0 引言

    隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及人們對顯卡的要求越來越高,，應(yīng)用于圖形處理的計算機從圖形工作站逐漸發(fā)展到單芯片圖形處理器芯片(GPU)直到現(xiàn)在可編程大規(guī)模并行處理器，集成電路的規(guī)模及復(fù)雜度成倍增加,。

    在GPU的設(shè)計與開發(fā)中,，需要在RTL設(shè)計之前盡可能早地對架構(gòu)和算法進行驗證，為RTL設(shè)計提供參考依據(jù),。雖然RTL模型會提供更為精確的時間信息用于分析,，但是開發(fā)比事務(wù)級建模(Transaction-Level Modeling，TLM)要困難,，當(dāng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時,，帶有物理細節(jié)的模型要比TLM更難以更改。

    GPU畫圖的核心是幾何管線及光柵化,，畫圖的基本圖元是點,、線、三角形,，本文搭建的GPU模型將幾何管線及光柵化封裝為幾何引擎單元,，針對幾何引擎的架構(gòu)以及線圖元光柵化的算法搭建了基于統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)的模型,，并采用SystemC語言實現(xiàn)了TLM模型和仿真,，通過模型畫出的圖像證明架構(gòu)和算法的正確性,，以及模型的有效性和可行性。

1 UML建模語言

    UML是一種定義良好,、易于表達,、功能強大且普遍適用的建模語言，UML適用于以面向?qū)ο蠹夹g(shù)來描述任何類型的系統(tǒng),，而且適用于系統(tǒng)開發(fā)的不同階段,，從需求規(guī)格描述直至系統(tǒng)完成后的測試和維護。在UML中,，從任何一個角度對系統(tǒng)所做的抽象都可能需要用幾種模型圖來描述,，而這些來自不同角度的模型圖最終組成了系統(tǒng)的完整模型。

2 TLM模型

    本文搭建的模型屬于TLM模型,，TLM從更高的層次描述系統(tǒng)的行為,，當(dāng)要建模的目標(biāo)系統(tǒng)十分復(fù)雜時，利用TLM快速建模,，使得設(shè)計者在做RTL設(shè)計前就對目標(biāo)系統(tǒng)有更清楚的理解，有利于硬件體系結(jié)構(gòu)的性能分析和行為分析,、軟硬件劃分和協(xié)同設(shè)計,，并且事務(wù)級模型可帶有時間信息可以做周期性能分析，能夠提供非?？焖俚挠布抡嫠俣?，是精確到周期的模型。

3 UML建模

    本文針對GPU的幾何引擎單元搭建UML模型,，整個開發(fā)過程以系統(tǒng)的建模行為為驅(qū)動,，在進行建模之前，應(yīng)當(dāng)分析系統(tǒng)需求,，根據(jù)建模的不同階段,，按照顆粒度從大到小，將單元的架構(gòu)和算法一層層進行梳理,。建模的方法和過程主要包括以下視圖,。

3.1 類圖

    在面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)中，類,、對象和它們之間的關(guān)系是最基本的建模元素,。類圖描述了系統(tǒng)中的類及相互之間的各種關(guān)系，其本質(zhì)反映了系統(tǒng)中包含的各種對象的類型以及對象間的各種靜態(tài)關(guān)系,。

    本文搭建的幾何引擎單元（GEU）是GPU系統(tǒng)的子模塊,，其接口輸入是染色器輸出控制單元（OCU），輸出是任務(wù)調(diào)度單元（JSU）,、深度緩沖區(qū)（ZCACHE）和寄存器接口（SPMU）,。染色器輸出控制單元將頂點數(shù)據(jù)發(fā)送給幾何引擎單元,，幾何引擎單元處理完成后形成片元數(shù)據(jù)并輸出給任務(wù)調(diào)度單元，任務(wù)調(diào)度單元按照數(shù)據(jù)屬性類型封裝發(fā)送給下級單元,，同時通過深度緩沖區(qū)接口將深度信息寫入深度緩沖區(qū)用來進行深度測試,，以及通過寄存器接口更新寄存器以備后面單元計算使用。圖1就是幾何引擎單元的類圖,，也稱為接口圖,。

3.2 結(jié)構(gòu)圖

    結(jié)構(gòu)圖顯示類元內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括此模塊與系統(tǒng)其他部分的交互點,，也顯示類里各模塊的關(guān)系,，這些模塊一起執(zhí)行類的行為。用結(jié)構(gòu)圖搭建幾何引擎單元的架構(gòu),，可以清晰地展現(xiàn)出單元內(nèi)部的組成部分,，以及單元內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路。幾何引擎單元的架構(gòu)根據(jù)圖形學(xué)的幾何管線和光柵化原理由以下7個模塊組成,，分別是圖元組裝,、平面剪裁、投影變換,、三維剪裁,、視窗變換、背面消隱以及光柵化單元,，其結(jié)構(gòu)圖建模如圖2所示,。

3.3 行為圖

    行為圖是對類的一種補充描述，描述了對象之間動態(tài)的交互關(guān)系,，展示了此類對象所具有的可能的狀態(tài)以及某些事件發(fā)生時其狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況,。對于計算機圖形學(xué)算法的理解首先要求具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、良好的空間思維和非常清晰的思路,。從結(jié)構(gòu)圖可以看出光柵化是幾何引擎單元的最后一步,，由應(yīng)用程序指定的頂點按照結(jié)構(gòu)圖的流程執(zhí)行到光柵化，完成了一系列空間轉(zhuǎn)換后,，由頂點繪制成圖元就是光柵化單元所要做的事情,。

    光柵化的算法是整個模型最復(fù)雜的算法，行為圖可以準確有條理地描述算法的思路和實現(xiàn),，邏輯性地表達出算法的細節(jié)及其數(shù)據(jù)流和控制流,。本文重點針對線圖元光柵化算法，采用行為圖搭建了其模型,，圖3是線圖元光柵化算法總體流程,，其細節(jié)在每個子模塊的內(nèi)部詳細描述。

    本文從GPU的整體架構(gòu)出發(fā)層次性地搭建模型，首先針對幾何引擎單元的外部互聯(lián)建模類圖,，再根據(jù)原理細化單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,，最后詳解線圖元光柵化的算法行為圖，準確描述出基于UML的模型搭建方法和過程,。

4 SystemC建模及仿真

    本文采用SystemC語言實現(xiàn)了TLM模型以及仿真,，SystemC是針對系統(tǒng)級和事務(wù)級設(shè)計流程的軟/硬件建模和仿真平臺，它在C++的基礎(chǔ)上擴充了硬件庫和仿真內(nèi)核,，具備硬件描述語言的基本特性,。SystemC提供了支持硬件描述的類庫和解釋硬件描述的調(diào)度器，并從C++繼承了對軟件的描述能力,，是一種可描述硬件和軟件的建模語言^[1-2],。SystemC的最大特點在于可支持軟/硬件的協(xié)同設(shè)計和仿真，且較硬件描述語言有著極高的仿真速度,。TLM將模型間的通信細節(jié)與函數(shù)單元或通信架構(gòu)的細節(jié)分離出來,，通信機制被建模成信道，并且以SystemC接口類的形式向模塊呈現(xiàn)^[3-4],。

    根據(jù)UML建模的過程,，本文通過SystemC語言將模型實現(xiàn)并仿真。

4.1 根據(jù)UML類圖建模

    SystemC支持對模塊的定義,，模塊實際上是一個類,，內(nèi)部包括了輸入/輸出端口、內(nèi)部信號以及方法/線程^[5],。SystemC定義的模塊可對應(yīng)RTL代碼中的module。

    在完成各個模塊的定義和描述后,，就需要對模塊進行端口綁定,，以實現(xiàn)完整的功能架構(gòu)。例如圖1中的任務(wù)調(diào)度單元和幾何引擎單元,，任務(wù)調(diào)度單元通過端口向幾何引擎單元傳輸頂點屬性,，則定義一個接口。同時分別在任務(wù)調(diào)度單元和幾何引擎單元定義此接口類型的端口,，并在幾何引擎單元內(nèi)部實現(xiàn)該接口函數(shù),。

    幾何引擎單元模塊的內(nèi)部定義如下：

4.2 根據(jù)UML結(jié)構(gòu)圖建模

    幾何引擎單元類G3D_GEU 內(nèi)部例化7個子模塊：

    G3D_GEU_PAU  *pau;

    G3D_GEU_PCU  *pcu;

    G3D_GEU_PTU  *ptu;

    G3D_GEU_TDU  *tdu;    

    G3D_GEU_VTU  *vtu;

    G3D_GEU_BCU  *bcu;

    G3D_GEU_PRU  *pru;

4.3 根據(jù)UML的行為圖建模

    模塊內(nèi)部的算法細節(jié)采用線程實現(xiàn)，線程則會在每個時鐘變化沿（可以是上升沿,，下降沿,，或者上升下降沿）被執(zhí)行，并且引入了時序,，可用于模型的時序性能分析[6],。一個模塊內(nèi)部可以擁有多個線程，在光柵化模塊中就分別有實現(xiàn)點圖元、線圖元,、三角形圖元光柵化的線程,，本文以線圖元的線程為例描述建模方法。

4.4 模型仿真

    在完成SystemC建模后,，需要對模型進行仿真調(diào)試,。SystemC庫自帶仿真內(nèi)核，用于調(diào)度事件與線程的執(zhí)行順序,。與Verilog和VHDL類似,，SystemC的仿真內(nèi)核支持delta cycle、支持立即事件觸發(fā)和延遲事件觸發(fā),。SystemC的仿真內(nèi)核按照一定的規(guī)則對所有的線程進行調(diào)度與執(zhí)行^[7-8],。完成對模型的仿真調(diào)試后，模型可以作為RTL仿真的參考模型,，與RTL進行聯(lián)合仿真,，這是下一步的工作。

    本文搭建的GPU模型實現(xiàn)了OpenGL2.0標(biāo)準,，針對線圖元光柵化算法及幾何引擎單元架構(gòu)做的仿真驗證實例圖如下,，圖4和圖5分別是模型和Mesa啟用了點畫模式的線圖元。Mesa是國際官方組織發(fā)布的實現(xiàn)OpenGL應(yīng)用程序接口純軟模型,，不依賴于任何硬件,。

    本文模型（圖4）設(shè)置的分辨率是2 048×1 536，Mesa（圖5）設(shè)置的分辨率是1 024×768,，因此從兩個模型結(jié)果對比,，圖4基本上是圖5密集度的兩倍，但是兩幅圖的點畫效果是一致的,，說明幾何引擎的架構(gòu)與線圖元光柵化算法正確,。

5 結(jié)論

    本文基于UML視圖搭建了GPU幾何管線光柵化的模型，并通過SystemC語言進行了仿真驗證,，快速地驗證系統(tǒng)架構(gòu)和算法,，為RTL設(shè)計提供參考依據(jù)；同時為RTL設(shè)計建立早期的驗證平臺,，縮短驗證時間,；并且可以作為RTL驗證平臺的參考模型，提高驗證的正確性和完整性,；加速了GPU的軟硬件協(xié)同設(shè)計,。

參考文獻

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作者信息:

陳  佳1,，田  澤1，2,，吳曉成1,，樓曉強1

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068,；

2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室,，陜西 西安710068)