1. 引言
如今，LCD 显示器已经广泛出现在家庭、工作场所、汽车、超市、体育馆甚至野外旅行等场合。并非所有具有 LCD 显示器的设备都需要很强大的智能来显示信息（例如电话座机），但能够显示复杂图形和视频的系统日益增多。
显示设备价格的下降以及用户对产品附加特性和功能的期望不断提升，进一步推动了 LCD 显示器市场的发展。运输、汽车、信息、自动控制、医疗及工业领域的公司和消费电子市场都需要广泛使用显示产品。
个人计算机和消费市场是显示系统最大的用户。不过，嵌入式市场具有一些 PC 和消费电子市场所没有的特殊要求。这些要求包括较长的产品制造周期、通用系统总线接口以及能够灵活适应于新标准和显示器类型。
2. 典型的图像系统
图 1 是一个典型的图像或视频控制器系统实例。图左侧是一些可以驱动图像系统的不同输入信号。这个例子包括一个 7:1 LVDS 或 Channel Link 信号、SMPTE 输入信号、接口总线和 NTSC/PAL 视频解码器。
当信号进入系统，就由通用处理器对信号进行处理，或者根据所采用的架构直接发送至图像处理器。此外，系统采用闪存存储程序，采用 SDRAM 存储页面和视频信息。
图像处理器可能采用 ASSP、ASIC 或 FPGA。如图 1 所示，系统中可能会有多个显示器，此时需要额外的逻辑来管理信号以便为每个显示器提供支持。
当开发人员尝试着将 ASSP 图形控制器加入嵌入式设计时，通常会遇到一些问题。这些问题包括：在遗留系统中（legacy system）可支持的最新或衍生的视频和图像标准，硬连线 ASSP 或 ASIC 器件却不能支持。由于分辨率、屏幕长宽比和显示器信号接口的不同，硬连线系统难以适应不同的显示器类型。PC 和消费电子产品的生命周期很短，而嵌入式市场却需要进行长期的生产和技术支持，因而无法忍受产品生命周期结束带来的压力。大多数 ASSP 器件具有标准的 PC 总线接口，如 AGP、PCI 和 PCIexpress。但对于嵌入式设计者而言遗憾的是，他们所开发的很多系统没有这些总线接口。
虽然每个 ASIC 器件的价格非常低，但开发费用却很昂贵。单是掩膜的费用要数百万美元，如果需要更改设计以支持新的标准，还将再次产生掩膜费用。
3. FPGA 图像系统
利用 FPGA 的通用性和已经商用的知识产权（IP），就可以集成几乎所有图像系统的功能。视频控制器、RISC 处理器、显示接口、总线标准和不同的视频输入标准都可以包含在一个器件中。
图 2 是一个采用 FPGA 的高度集成的图像解决方案。Channel Link 和 SMPTE 接口在 FPGA 的 I/O 结构中进行处理。RISC 处理器采用基于 IP 的 32 位软处理器核形式。用图像/视频 IP 核以及内置的触摸输入、LCD 背光控制、存储器控制器和多个显示器完成这个设计。将所有的功能集成在 FPGA 中可大幅减少设计所需的器件数目。通过采用带有内置单芯片引导闪存（boot Flash）的 FPGA 则还可以减少一个器件。

图 2：一个集成的图像解决方案。

采用 FPGA 器件进行嵌入式图像设计缓解了采用 ASSP 和 ASIC 器件时遇到的相关问题。利用 FPGA 可以更容易地开发模块化设计，它提供了根据系统成本和功能需求集成不同 IP 块的灵活性。FPGA 使得设计更加集成化，这可以减少电路板面积和器件数目。较长寿命确保 FPGA 器件能够在产品的使用期限内都保持正常工作。大多数 FPGA 是现场可升级的（有些器件甚至能在工作时升级），这使得系统更易于升级以支持新的标准和功能。
面向 FPGA 的标准视频和图像 IP 提供了经测试和验证的设计，这些设计易于集成为一个图像解决方案。利用打包的 IP 解决方案还能加速系统开发，使工程师能够专注于应用开发而不是底层的接口和图像引擎。模块化的图像 IP 核允许在视频控制器内开发和加入定制的图像加速器。采用这种方式，可以针对目标系统调整和优化图像性能。
图 3 所示的智能家用自动调温器展示了一个在智能家庭应用中运用图像系统的实例。基于闪存的 FPGA 具有面向图像控制器的标准 IP，以及用于和家庭中其它设备进行通信的有线和无线接口。LCD 显示器可用来显示温度的发展趋势、从远距离室内和室外温度计获取的温度，以及从网络安全摄像头获取的视频反馈。
FPGA 可提供多种功能来实现优化的总线和总线标准。这使得系统架构师能够采用最合适的接口来设计整个系统，从而使设计工程师无需再针对特殊的图像处理器接口或总线进行设计。采用 FPGA 让系统设计师能够完全控制系统接口，即可以优化整体设计以支持实时控制和显示系统，这些系统在处理视频流时不会对性能造成任何影响。
此外，FPGA 制造商可支持在相同尺寸封装下的密度迁移（density migration）。这样就可以在功能增加时在设计中加入更多的逻辑，或者因为功能减少而采用较少的逻辑，同时不会影响 PCB 布线。密度迁移特性有助于在开发、生产、维护和支持工作中节省成本。
4. FPGA 为未来产品提供灵活性
采用 FPGA 器件构建视频和图像控制器正在使图像显示技术进入越来越多的嵌入式应用。通过采用与 PC 无关的视频产品，嵌入式市场有望进一步延长产品的生命周期，而目前这些产品的生命周期通常只有 2 到 3 年。过去设计者认为在嵌入式系统中采用 FPGA 价格太高。但到了现在，低成本且具有更多功能的 FPGA 是其它图像解决方案强有力的竞争者。