Deep Dive: Die heterogene Grafik-Pipeline des i.MX RT1170 MCUs

Untersuchung der heterogenen Grafik-Pipeline des i.MX RT1170 MCUs mit ihren drei Kern-Beschleunigungs-Engines

Embedded-Geräte bieten heute eine wachsende Palette fortschrittlicher Funktionen, doch Designer stehen vor der Herausforderung, eine polierte, intuitive Benutzererfahrung zu liefern, ohne Nutzer mit Komplexität zu überfordern.

Smartphone-artige grafische Benutzeroberflächen bieten eine überzeugende Alternative zu mechanischen Bedienelementen, liefern reichhaltige Visualisierungen und interaktives Feedback. NXP befähigt Entwickler, solche Oberflächen zu schaffen, indem Display-Controller und Grafikbeschleuniger direkt in den i.MX RT1170 Crossover-MCU integriert werden.

Abbildung 1. Der i.MX RT1170 MCU

Die drei Display-Engines des i.MX RT1170

Der i.MX RT1170 geht über einen traditionellen MCU hinaus, indem er eine 2D-Vektorgrafik-GPU, einen Pixel-Processing-Pipeline (PxP)-Beschleuniger und einen LCDIFV2-Display-Controller bündelt. Jede Engine zielt auf spezifische visuelle Aufgaben ab, sodass Designer schwere Arbeit vom Cortex-M7-Kern abladen können.

Die 2D-Vektorgrafik-GPU

Im Gegensatz zu pixelbasierter Grafik, die einzelne Pixel auf eine feste Auflösung abbildet, beschreiben Vektorgrafiken Formen durch mathematische Kommandos wie moveTo, lineTo und curveTo. Diese Abstraktion erlaubt Skalierung, Rotation oder Transformation ohne Qualitätsverlust – ideal für UI-Elemente, Icons und Logos.

Die GPU des i.MX RT1170 unterstützt Echtzeit-Vektorrendering, einschließlich affiner Transformationen (Translation, Rotation, Skalierung), Farbkonvertierung und Bildmanipulation. Durch Hardware-Bearbeitung dieser Operationen spart der MCU Strom und entlastet die CPU für Applikationslogik.

Das Rendern eines Vektorbildes erfordert ein Render-Target (Framebuffer), Pfaddaten (Geometrie-Kommandos), Füllinformationen (Regeln, welche Pixel innerhalb einer Form gefärbt werden), Transformationsdaten (Matrizen für geometrische Änderungen), Farbeinstellungen und Blend-Regeln, die steuern, wie Ebenen zusammengeführt werden. Details zur API-Nutzung finden Sie in AN13075.

Abbildung 2. Rendern von Vektorbildern erfordert typischerweise Render-Target, Pfaddaten, Füllinformationen, Transformationsdaten, Farbinformationen und Blend-Regeln.

Die Füllregel bestimmt, wie sich überlappende Pfade füllen. Zwei gängige Regeln sind Non-Zero und Even-Odd. Die Non-Zero-Regel wirft einen Strahl vom Punkt ins Unendliche, zählt Schnittpunkte mit Pfadsegmenten und addiert/subtrahiert basierend auf Richtung. Die Even-Odd-Regel zählt lediglich Schnittpunkte, unabhängig von Richtung, und füllt, wenn die Anzahl ungerade ist.

Affine Transformationen werden über 3×3-Matrizen gehandhabt, die Translation, Rotation, Skalierung und Scherung kodieren. Die GPU wendet diese Matrizen auf jeden Vertex vor der Rasterisierung an.

Abbildung 3. Transformation wird durch Manipulation von Matrizen für verschiedene Operationen durchgeführt. Beim Zeichnen von Formen weisen Programmierer jedem Pfad Farbinformationen zu.

Die Blend-Regel definiert, wie der Alpha-Kanal eines Quellpfads mit dem Ziel-Framebuffer kombiniert wird. Die VGLite-API implementiert eine Suite von Blend-Modi (z. B. Source-Over, Destination-Over, Additive) und ist in AN13075 vollständig dokumentiert. VGLite bietet auch eine Raster-Pipeline für Bitmap-Bilder.

Der PxP 2D-Beschleuniger

Die PxP-Engine ist ein vielseitiger 2D-Beschleuniger für Blitting, Alpha-Blending, Farbraumkonvertierung, Rotation und Skalierung. Durch Delegierung dieser Tasks an PxP vermeiden Entwickler CPU-basierte Loops und erreichen flüssigere Framerates.

Ein häufiger Use Case ist das Compositing eines Hintergrund-Buffers mit UI-Overlays, jeweils in unterschiedlichen Auflösungen. PxP kann diese Layer in einem einzigen Pass skalieren und blenden. AN12110 bietet ein umfassendes Beispiel, wo PxP einen internen Buffer auf die native LCD-Auflösung skaliert.

Das Auslagern routinemäßiger 2D-Operationen auf PxP entlastet den Cortex-M7-Kern für Applikationslogik, reduziert Latenz und Stromverbrauch – Schlüsselmetriken bei batteriebetriebenen Produkten.

Der LCDIFV2 Display-Controller

Der LCDIFV2-Controller abstrahiert den Transfer von Framebuffer-Daten auf ein TFT-LCD-Panel. Er unterstützt bis zu acht unabhängig konfigurierbare Layer, jeweils mit eigenem Farbformat, Größe und Position. Layer-Blending erfolgt vollständig in Hardware, wodurch Software-Mixing entfällt.

Mit Dual-Buffer-Support können Designer einen Buffer aktualisieren, während der Controller den anderen anzeigt – für flimmerfreie Updates. LCDIFV2 unterstützt auch das Index8BPP-Format, wodurch Entwickler 32-Bit-ARGB-Bilder effizient über Lookup-Table und Index-Array speichern können – Details in AN13075 und den offiziellen SDK-Samples.

i.MX RT1170 Crossover MCU und unterstützte Geräte

Die heterogene Pipeline – 2D-GPU, PxP und LCDIFV2 – arbeitet im Konzert, um Entwicklung zu vereinfachen und Performance zu steigern. NXPs Ökosystem reicht über den RT1170 hinaus: Die Cortex-M7 RT1050- und RT106x-Serien bieten PxP und LCD-Controller, während der Cortex-M33 RT500 eine 2D-GPU integriert.

NXP unterstützt diese Plattformen mit umfassenden APIs, SDKs und Trainingsressourcen. Die offizielle NXP-Website hostet Application Notes, Video-Tutorials, SDK-Beispiele und On-Demand-Webinare, um Ingenieure dabei zu unterstützen, die volle Leistung des Grafik-Stacks schnell zu nutzen.

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