為打破國外壟斷，研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的圖形處理器GPU(Graphics Processing Unit)對國民經(jīng)濟(jì)以及增強(qiáng)國防力量具有極其重要的意義,。西安郵電大學(xué)GPU項目組2009年研發(fā)了GPU及其配套軟件OpenGL,。為了驗證設(shè)計的GPU，并為GPU應(yīng)用開發(fā)建立平臺,，本文研發(fā)了一個異構(gòu)多核片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)平臺,。

        本文在分析了嵌入式開源LEON3處理器^[1]、Linux操作系統(tǒng)和西安郵電大學(xué)自主研發(fā)的可編程圖形處理器的基礎(chǔ)上,，提出異構(gòu)多核SoC圖形系統(tǒng)^[2]的設(shè)計,，最后在DNV6_F2PCIE FPGA開發(fā)板進(jìn)行系統(tǒng)驗證。

1 系統(tǒng)論證

1.1 研究路線

        首先構(gòu)建一個C++的GPU算法仿真平臺,，并在其上進(jìn)行圖像渲染算法的研究,；其次設(shè)計搭建System Verilog^[3]建立驗證平臺，并開始Verilog語言設(shè)計硬件和OpenGL相關(guān)軟件的開發(fā),，為了加快硬件設(shè)計速度,，采用了第三方IP；由于此系統(tǒng)電路規(guī)模較大,，選擇Xilinx公司的XC6VLX550T^[4]進(jìn)行原型開發(fā),，并運(yùn)行大量裸機(jī)OpenGL應(yīng)用程序；最后加上嵌入式LEON3處理器,、Linux操作系統(tǒng),，通過軟件驅(qū)動和硬件接口完成CPU與GPU的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了一個完整的移動異構(gòu)多核SoC圖形處理系統(tǒng),，通過外部可編程的方式在FPGA上驗證整個SoC系統(tǒng),，進(jìn)而驗證硬件設(shè)計的正確性。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)與可行性分析

        本系統(tǒng)采取軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù),、IP設(shè)計和復(fù)用技術(shù),、超深亞微米設(shè)計技術(shù)。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括系統(tǒng)描述,、高層次的算法分析與設(shè)計,、軟硬件的劃分、語言和編譯器設(shè)計,、微處理器設(shè)計,、Linux操作系統(tǒng)在LEON3處理器上的運(yùn)行,、驅(qū)動軟件和硬件接口設(shè)計、圖形處理器的軟硬件協(xié)同設(shè)計,、異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同仿真驗證以及圖形界面的生成,。針對上述涉及的關(guān)鍵技術(shù)提出了理論分析與仿真、驗證和原型測試相結(jié)合的研究方法,，制訂了從系統(tǒng)的算法級到電路的RTL級,，再到原型系統(tǒng)實現(xiàn)，逐級細(xì)化,、逐級驗證的技術(shù)路線,。

        采用Top-to-Down方法^[5]設(shè)計SoC芯片，充分考慮了異構(gòu)多核SoC可編程圖形處理器設(shè)計過程中所面臨的挑戰(zhàn),，保證了芯片功能和性能技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求,，有利于縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本及產(chǎn)品的單片價格,，符合SoC研究設(shè)計的客觀規(guī)律,。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

        系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括作為系統(tǒng)主機(jī)的嵌入式開源LEON3處理器設(shè)計和作為從機(jī)的可編程圖形處理器設(shè)計。系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

        系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)流向：

        (1)2D程序：上位機(jī)將鏡像文件通過JTAG傳到CPU-DDR中,，CPU從中取出相應(yīng)2D數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果通過AHB/APB Bridge傳到VGA,，再將VGA的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPU中的顯控,，最終傳到顯示器上顯示。

        (2)3D程序：CPU從CPU-DDR中取出相應(yīng)的3D命令數(shù)據(jù)環(huán),，將數(shù)據(jù)環(huán)通過AHB Bridge傳到GPU,；GPU經(jīng)過各級渲染，將渲染結(jié)果存儲到GPU-DDR中,；顯控通過存儲管理器從中取出數(shù)據(jù),，傳到顯示器上顯示。

2.1 嵌入式LEON3處理器的設(shè)計

        LEON3(basic version)作為整個系統(tǒng)的主機(jī),，是一款由歐洲航天總局旗下的Gaisler Research公司開發(fā)研制的32 bit,、符合SPARC V8^[6]架構(gòu)的、可配置,、可綜合適用于SoC設(shè)計中的開源處理器IP核[^7],，遵循GNU LGPL協(xié)議。LEON3內(nèi)部包含7級整數(shù)流水線,，具有可配置的TLB的內(nèi)存管理MMU(Memory Management Unit)單元,，支持硬件乘/除法器以及分立的指令與數(shù)據(jù)緩存，并將其設(shè)計為4核,。它的源代碼由可綜合的VHDL代碼構(gòu)成,，同時LEON系列處理器的性能也比較理想,，可以達(dá)到大約0.85 MIPS/MHz。更大的好處是LEON處理器是一個公開源代碼,，遵循GNU,。通過高速的AMBA AHB^[8]總線鏈接內(nèi)存控制器及高速外部接口，低速的AMBA APB總線實現(xiàn)片上外設(shè)的接口,，如定時器,、串口、VGA等,。

        作為整個系統(tǒng)的主機(jī),，其功能如下：

        (1)處理上位機(jī)發(fā)來的命令,，并在主存中設(shè)置命令數(shù)據(jù)環(huán),，將處理命令放入環(huán)中；

        (2)采用Linux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)運(yùn)行平臺,，完成圖形驅(qū)動處理,；

        (3)管理系統(tǒng)內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo),、顯示器),；

        (4)運(yùn)行2D程序；

        (5)支持Sparc V8指令集,、多核運(yùn)行,；

        (6)支持以太網(wǎng)、串口,、PS2,、GPIO、WatchDog,、Timer等外設(shè),，支持AHB總線擴(kuò)展。

        LEON3結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

2.2 可編程圖形處理器硬件設(shè)計

        可編程圖形處理器采用傳統(tǒng)GPU架構(gòu),，并結(jié)合了可編程技術(shù)，經(jīng)過9級流水線處理后,，完成了一個3D基本圖元的渲染過程,。作為整個系統(tǒng)的從機(jī)，各級流水線及功能如下：

        (1)命令處理器（CMD,，1 core）：CPU在主存中設(shè)置命令數(shù)據(jù)環(huán),，將處理命令放入環(huán)中，命令處理器通過總線接口,、DMA引擎從環(huán)中獲取命令,、數(shù)據(jù)或向量地址并進(jìn)行解析,，如果獲得的命令是3D處理命令，則將命令下發(fā)給3D引擎,；如果是命令處理器需要處理的命令(緩沖區(qū)對象操作,、顯示列表操作等），則在命令處理器中進(jìn)行處理,，而不發(fā)送給3D引擎,。

        (2)頂點(diǎn)染色器（VS，2 core）：完成幾何變換（平移,、縮放,、旋轉(zhuǎn)）、光照染色等功能,。

        (3)圖元裝配器（AS,，1 ASIC）：圖元裝配將從VS發(fā)送出來的帶有屬性的頂點(diǎn)根據(jù)用戶指定裝配模式（由glBegin指定）裝配為點(diǎn)、線,、三角形,。經(jīng)過AS處理后，GPU后續(xù)的流水部件將不會識別頂點(diǎn),，而是識別基本圖元點(diǎn),、線和三角形。

        (4)平面裁剪（CLIP-Plane,，1 core）：根據(jù)用戶自定義裁剪平面（最多支持6個自定義裁剪平面）對基本圖元進(jìn)行裁剪,。

        (5)視景體裁剪（CLIP-3D，1 core）：根據(jù)用戶所定義的視景體對基本圖元進(jìn)行視景體裁剪操作,。

        (6)視窗變換（HCW,，1 core）：完成3D坐標(biāo)向屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過HCW的處理后,，基本圖元將轉(zhuǎn)變?yōu)槠聊簧纤姷降膱D元,，為后續(xù)的光柵化做準(zhǔn)備。

        (7)光柵化（Rasterization,，5 core）：Rasterization根據(jù)圖元的屏幕坐標(biāo)計算圖元內(nèi)部的所有像素值,，并將像素傳送給像素染色器。

        (8)像素染色器（PS,，4 core）：根據(jù)Rasterization所發(fā)送的片段信息計算片段的具體顏色,，如果啟用了紋理操作，則根據(jù)紋理函數(shù)參數(shù)信息對片段進(jìn)行像素染色,，最終將片段染色的值傳送給段操作部件,。

        (9)片段操作（Fragment，1 ASIC）：接收PS所發(fā)送的片段信息,，對片段進(jìn)行后期的FOP等處理,，處理完畢后將最終的像素值寫入Frame Buffer中,。

        可編程圖形處理器由15個處理器以及圖元裝配、片斷操作,、內(nèi)部圖像處理子集,、MMU和直接內(nèi)存存取DMA(Direct Memory Access)5個專用圖形加速單元所構(gòu)成。15個處理器均為可編程處理器,，其中CMD和PS為定點(diǎn)處理器,，其他的處理器為浮點(diǎn)處理器。圖像處理子集,、MMU和DMA功能如下：

        (1)圖像處理子集（PS_IMG_PROC, 1 ASIC）：完成對像素數(shù)據(jù)的處理,，以及紋理和霧相關(guān)信息的存儲。

        (2)內(nèi)存管理[9]（MMU,，1 ASIC）：實現(xiàn)對GPU存儲空間分配,、存儲讀/寫控制、存儲空間回收以及存儲保護(hù),、地址映射等,，對有訪存要求的SoC圖形處理芯片渲染管線部件進(jìn)行仲裁并予以實時響應(yīng)，協(xié)調(diào)各模塊對存儲的訪問,，保證各個模塊能夠順利地對存儲器進(jìn)行讀/寫操作；

        (3)直接存儲訪問（DMA,，1 ASIC）：從命令處理器那完全接管對總線的控制,，數(shù)據(jù)交換不再經(jīng)過命令處理器、圖像處理子集,，而直接在DDR或片上存儲與CPU內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,。可編程圖形處理器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。

        可編程圖形處理器功能如下：

        (1)支持OpenGL 1.3,；

        (2)支持3D圖元及相應(yīng)幾何變換；

        (3)支持緩沖區(qū)對象,、頂點(diǎn)數(shù)組和顯示列表,；

        (4)每個時鐘周期可同時支持4個像素的處理；

        (5)支持6個平面裁剪,、三維裁剪,；

        (6)支持多達(dá)8盞燈的方向性光照和位置性光照；

        (7)支持Phong和Gouraud兩種光照模型,；

        (8)采用32位深度緩沖,，實現(xiàn)隱藏面消除；

        (9)支持6幅紋理貼圖,；

        (10)支持顏色,、深度,、累計、幀緩沖區(qū),；

        (11)支持位圖,、圖像繪制、圖像讀取,、圖像復(fù)制等圖像操作,。

3 實驗數(shù)據(jù)

        采用DINI公司DNV6_F2PCIE FPGA開發(fā)板驗證系統(tǒng)，將LEON3集成到A片,，ISE14.4綜合頻率為86.895 MHz,，所占Slice為33%。將可編程圖形處理器集成到B片,，綜合頻率為97.032 MHz,，所占Slice為76%。在Dini公司配套的EMU軟件下,，GPU實際工作頻率最高為120 MHz(高于綜合頻率),，每個時鐘周期可同時支持4個像素的處理，其圖形渲染速度為120×4=480 MPixels/s,，顯示窗口為800×600,，顯示圖像大小為640×480，38個時鐘渲染完一個像素,，如圖4所示,。

        本文對異構(gòu)SoC可編程圖像系統(tǒng)硬件設(shè)計進(jìn)行深入分析，并在FPGA上驗證,，得出了以下結(jié)論：

        (1)采用開源LEON3處理器,，大大降低了系統(tǒng)硬件開發(fā)成本，加快了硬件開發(fā)速度,。

        (2)CPU和GPU之間采用AHB總線通信,，滿足高性能、高時鐘頻率的系統(tǒng)模塊之間的數(shù)據(jù)交互,。

        (3)采用自主研發(fā)的并行多核處理器架構(gòu),，由15個微處理器和硬件加速協(xié)處理器構(gòu)成可編程GPU。

        (4)為了優(yōu)化系統(tǒng)性能和節(jié)省芯片面積,，部分微處理器的運(yùn)算單元采用了定點(diǎn)設(shè)計,，而其他處理器采用浮點(diǎn)設(shè)計，支持處理器并行SIMT運(yùn)算,，通過軟件協(xié)調(diào)圖形系統(tǒng)運(yùn)行精度,、性能、面積和功耗的平衡。

        (5)為了加速圖形運(yùn)算,，設(shè)計了GPU的圖元裝配,、片段操作、圖像處理子集,、MMU和DMA 5個專用圖形加速單元,。

參考文獻(xiàn)

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