0 引言

    隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及人們對(duì)顯卡的要求越來(lái)越高，應(yīng)用于圖形處理的計(jì)算機(jī)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(jì)與開(kāi)發(fā)中，需要在RTL設(shè)計(jì)之前盡可能早地對(duì)架構(gòu)和算法進(jìn)行驗(yàn)證，為RTL設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。雖然RTL模型會(huì)提供更為精確的時(shí)間信息用于分析，但是開(kāi)發(fā)比事務(wù)級(jí)建模(Transaction-Level Modeling，TLM)要困難，當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，帶有物理細(xì)節(jié)的模型要比TLM更難以更改。

    GPU畫(huà)圖的核心是幾何管線(xiàn)及光柵化，畫(huà)圖的基本圖元是點(diǎn)、線(xiàn)、三角形，本文搭建的GPU模型將幾何管線(xiàn)及光柵化封裝為幾何引擎單元，針對(duì)幾何引擎的架構(gòu)以及線(xiàn)圖元光柵化的算法搭建了基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言(Unified Modeling Language，UML)的模型，并采用SystemC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了TLM模型和仿真，通過(guò)模型畫(huà)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(yǔ)言

    UML是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用的建模語(yǔ)言，UML適用于以面向?qū)ο蠹夹g(shù)來(lái)描述任何類(lèi)型的系統(tǒng)，而且適用于系統(tǒng)開(kāi)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(cè)試和維護(hù)。在UML中，從任何一個(gè)角度對(duì)系統(tǒng)所做的抽象都可能需要用幾種模型圖來(lái)描述，而這些來(lái)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(shí)，利用TLM快速建模，使得設(shè)計(jì)者在做RTL設(shè)計(jì)前就對(duì)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(jì)，并且事務(wù)級(jí)模型可帶有時(shí)間信息可以做周期性能分析，能夠提供非?？焖俚挠布抡嫠俣龋蔷_到周期的模型。

3 UML建模

    本文針對(duì)GPU的幾何引擎單元搭建UML模型，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程以系統(tǒng)的建模行為為驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)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(jìn)行梳理。建模的方法和過(guò)程主要包括以下視圖。

3.1 類(lèi)圖

    在面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)中，類(lèi)、對(duì)象和它們之間的關(guān)系是最基本的建模元素。類(lèi)圖描述了系統(tǒng)中的類(lèi)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(duì)象的類(lèi)型以及對(duì)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(diǎn)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(lèi)型封裝發(fā)送給下級(jí)單元，同時(shí)通過(guò)深度緩沖區(qū)接口將深度信息寫(xiě)入深度緩沖區(qū)用來(lái)進(jìn)行深度測(cè)試，以及通過(guò)寄存器接口更新寄存器以備后面單元計(jì)算使用。圖1就是幾何引擎單元的類(lèi)圖，也稱(chēng)為接口圖。

3.2 結(jié)構(gòu)圖

    結(jié)構(gòu)圖顯示類(lèi)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(diǎn)，也顯示類(lèi)里各模塊的關(guān)系，這些模塊一起執(zhí)行類(lèi)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(xiàn)和光柵化原理由以下7個(gè)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(duì)類(lèi)的一種補(bǔ)充描述，描述了對(duì)象之間動(dòng)態(tài)的交互關(guān)系，展示了此類(lèi)對(duì)象所具有的可能的狀態(tài)以及某些事件發(fā)生時(shí)其狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況。對(duì)于計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)模型最復(fù)雜的算法，行為圖可以準(zhǔn)確有條理地描述算法的思路和實(shí)現(xiàn)，邏輯性地表達(dá)出算法的細(xì)節(jié)及其數(shù)據(jù)流和控制流。本文重點(diǎn)針對(duì)線(xiàn)圖元光柵化算法，采用行為圖搭建了其模型，圖3是線(xiàn)圖元光柵化算法總體流程，其細(xì)節(jié)在每個(gè)子模塊的內(nèi)部詳細(xì)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(duì)幾何引擎單元的外部互聯(lián)建模類(lèi)圖，再根據(jù)原理細(xì)化單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，最后詳解線(xiàn)圖元光柵化的算法行為圖，準(zhǔn)確描述出基于UML的模型搭建方法和過(guò)程。

4 SystemC建模及仿真

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

    根據(jù)UML建模的過(guò)程，本文通過(guò)SystemC語(yǔ)言將模型實(shí)現(xiàn)并仿真。

4.1 根據(jù)UML類(lèi)圖建模

    SystemC支持對(duì)模塊的定義，模塊實(shí)際上是一個(gè)類(lèi)，內(nèi)部包括了輸入/輸出端口、內(nèi)部信號(hào)以及方法/線(xiàn)程^[5]。SystemC定義的模塊可對(duì)應(yīng)RTL代碼中的module。

    在完成各個(gè)模塊的定義和描述后，就需要對(duì)模塊進(jìn)行端口綁定，以實(shí)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(guò)端口向幾何引擎單元傳輸頂點(diǎn)屬性，則定義一個(gè)接口。同時(shí)分別在任務(wù)調(diào)度單元和幾何引擎單元定義此接口類(lèi)型的端口，并在幾何引擎單元內(nèi)部實(shí)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(lèi)G3D_GEU 內(nèi)部例化7個(gè)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(xì)節(jié)采用線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)，線(xiàn)程則會(huì)在每個(gè)時(shí)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(shí)序，可用于模型的時(shí)序性能分析[6]。一個(gè)模塊內(nèi)部可以擁有多個(gè)線(xiàn)程，在光柵化模塊中就分別有實(shí)現(xiàn)點(diǎn)圖元、線(xiàn)圖元、三角形圖元光柵化的線(xiàn)程，本文以線(xiàn)圖元的線(xiàn)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(duì)模型進(jìn)行仿真調(diào)試。SystemC庫(kù)自帶仿真內(nèi)核，用于調(diào)度事件與線(xiàn)程的執(zhí)行順序。與Verilog和VHDL類(lèi)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(duì)所有的線(xiàn)程進(jìn)行調(diào)度與執(zhí)行^[7-8]。完成對(duì)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(jìn)行聯(lián)合仿真，這是下一步的工作。

    本文搭建的GPU模型實(shí)現(xiàn)了OpenGL2.0標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)線(xiàn)圖元光柵化算法及幾何引擎單元架構(gòu)做的仿真驗(yàn)證實(shí)例圖如下，圖4和圖5分別是模型和Mesa啟用了點(diǎn)畫(huà)模式的線(xiàn)圖元。Mesa是國(guó)際官方組織發(fā)布的實(shí)現(xiàn)OpenGL應(yīng)用程序接口純軟模型，不依賴(lài)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(gè)模型結(jié)果對(duì)比，圖4基本上是圖5密集度的兩倍，但是兩幅圖的點(diǎn)畫(huà)效果是一致的，說(shuō)明幾何引擎的架構(gòu)與線(xiàn)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(xiàn)光柵化的模型，并通過(guò)SystemC語(yǔ)言進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，快速地驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)和算法，為RTL設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；同時(shí)為RTL設(shè)計(jì)建立早期的驗(yàn)證平臺(tái)，縮短驗(yàn)證時(shí)間；并且可以作為RTL驗(yàn)證平臺(tái)的參考模型，提高驗(yàn)證的正確性和完整性；加速了GPU的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] SWAN S.An introduction to system level modeling in SystemC 2.0.cadence design systems[Z].2001.

[2] IEEE 1666-2011，IEEE standard for standard systemc language reference manual[S].2011.

[3] Open SystemC Initiative，SystemC 2.0 User’s Guide[Z].

[4] 張俊新.基于SystemC的事物級(jí)建模研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[5] 王忠海，葉以正，喻明艷.使用SystemC 2.0進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)建模仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，22(5)：78-81.

[6] 唐進(jìn).SystemC架起了橋梁[J].中國(guó)集成電路，2005(5)：44-46.

[7] 石柯.基于SystemC的嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002，19(6)：117-119.

[8] 李揮，陳曦.SystemC電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

作者信息:

陳  佳1，田  澤1，2，吳曉成1，樓曉強(qiáng)1

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)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(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710068)