為打破國(guó)外壟斷，研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖形處理器GPU(Graphics Processing Unit)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及增強(qiáng)國(guó)防力量具有極其重要的意義。西安郵電大學(xué)GPU項(xiàng)目組2009年研發(fā)了GPU及其配套軟件OpenGL。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的GPU，并為GPU應(yīng)用開(kāi)發(fā)建立平臺(tái)，本文研發(fā)了一個(gè)異構(gòu)多核片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)平臺(tái)。

        本文在分析了嵌入式開(kāi)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(jì)，最后在DNV6_F2PCIE FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)論證

1.1 研究路線

        首先構(gòu)建一個(gè)C++的GPU算法仿真平臺(tái)，并在其上進(jìn)行圖像渲染算法的研究；其次設(shè)計(jì)搭建System Verilog^[3]建立驗(yàn)證平臺(tái)，并開(kāi)始Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)硬件和OpenGL相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)，為了加快硬件設(shè)計(jì)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(kāi)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(guò)軟件驅(qū)動(dòng)和硬件接口完成CPU與GPU的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的移動(dòng)異構(gòu)多核SoC圖形處理系統(tǒng)，通過(guò)外部可編程的方式在FPGA上驗(yàn)證整個(gè)SoC系統(tǒng)，進(jìn)而驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)、IP設(shè)計(jì)和復(fù)用技術(shù)、超深亞微米設(shè)計(jì)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(jì)、軟硬件的劃分、語(yǔ)言和編譯器設(shè)計(jì)、微處理器設(shè)計(jì)、Linux操作系統(tǒng)在LEON3處理器上的運(yùn)行、驅(qū)動(dòng)軟件和硬件接口設(shè)計(jì)、圖形處理器的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同仿真驗(yàn)證以及圖形界面的生成。針對(duì)上述涉及的關(guān)鍵技術(shù)提出了理論分析與仿真、驗(yàn)證和原型測(cè)試相結(jié)合的研究方法，制訂了從系統(tǒng)的算法級(jí)到電路的RTL級(jí)，再到原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，逐級(jí)細(xì)化、逐級(jí)驗(yàn)證的技術(shù)路線。

        采用Top-to-Down方法^[5]設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)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(jì)要求，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本及產(chǎn)品的單片價(jià)格，符合SoC研究設(shè)計(jì)的客觀規(guī)律。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括作為系統(tǒng)主機(jī)的嵌入式開(kāi)源LEON3處理器設(shè)計(jì)和作為從機(jī)的可編程圖形處理器設(shè)計(jì)。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(guò)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(guò)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(guò)AHB Bridge傳到GPU；GPU經(jīng)過(guò)各級(jí)渲染，將渲染結(jié)果存儲(chǔ)到GPU-DDR中；顯控通過(guò)存儲(chǔ)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(jì)

        LEON3(basic version)作為整個(gè)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(kāi)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(jì)中的開(kāi)源處理器IP核[^7]，遵循GNU LGPL協(xié)議。LEON3內(nèi)部包含7級(jí)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(jì)為4核。它的源代碼由可綜合的VHDL代碼構(gòu)成，同時(shí)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(gè)公開(kāi)源代碼，遵循GNU。通過(guò)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(shí)現(xiàn)片上外設(shè)的接口，如定時(shí)器、串口、VGA等。

        作為整個(gè)系統(tǒng)的主機(jī)，其功能如下：

        (1)處理上位機(jī)發(fā)來(lái)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(tái)，完成圖形驅(qū)動(dòng)處理；

        (3)管理系統(tǒng)內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備(鍵盤(pán)、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(jì)

        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(guò)9級(jí)流水線處理后，完成了一個(gè)3D基本圖元的渲染過(guò)程。作為整個(gè)系統(tǒng)的從機(jī)，各級(jí)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(guò)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(duì)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(lái)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(guò)AS處理后，GPU后續(xù)的流水部件將不會(huì)識(shí)別頂點(diǎn)，而是識(shí)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(gè)自定義裁剪平面）對(duì)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(duì)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(guò)HCW的處理后，基本圖元將轉(zhuǎn)變?yōu)槠聊簧纤?jiàn)到的圖元，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(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(xiě)入Frame Buffer中。

        可編程圖形處理器由15個(gè)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(gè)專用圖形加速單元所構(gòu)成。15個(gè)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(duì)像素?cái)?shù)據(jù)的處理，以及紋理和霧相關(guān)信息的存儲(chǔ)。

        (2)內(nèi)存管理[9]（MMU，1 ASIC）：實(shí)現(xiàn)對(duì)GPU存儲(chǔ)空間分配、存儲(chǔ)讀/寫(xiě)控制、存儲(chǔ)空間回收以及存儲(chǔ)保護(hù)、地址映射等，對(duì)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(shí)時(shí)響應(yīng)，協(xié)調(diào)各模塊對(duì)存儲(chǔ)的訪問(wèn)，保證各個(gè)模塊能夠順利地對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作；

        (3)直接存儲(chǔ)訪問(wèn)（DMA，1 ASIC）：從命令處理器那完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不再經(jīng)過(guò)命令處理器、圖像處理子集，而直接在DDR或片上存儲(chǔ)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(duì)象、頂點(diǎn)數(shù)組和顯示列表；

        (4)每個(gè)時(shí)鐘周期可同時(shí)支持4個(gè)像素的處理；

        (5)支持6個(gè)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(shí)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(jì)、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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        采用DINI公司DNV6_F2PCIE FPGA開(kāi)發(fā)板驗(yàn)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(shí)際工作頻率最高為120 MHz(高于綜合頻率)，每個(gè)時(shí)鐘周期可同時(shí)支持4個(gè)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(gè)時(shí)鐘渲染完一個(gè)像素，如圖4所示。

        本文對(duì)異構(gòu)SoC可編程圖像系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，并在FPGA上驗(yàn)證，得出了以下結(jié)論：

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

        (2)CPU和GPU之間采用AHB總線通信，滿足高性能、高時(shí)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(gè)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(jì)，而其他處理器采用浮點(diǎn)設(shè)計(jì)，支持處理器并行SIMT運(yùn)算，通過(guò)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(jì)了GPU的圖元裝配、片段操作、圖像處理子集、MMU和DMA 5個(gè)專用圖形加速單元。

參考文獻(xiàn)

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[8] Aeroflex Gaisler.GRLIB IP core user′s manual version 1.3.0-B4133[EB/OL].(2013-07)[2014-05].http：//gaisler.com.

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