快速光柵器的製作方法

2023-08-11 10:41:21 1

專利名稱：快速光柵器的製作方法
技術領域：
本發明涉及將數位化數據轉換成用於顯示在光柵掃描裝置上的波
形圖像，更特別涉及一種快速光柵器(fast rasterizer),其允許以 類似於最快數據獲取率的速率顯示數據。
背景技術：
波形成像硬體已經變得越來越快，並且這種趨勢肯定會繼續。波形 成像的一種早期方案在光柵掃描顯示器的每個幀的期間產生單個波形 的圖像。數位化的數據保存在存儲器中，並對幀中的每條線重複讀出一 次。在每個像素時間，將該列的數位化數據與線號比較，並且該比較用 於確定是否要顯示點。標題為"Television Type Display System for Displaying Waveform of Time—Varying Signals ，， 的美國專利 No. 3786476描述了這種系統，其中可以顯示和滾動高達四個波形。對這
種方案的多種變化被用於填充缺失的垂直線以及縮放波形。在所有這些 方案中，波形更新率被限制到大約每幀一個波形或者大約每秒六十個。
當存儲器變得較便宜時，用存儲器來保存波形的光柵圖像。該存儲 器對每個幀讀出 一次，並且存儲器的內容被用於設置灰度級並指定像素 的色彩。 一開始微處理器構建波形圖像。這種方案看起來在標題為"High Sweep Rate Waveform Display Control for Digital Recording Waveform Devices"的美國專利No. 4134149中提到。後來，設計了定 制硬體，既用於將波形圖像放到存儲器中，也用於使得波形圖像隨時間 漸漸消失。標題為"Digitally Synthesized Gray Scale for Raster Scan Oscilloscope Displays"的美國專利No. 5254983描迷了這種4支術的一 種變體。
為了增加繪製波形圖像的速率， 一 些儀器包括很多組硬體。在 一 些 情況下，每組用於不同的信道，如標題為"Digital Oscilloscope Architecture for Signal Monitoring with Enhanced Duty Cycle" 的美國專利No. 5530454中的情況。在其它情況下，多組這種硬體與單個信道一起使用。宣稱有大約400000每秒的波形更新率。
數位化數據在樣本數量上的長度通常大大超過顯示器在像素列上 的寬度。為了減少波形繪製時間，設計了硬體來將數位化數據劃分成組， 並接著找到每一組中的最大值和最小值。這些值接著被用於繪製波形圖 像。這在標題為 "Method and Apparatus for Compacting Digital Time Series Data for Display on a Digital Oscilloscope"的美國專利 No. 5255365中有所說明。儘管顯示可能看起來不像在使用了所有的數據 的情況下那麼好，這種技術很大地減少了在記錄長度，即獲取的樣本的 數量很長時的繪製時間。另 一種減少波形繪製時間的技術是放棄部分數 據。這在標題為"Sparse Vector Rasterization"的美國專利No. 6104374 中有所描述。當繪製很多波形時，用戶可能不會注意到部分波形沒有被 如同當繪製很少波形時那麼詳細地繪製。
一種在保留所有數據的同時減少波形繪製時間的技術是，具有專用 的一列存儲器，該存儲器記錄顯示圖像中就一列中的每個像素的亮度。 從左到右， 一次一列繪製該顯示圖像。在處理一列之前，清除該專用存 儲器。接著一次一個樣本地處理該列的數位化數椐。在樣本點之間通過 遞增對應於該列中的各像素的存儲器元件來繪製線。遞增量可以根據每 條線的長度來變化，以便允許長的線看起來較暗淡。在處理該列的數據 之後，將存儲器內容轉移到保持存儲器。在此時刻，用於形成下一列的 圖像的過程開始。當在形成下一列圖像時，將保持存儲器與傳統光柵存 儲器結合來將最新列的圖像合併到之前繪製的波形圖像中。這在標題為 "Compression and Acquisition Count Optimization in a Digital Oscilloscope Variable Intensity Rasterizer"的美國專利No. 6278435 中有所描述。該技術的限制因素是合併新圖像和先前圖像所花費的時 間。為了減少合併的量，使用該技術來產生有很多並行波形的圖像。很 多波形的第一列的圖像在該專用存儲器中發展。該第一列圖像在生成第 二列時被合併到傳統光柵存儲器中。
不管使用上述哪種技術來使得波形成像更快，數字示波器獲取數據 的速率仍然比能夠顯示數據的速率快很多倍。例如，Beaverton， Oregon 的Tektronix公司製造的TDS1000數字示波器具有的波形顯示器中，最 快的水平軸為2. 5ns每刻度，而每個刻度具有二十五個像素列。跟上數 據獲取的波形繪製機必須每納秒繪製波形圖像的十個像素列。為了繪製波形圖像的一個納秒，必須在波形存儲器中設定至少十個像素。當波形 快速上升或者下降時必須設定甚至更多的像素。因為大部分存儲器裝置 具有的訪問時間超過一納秒，並且沒有存儲器允許在單個周期內訪問十 個獨立的位置，所以在 一納秒中繪製圖像的十個像素列是有挑戰性的。
期望的是一種更快的光柵器，使得以類似於最快數據獲取率的速率 顯示數椐成為可能。

發明內容
相應地，本發明提供一種快速光柵器，具有快速存儲器，該快速存
儲器具有用於接收數據的位設定埠 (bit-set port)，以及用於輸出 波形圖像的完全獨立的讀出和清除埠。該快速存儲器被組織為對應於 光柵顯示器裝置的行和列的行和列，每個存儲器位置或單元保存單個 位。快速存儲器被劃分為並行區段，從而每個時鐘周期可以寫入每個區 段的一列，使得每個時鐘周期將多個列寫入快速存儲器成為可能。每個 存儲器單元在該單元的行和列寫信號被斷言時被設定，並且在該單元的 行和列讀信號被斷言時被讀出並清除。使用溫度計代碼的行邏輯被用來 設定每個區段中所選擇的列的行線。
本發明的這些目標，優點和其它新穎特徵，從下面結合所附權利要 求和附圖一起閱讀的詳細描述中變得明顯。


圖1是用於根據本發明的用在快速光柵器中的快速存儲器的框圖。 圖2是根據本發明的快速存儲器的布局的示意圖。 圖3是根據本發明的快速存儲器的區段的示意圖。 圖4是根椐本發明的快速存儲器的一個區段的行邏輯的框圖視圖。 圖5是根據本發明的快速存儲器的存儲器單元的示意圖。 圖6是示出如何激活根據本發明的快速存儲器的行驅動的代表性示 意圖。
圖7是根據本發明的快速存儲器的列邏輯的框圖視圖。
具體實施例方式
本發明的核心是定製存儲器10,專門設計用於快速形成波形圖像。這種定製存儲器的實施可以使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術來 構建。定製存儲器10被構建為即使波形快速上升或下降時，也跟上現 代數字示波器的繪圖速率。
定製存儲器10的主要特徵是
該存儲器是雙埠存儲器，如圖1所示一兩個埠中的一個僅用 於將波形圖像放置到存儲器中並僅僅在存儲器中設定位，而另一個 埠用於讀取圖像以及清除該存儲器。
將該存儲器組織為對應於光柵顯示裝置上的行和列的行和列，如 圖2所示一每個存儲器位置或單元12對應於一像素並保存單個位， 從而波形由所設定的位指示，即，當存儲器的內容被讀取並與傳統 光柵存儲器中保存的數據組合時添加灰度級和色彩。
將該存儲器劃分為並行操作的區段，如圖3所示一每個區段具有 整個存儲器的一些列，即，對於十個區段，第一區段具有列0， 10， 20， 30,等，第二區段具有列l, 11, 21, 31等，從而在每個系統 時鐘上將十組數據發送到存儲器，並且一次在十列中設定位。在不 同的實施中可以選擇不同數量的列，更多的區段得到更快的操作， 代價是更多的電路。
.該存儲器的每個區段在每個存儲器周期繪製波形的一個垂直列一 行邏輯14與確定要繪製的開始和結束行號(或者最小和最大行號) 的傳統電路一起使用，如圖4所示。行邏輯14取這些值，並設置 從開始到結束值的所有這些行線，在行線和列線上都接收高信號的 存儲器單元被設定為高狀態，從而不管長度多少， 一次繪製一完整 的垂直線段。如圖4所示，當開始行值為四而結束行值為七時，在 一次操作中在列30中設定四個存儲器單元，而在同一時間在存儲 器IO的其它區段中繪製波形圖像的相鄰部分。 通過將這四個特徵組合到定製存儲器10中，有可能在一個存儲器 周期中繪製波形圖Y象的4艮多列。對於Beaverton, Oregon的Tektronix 公司製造的TDS2000型的數字示波器，最快的時間軸為2.5ns每刻度， 每個刻度二十五個像素列。為了以與獲取波形圖像的速率一樣的速率繪 制波形圖像，存儲器10可以被劃分為二十個區段，並以2ns時鐘周期 時間工作。
儘管快速定製存儲器10不容納灰度級，在顯示器裝置上呈現給用戶的波形圖像可以包含色彩和灰度級信息。波形圖像被周期性的從快速
定製存儲器io讀出。讀取與設定位不同步，並且不幹擾波形圖像的生
成。當讀出快速定製存儲器10時，將它與傳統波形圖像存儲器中保存
的灰度級和色彩信息組合。當新的要繪製的波形由於觸發率的原因而緩
慢地到達時，它們可以被從快速存儲器10中一次一個地提取，而灰度
級信息類似於傳統光柵器電路中的那些。當波形以非常快的速率到達
時，各組波形在被傳送到灰度級存儲器之前在快速存儲器10中取0R運 算到一起。
為了以不同的色彩繪製不同輸入信道的波形圖像，儀器的每個信道 都需要快速定製存儲器10。在每個信道使用兩個或更多並行操作的快速 存儲器10時，可以實現甚至更高的波形繪製速度。
讀取快速存儲器10的過程也清除該存儲器。偶爾地同一存儲器單 元12可以在同時祐z沒定和清除，這會導致位設定操作丟失，從而波形 上的點缺失。可以用類似於顯示器裝置的更新率的速率緩慢地讀取存儲 器10。另外可以偽隨機順序讀取存儲器10,使得很難在讀取序列和或 者繪製序列或者顯示器裝置的更新之間看到跳動。
圖5示出快速定製存儲器10的存儲器單元12。存儲器單元12具有 兩個背對背連接的反相器16, 18 在該實施例中用強n溝道和弱p溝道 電晶體構造反相器16， 18。下部的反相器18的輸出在寫行(write-row) 和寫歹'](write-column)信號都被斷言(asserted)以接通相應的晶體 管20和22時，被強制為低，電晶體20和22強於反相器的上拉電晶體。 這將上部的反相器16的輸出設定為"高"，使得存儲器單元12被設定。
通過將通常為高的npre信號短暫地變低，經由預充電電晶體28將 讀出線25預充電到邏輯"高"電平，讀出存儲器單元12的內容。在被 預充電之後，讀出線25在讀4亍(read—row)和讀歹寸(read—column )晶 體管24, 26都被接通時連接到存儲器單元12。如果存儲器單元12處於 "低"狀態，它使讀出線25變"低，，。否則讀出線25保持"高"。在 讀取存儲器單元12的狀態之後，通過在讀行和讀列信號保持被斷言 (asserted)的同時，對清除電晶體30斷言為零(ZERO)信號，來清 除存儲器單元。這將上部反相器16的輸出拉"低"，使得存儲器單元 12進入"低"狀態。
行邏輯14可以以不同的模式操作。在矢量模式中，快速存儲器10的每個區段的邏輯被給予了開始行號和結束行號。接著行邏輯14設置 以開始行開始並以結束行結束的所有行線。在峰值檢測模式中，行邏輯 14被給予最小行號和最大行號，並且行邏輯設置以最小行號開始併到達 最大行號的所有行線。在點模式中，行邏輯14被給予單個行號，並且 設置單條行線。 一種變化是省去了開始行或者結束行以便阻止每條垂直 線的相鄰結束點被繪製在相鄰的列中的矢量模式。
快速設置行線的基本方案使用將二進位數轉換成溫度計代碼的邏 輯。開始和結束，或者最小和最大值每個都被轉換成溫度計代碼。溫度 計代碼從水銀溫度計的行為而得名。溫度計代碼的輸出是N個邏輯信號， 其中N是存儲器中行的數量。這些邏輯輸出被從0到N-l編號。具有小 於輸入值的編號的邏輯輸出為"高"，具有大於或等於輸入值的編號的 邏輯輸出為"低"。兩個行值都被轉換成溫度計代碼，並且在兩個溫度 計代碼輸出之間放置XOR型門，以便響應一個輸出為"高"而另一個輸 出為"低"。X0R門產生的輸出接著被用於驅動存儲器IO的一個區段的 行線。有#>多類型的邏輯可以放在這兩個溫度計代碼之間來驅動行線，
在用於生成行驅動的一種類型的邏輯中，每個行驅動器32接收四 個輸入，兩個來自第一溫度計代碼，兩個來自第二溫度計代碼，如圖6 所示。如果來自第一溫度計代碼的兩個輸入為A和B，其中A更重要， 那麼行驅動器32的點模式邏輯為~A&B，使得行驅動器輸出在A為零而 B為一時為高。來自第二溫度計代碼的兩個輸入可以被標記為C和D, 其中C更重要。在圖6中，對於輸入3和5示出了兩個溫度計代碼。行 驅動器32的A， B， C和D項的位置在右側顯示。項~ A&B在第一4戈碼匹 配該行時為真，如該示例中所示。項 C&D在第二代碼匹配該行時為真。 項-A&C在矢量在該行處或者該行之下開始併到達該行之上時為真。項 B&~D在矢量在該行處或者該行之上開始併到達該行之下時為真。通過 用OR函數組合這三個項，(~A&B) I (~A&C) I (B&~D),該函數在上升 矢量經過該行或者下降矢量經過該行時或者矢量在該行中開始時的情 況下為真。這在繪製矢量時使用。當繪製min/max對時，使用所有四項 的0R。
在使用溫度計代碼作為輸入時，A, B， C和D的很多組合是非法的。 在繪製min/歸x對時假定最小值是第一輸入的其它組合是非法的。使用 這些"不考慮"條件來減少邏輯門的數量，下面的等式繪製兩個矢量，略去最終點，以及min/max對
Row—drive" ((A&D) | ( ~ B& ~ D) | (X& ~ B& ~ C);對於min/max X=0 並且對於矢量X - 1
在每個操作周期的開始，快速存儲器10將每個區段的兩個行值(最小 值和最大值或者開始和結束)加載到各寄存器。接著上述的邏輯斷言對 應於要在其中設置像素的各行的行線。
如上所述，快速存儲器10被劃分為區段並且每個區段包含多個像 素列。這些列中的每個包含邏輯，該邏輯斷言列線以便引起寫，即繪製 入存儲器IO。繪製的速率取決於水平軸的刻度而變化。儘管可以使用可 變的時鐘速率，但目前固定時鐘速率。利用固定的時鐘速率，根據實時 接收數據的速率控制快速光柵器寫。在最快的速率下每個區段在每個時 鍾周期寫 一 個列。在相對慢的速率下，區段寫使能 (section-write—enable)線控制哪些區萃殳寫，從而每個時鐘周期僅寫 一些區段。當數據速率匹配該固定時鐘速率時，每個時鐘周期僅寫一個 區段。在更慢的數據速率下，存在其中沒有數椐被寫入到區段中的時鐘 周期。對於被寫的每一列，快速存儲器10的該區段被發送行數據。圖7 表示典型的列邏輯。快速存儲器10的每個區段具有區段寫使能線。向 該區段的寫入僅在該線被斷言時發生，並且這些使能線被組織為區段寫 使能總線。第二總線，列寫使能(colunm-write-enable)總線，到達 快速存儲器10的所有區革殳。該總線包含連接到區段中的每一列的一條 線。該總線中的至多一條線在任何時間被斷言。快速存儲器10中每一 列的列邏輯被連接到來自第 一總線的一條線和來自第二總線的一條線。 AND門34僅當兩條線都被斷言時激活列邏輯陣列。AND門34的輸出被 連接到觸發器36的D輸入。觸發器36在快速存儲器10的每個時鐘周 期的開始被供給時鐘。當觸發器36在作為AND門34的"高"輸出的結 果而設定時，快速存儲器10的列線由觸發器36的Q輸出與時鐘經過反 相的版本的與運算(ANDing (38))而在接近時鐘周期末端時被斷言。 通過將列線的斷言延遲到時鐘周期末端，給予了行邏輯14時間來斷言 行線以及讓行線變得穩定。
如上面提到的，快速存儲器10的讀埠完全獨立於位設定埠。讀取快速存儲器10的一般方案包括在上面存儲器單元12的描述中。讀 取埠可以根據以哪種順序需要數據來以很多不同的方式構建。典型的 讀取邏輯可能把讀取線組織成列。從而可以讀出快速存儲器10的一個 完整行並且就在清除存儲器單元12之前被時鐘供給進觸發器。可以用 慢的速率讀快速存儲器，可能像每秒70次那樣慢 將存儲器內容合併 到包含灰度級和色彩信息的傳統光柵存儲器中，如上所迷。
從而本發明通過使用劃分為區段並且具有完全獨立於讀出和清除 埠的位設定埠的快速定製存儲器，提供了 一種快速光柵器。
權利要求
1. 一種快速光柵器，包括快速存儲器，具有用於接收數據和波形繪製命令的位設定埠，以及用於輸出波形圖像的完全獨立的讀出和清除埠，該快速存儲器具有對應於光柵顯示器裝置的行和列的多個存儲器單元，並且被劃分為多個區段，這些區段並行操作從而每個區段能夠在每個存儲器周期繪製一個垂直列，並且每個存儲器周期可以繪製多個列；耦接到位設定埠的行和列邏輯，用於設定快速存儲器中的行線作為數據的函數；耦接到完全獨立的讀出和清除埠的裝置，用於讀取波形圖像並清除存儲器單元。
2. —種快速光柵器的方法，包括步驟將光柵器存儲器劃分為多個區段，每個區段具有多個列，所述光柵 器存儲器具有位設定埠和獨立的讀出/清除埠 ，並具有對應於光柵 顯示器裝置的多個行和列；根據經由位設定埠獲取的數據，在每個時鐘周期上設定每個區段 的列的其中之一中的指定行，以形成波形圖像；以及獨立地從讀出/清除埠讀出並清除波形圖像，以便與之前的波形圖像組合來顯示在光柵顯示器裝置上。
全文摘要
一種快速光柵器使用快速存儲器，該快速存儲器具有用於接收數據的位設定埠，以及用於輸出波形圖像的完全獨立的讀出和清除埠。該快速存儲器被組織為對應於光柵顯示器裝置的行和列的行和列，每個存儲器位置或單元保存單個位。快速存儲器被劃分為多個並行區段，從而每個時鐘周期可以寫入每個區段的一列，使得每個時鐘周期將多個列寫入快速存儲器成為可能。每個存儲器單元在該單元的行和列寫信號被斷言時被設定，並且在該單元的行和列讀信號被斷言時被讀出並清除。使用溫度計代碼的行邏輯被用來設定每個區段中所選擇的列的行線。
文檔編號G09G5/00GK101416233SQ200780011829
公開日2009年4月22日 申請日期2007年3月26日 優先權日2006年3月29日
發明者S·薩利文, T·比爾 申請人:特克特朗尼克公司