制器的古巴车供电控制器，实现了列车的自动供电控制、故障保护、漏电流检测、人机交互、数据数据和下载等功能，相比传统的供电控制系统功能更加丰富实用，能够满足用户更多个性化的需求。经过实验和实际装车运行，古巴车项目供电控制器运行稳定，满足设计要求。参考文献1宋海峰.基于嵌入式系统的新型牵引供电系统监控装置研究D.北京：北京交通大学，20102许畅.信息化智能供电设备嵌入式软件设计与实现D.成都：电子科技大学，20203崔鹏伟，闫学文.基于SD卡的FATFS文件系统的研究与应用J.工业控制计算机，2013，26（11）：141-1424吴向臣，吴茂林.ARM+FPGA设备的人机界面数据交互设计与实现J.微型机与应用，2015，34（9）：89-91，95收稿日期：2022-08-08照数据的特点将计算数据进行划分；主程序将划分好的数据发送到显存中，从而将显存中的数据进行更新，并调用GPU加速图形数据的计算；GPU将对显存中的数据进行裁剪、坐标转换、缩放、光栅着色处理，并对处理完成的图形数据送至内存中；最后在画面中显示，从而实现战场状态的实时显示。3.3图形及字符显示优化设计在电子化指挥显示系统中，需要显示的信息包含信息仪表、军标符号及字符等内容。存在绘制完成后的图形变形的问题，比如在绘制直线时，绘制的结果出现锯齿形。这不利于作战指挥人员做出合理的判断，尤其是在特殊军标符号绘制出现变形时，将导致作战指挥人员误判。字符绘制是HKM9000驱动软件使用FreeType的标准字库，TreeType能够将TrueType库中的汉字信息转化为像素图，但存在显示字符速率慢的问题，造成实时显示性能降低。采用面积采样法对绘制基本图元进行优化，面积采样法是考虑显示器的像素点实际上并不是一个点，而是具有一定大小的图形。从而单像素在采集连续画面时，不仅只采集一个点，而是采集该像素范围内所有点的均值。这样可以将每个像素范围内的画面信息包含在内，避免因分辨率低导