（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于fpga的3d圖像處理器ip核的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

at h e s i si n e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y t a nx i a n q i a n g a d v i s e db y p r o f e s s o rw u n i n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y ，2 0 1 0 99 1m1 mm坩- l ，p 導(dǎo) 以 撰 寫過的研究成果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其 他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書) 作者簽名萼蘭一軋 日期：翌22 ：2 ，f 基 ， 一 的 方 雜 卻 還有許多問題有待解決。因此，關(guān)于嵌入式g p u 的設(shè)計和研究具有重要的意義。 論文在深入了解計算機圖形學(xué)及相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，回顧了圖形處理器及其渲染機制的發(fā) 展歷史，分析了圖形系統(tǒng)的組成。論文采用o p e n g l 作為系統(tǒng)的圖形a p i ，選取了2 1 條基本的 a p i 命令，定義了它們的渲染列表格式和命令字編碼，并以此作為i p 核的設(shè)計規(guī)約。圖形管線 分為幾何和光柵兩部分，最終細化為8 個模塊，分別在四片f p g a 上用v e r i l o g 語言加以實現(xiàn)。 論文對g p u 的模塊進行了詳盡的分析與設(shè)計，重點研究實現(xiàn)了幾何變換模塊的縮放變換和組合 變換，光照模塊中對兩個光源的處理，以及三角形圖元的剔除剪切與反走樣。 i p 核的設(shè)計、建立、調(diào)試及綜合仿真都在q u a r t u si i6 0 集成開發(fā)環(huán)境下面完成，i p 核工作 頻率為5 0 m h z ，f p g a 的邏輯資源占用率在8 0 左右，共占用的邏輯單元在6 0 0 0 0l e 內(nèi)。最 終在驗證平臺上能夠正確執(zhí)行所選的2 l 條a p i 命令，并能完成對三維物體的平移、縮放、光 照計算、剔除剪切以及光柵化等工作。 關(guān)鍵詞：圖形處理器，圖形管線，i p 核，f p g a ，v e r i l o gh d l 基于f p g a 的3 d 圖形處理器i p 核的設(shè)計與實現(xiàn) a b s t r a c t g r a p h i c sp r o c e s s i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fm o d e mc o m p u t e rs y s t e m ，t r a d i t i o n a l g r a p h i c sp r o c e s s i n gs y s t e mu s u a l l ya d o p t sa d e d i c a t e dg r a p h i c sp r o c e s s o rg p ut oa l l e v i a t et h eb u r d e n o fc p ut op r o c e s sg r a p h i c s ，w i t ht h en e e d so fg r a p h i c a ld i s p l a yo fe l e c t r o n i cp r o d u c t sc o n t i n u e dt o i m p r o v e ，i ti sn e c e s s a r yf o rt h ee m b e d d e ds y s t e mt oo w n ad e d i c a t e dg p ut oh a n d l em o r ec o m p l e x g r a p h i c s t h ed e v e l o p m e n to ft h et r a d i t i o n a lg r a p h i c sp r o c e s s o rh a sar e l a t i v e l ym a t u r e ，b u tt h e r ea r e m a n yi s s u e so nt h er e s e a r c ho ft h eh i g h - p e r f o r m a n c eg p uw h i c hs u i tt h ee m b e d d e ds y s t e m s s o r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gt h ee m b e d d e dg p u m a k e sg r e a ts e n s e b a s e do na ni n t e n s i v es t u d yo fc o m p u t e rg r a p h i c sa n dr e l a t e da l g o r i t h m s ，t h et h e s i sf i r s t l y r e v i e w st h eh i s t o r yo fg p u sa n di t sr e n d e r i n gm e c h a n i s m ，t h e ni t a n a l y z e st h ec o m p o n e n t so f g r a p h i c ss y s t e m t h i st h e s i sa d o p t so p e n g la si t sg r a p h i c sa p i ，s e l e c t s2 1m o s tc o m m o n l yu s e d c o m m a n d sf r o mo p e n g l ，a n dd e f i n e st h er e n d e r i n gl i s t sa n dc o m m a n dw o r de n c o d i n g sf o rt h e s e s e l e c t e dc o m m a n d s ，t h e s er e n d e r i n gl i s t sa n dc o m m a n dw o r de n c o d i n g sw i l lb eu s e da st h ei pc o r e s d e s i g ns p e c i f i c a t i o n t h eg r a p h i c sp i p e l i n ei sd i v i d e di n t og e o m e t r ya n dr a s t e r , a n de v e n t u a l l yb r o k e n d o w ni n t oe i g h tm o d u l e sw h i c hw i l lb er e a l i z e dw i t hv e r i l o gh d ll a n g u a g eo nf o u l f p g a s t h e t h e s i sa n a l y z e sa n dd e s i g n st h em o d u l e so fg p ui nd e t a i l ，i tf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e s c a l ea n dc o m b i n a t i o nt r a n s f o r m a t i o nf o rt h eg e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o nm o d u l e ，t h eh a n d l i n go ft w o l i g h ts o u r c e sf o rt h ei l l u m i n a t i o nm o d u l e ，t h ee x c l u d i n g ，s h e a f i n ga n da n t i - a l i a s i n go ft h et r i a n g l e p r i m i t i v e s t h ei pc o r ed e s i g n , b u i l d ，d e b u ga n di n t e g r a t e ds i m u l a t i o na r ec o m p l e t e di nq u a r t u si i6 0 t h e 要 o p e r a t i n gf r e q u e n c yo fi pc o r ei s5 0 m h z , a n di pc o r e sl o g i cr e s o u r c e so c c u p a n c yr a t eo ff p g ai s a b o u t8 0 ，at o t a lo fo c c u p a t i o nw i t h i nt h el o g i c a le l e m e n t sl e s st h a n6 0 0 0 0 f i n a l l yo nt h e v e r i f i c a t i o np l a t f o r mt h ei pc o r ec a na b l et oc o r r e c t l ye x e c u t ea l lt h es e l e c t e da p i s ，a n dc a nd o t r a n s l a t i o n , s e a l i n g ，l i g h t i n gc a l c u l a t i o n ，e l i m i n a t ec u t ，a n dr a s t e r i z a t i o nw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a l o b j e c t sa n ds oo n k e yw o r d s ：g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t , g p u ，g r a p h i c sp i p e l i n e ，i pc o r e ，v e r i l o gh d l i i 1 l l l 4 4 ! ； 7 7 8 9 9 2 3 2 所選a p i 命令的渲染列表格式及其編碼的定義1 0 第三章i p 核的圖形管線結(jié)構(gòu)設(shè)計2 4 3 1 i p 核的圖形管線結(jié)構(gòu)2 4 3 2i p 核的驗證平臺2 5 3 3i p 核的硬件設(shè)計2 7 3 3 1f p g a l 模塊的硬件設(shè)計2 7 3 3 2f p g a 2 模塊的硬件設(shè)計2 8 3 3 3f p g a 3 模塊的硬件設(shè)計2 9 3 3 4f p g a 4 模塊的硬件設(shè)計。3 0 第四章i p 核幾何部分的設(shè)計與實現(xiàn)。3 2 4 1i p 核所涉及坐標(biāo)系的介紹3 2 4 2 幾何變換模塊3 3 4 2 1 幾何變換的原理3 3 4 2 2 幾何變換的實現(xiàn)3 5 4 3 光照模塊3 7 4 3 1 光照的原理3 7 4 3 2 光照的實現(xiàn)3 8 4 4 圖元裝配模塊4l 4 4 1 圖元裝配的原理。4 l 4 4 2 圖元裝配的實現(xiàn)一4 2 4 5 剔除剪切模塊4 2 4 5 1 剔除剪切的原理4 2 4 5 2 剔除剪切的實現(xiàn)4 5 4 6 背面剔除模塊4 8 i i i 基于f p g a 的3 d 圖形處理器i p 核的設(shè)計與實現(xiàn) 4 6 1 背面剔除的原理。4 8 4 6 2 背面剔除的實現(xiàn)4 9 4 7 投影變換模塊。5 0 4 7 1 投影變換的原理5 0 4 7 。2 投影變換的實現(xiàn)5 3 第五章i p 核光柵部分的設(shè)計與實現(xiàn)。5 5 5 1 光柵化模塊5 5 5 1 1 光柵化的原理5 5 5 1 2 反走樣的原理一5 6 5 ，1 ，3 光柵化的實現(xiàn)5 8 7 5 1 4 反走樣的實現(xiàn)6 0 5 2 片段處理模塊6 2 5 2 1 片段處理的原理6 2 5 2 2 片段處理的實現(xiàn)6 3 5 3i p 核的功能驗證6 4 結(jié)論6 6 參考文獻。6 8 j 1 5 【謝7 1 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文7 2 i v 1 ：! 3 3 7 7 8 8 圖2 5 圖形應(yīng)用程序的執(zhí)行流程9 圖2 6g l b e g i n 的渲染列表格式l o 圖2 7g l e n d 的渲染列表格式1 1 圖2 8g l v e r t e x 3 i 的渲染列表格式1 1 圖2 9g l r o t a t e i 的渲染列表格式1 2 圖2 1 0g l t r a n s l a t e i 的渲染列表格式1 3 圖2 1 1g l s c a l e i 的渲染列表格式。1 3 圖2 1 2g l n o r m a l 3 i 的渲染列表格式1 4 圖2 1 3g l e n a b l e 的渲染列表格式1 5 圖2 1 4 g l d i s a b l e 的渲染列表格式l5 圖2 1 5g l m a t d x m o d e 的渲染列表格式1 6 圖2 1 6 g l l o a d l d e n t i t y 的渲染列表格式1 7 圖2 1 7 g l l i g h t u b v 的渲染列表格式1 7 圖2 1 8g l l i g h t i 的渲染列表格式一18 圖2 1 9 g l m a t e r i a l u b v 的渲染列表格式1 9 圖2 2 0g l m a t e r i a l i 的渲染列表格式19 圖2 2 1g l c l e a r c o l o r 的渲染列表格式2 0 圖2 2 2g l s h a d e m o d e l 的渲染列表格式2 0 圖2 2 3g l c l e a r 的渲染列表格式2l 圖2 2 4 g l c o l o r 4 u b 的渲染列表格式2 2 圖2 2 5 g l f r u s t u m 的渲染列表格式2 2 圖2 2 6 g l u t s w a p b u f f e r s 的渲染列表格式2 3 圖3 1i p 核圖形管線的組成2 4 圖3 2 驗證平臺的結(jié)構(gòu)示意圖2 6 圖3 3i p 核各模塊在f p g a 中的分配2 6 圖3 4f p g a1 模塊頂層模塊硬件結(jié)構(gòu)圖2 7 圖3 5e p um o d u l e 程序流程示意圖2 8 圖3 6f p g a 2 模塊頂層模塊硬件結(jié)構(gòu)圖2 8 v 基于f p g a 的3 d 圖形處理器i p 核的設(shè)計與實現(xiàn) 圖3 7 圖3 8 圖3 9 圖3 1 0 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖4 4 圖4 5 圖4 6 圖4 7 圖4 8 圖4 9 圖4 1 0 圖4 1 1 圖4 1 2 圖4 1 3 圖4 1 4 圖4 1 5 圖4 1 6 圖4 1 7 圖4 1 8 圖4 1 9 圖4 2 0 圖4 2 1 圖4 2 2 圖5 1 圖5 2 圖5 3 圖5 4 圖5 5 圖5 6 圖5 7 圖5 8 圖5 9 圖5 1 0 圖5 1 1 圖5 1 2 表2 1 表2 2 v i f p g a 3 模塊頂層模塊硬件結(jié)構(gòu)圖2 9 m o d e l e o f m i d d l e 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖3 0 f p g a 4 模塊項層模塊硬件結(jié)構(gòu)圖3 0 f r a g m e n t a n d r a s t e r i z e 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖3 l 頂點坐標(biāo)和法向量在各坐標(biāo)系的變換示意圖3 3 幾何變換模塊的程序結(jié)構(gòu)圖。3 5 幾何變換仿真波形圖3 6 頂點光照示意圖3 8 光照模塊的程序結(jié)構(gòu)圖。3 9 光照變換程序流程示意圖。4 0 l 號光源仿真波形圖4 0 圖元裝配對頂點數(shù)據(jù)流的解釋4 1 圖元裝配模塊程序結(jié)構(gòu)圖。4 2 點、線段的剔除剪切示意圖4 3 視景體對三角形圖元的剪切示意圖4 4 剔除剪切模塊程序結(jié)構(gòu)圖4 5 剔除剪切算法程序流程示意圖4 6 三角形剔除剪切示意圖4 7 三角形頂點環(huán)繞方向與其正反面關(guān)系圖4 9 背面剔除模塊程序結(jié)構(gòu)圖4 9 三角形正反面判斷示意圖5 0 透視投影和平行投影示意圖5l 透視投影原理示意圖51 視口變換示意圖5 2 投影變換模塊程序結(jié)構(gòu)圖5 3 投影變換仿真波形圖5 4 三角形光柵化示意圖5 6 幾種走樣的示意圖5 7 w u 反走樣算法示意圖5 7 光柵化模塊程序結(jié)構(gòu)圖。5 8 三角形光柵化算法程序流程示意圖。5 9 i p 核反走樣示意圖6 0 三角形反走樣算法程序流程示意圖6l 片段處理模塊程序結(jié)構(gòu)圖6 3 三角形繪制效果圖。6 4 三角形縮放變換繪制效果圖6 4 遮擋繪制效果圖6 5 a l p h a 混合繪制效果圖6 5 g l b e g i n 命令字編碼參考表1 0 g l e n d 命令字編碼參考表1 1 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表2 9 表2 1 0 表2 1 l 表2 1 2 表2 1 3 表2 1 4 表2 1 5 表2 1 6 表2 1 7 表2 1 8 表2 1 9 表2 2 0 表2 2 l 表4 1 表4 2 表4 3 g l v e r t e x 3 i 命令字編碼參考表1 l g l r o t a t e i 命令字編碼參考表一1 2 g l t r a n s l a t e i 命令字編碼參考表1 3 g l s e a l e i 命令字編碼參考表1 4 g l n o r m a l 3 i 命令字編碼參考表1 4 g l e n a b l e 命令字編碼參考表15 g l d i s a b l e 命令字編碼參考表。1 6 g l m a t r i x m o d e 命令字編碼參考表1 6 g l l o a d l d e n t i t y 命令字編碼參考表1 7 g l l i g h t u b v 命令字編碼參考表17 g l l i g h t i 命令字編碼參考表。l 8 g l m a t e r i a l u b v 命令字編碼參考表1 9 g l m a t e r i a l i 命令字編碼參考表19 g l c l e a r c o l o r 命令字編碼參考表。2 0 g l s h a d e m o d e l 命令字編碼參考表2 1 g l c l e a r 命令字編碼參考表2 l g l c o l o r 4 u b 命令字編碼參考表2 2 g l f r u s t u m 命令字編碼參考表2 2 g l u t s w a p b u f f e r s 命令字編碼參考表2 3 平面對線段進行測試的結(jié)果列表。4 3 平面對三角形進行測試的結(jié)果列表4 4 線性插值公式對應(yīng)表4 8 v i i 基于f p g a 的3 d 圖形處理器i p 核的設(shè)計與實現(xiàn) g p u v g a t & l v s p s c u d a a p i o p e n g l v i i i 注釋表 圖形處理器( g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ) 視頻圖形陣歹u ( v i d e og r a p h i c s a r r a y ) 幾何變化和光照計算( t r a n f o r m & l i g h t i n g ) 頂點著色器( v e r t e xs h a d e r ) 像素著色器( p i x e ls h a d e r ) 統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)( c o m p u t eu n i f i e dd e v i c ea r c h i t e c t u r e ) 應(yīng)用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 開放性圖形庫( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 廣 生了很大的興趣， 由于圖形處理器( g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ，g p u ) 的高效實時性能以及靈活的可編程渲染能力， 面向可編程g p u 開發(fā)三維圖形系統(tǒng)逐漸成為人們關(guān)注的熱點，g p u 正以超越半導(dǎo)體技術(shù)摩爾定律 三倍的速度快速發(fā)展。下面首先介紹圖形處理器發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀。 1 1 1圖形處理器概念的提出 i b m 在1 9 8 7 提出了“視頻圖形陣列( v i d e og r a p h i c a r r a y ，v g a ) ”。最初的v g a 只是起 到一個緩存的目的，大量的圖形渲染工作還是交給c p u 去完成，由c p u 直接負責(zé)對所有像素 的更新。最初配備v g a 顯卡的p c 顯示系統(tǒng)如圖1 1 所示【2 1 。隨著人們需要顯示的圖形越來越 復(fù)雜，完全由c p u 來處理圖形已經(jīng)不能滿足需求，于是n v i d i a 在2 0 世紀(jì)9 0 年代后期引入了 “圖形處理器”，它分擔(dān)了c p u 大量關(guān)于圖形渲染的功能運算。到1 9 9 9 年，3 d 游戲的浪潮讓 人們第一次感受到圖形加速器的重要，從那個時候開始，圖形加速卡技術(shù)的發(fā)展就遠遠超越了 半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的摩爾定律。 c p u h 總線接口卜| 幀緩存hw a 控制器卜 一顯示器 顯卡 圖1 1 配備v g a 顯卡的p c 顯示系統(tǒng) 1 。1 2 圖形處理器的發(fā)展歷史 在圖形顯示技術(shù)發(fā)展的初期，圖形繪制工作全部由計算機中的中央處理器( c p u ) 完成，但 由于3 d 圖形繪制的運算量極大，因此最初的3 d 圖形顯示只能顯示一些線框模型，連最基本的 填充都無法實現(xiàn)。上個世紀(jì)8 0 年代，美國斯坦福大學(xué)的j i mc l a r k 教授提出用專用集成電路技 術(shù)實現(xiàn)3 d 圖形處理器的設(shè)想，他的學(xué)生于1 9 8 4 年推出了世界上第一個通用圖形工作站 i r i s l 4 0 0 并創(chuàng)立了s g i 公司 3 1 。圖形處理器的出現(xiàn)使圖形繪制的概念徹底發(fā)生了變化，隨之也 出現(xiàn)了許多相關(guān)的加速算法如遮擋檢測加速算法f 4 】、光線跟蹤加速算法【5 ，6 1 、體繪制加速算法f 7 ，8 9 】 1 基于f p g a 的3 d 圖形處理器i p 核的設(shè)計與實現(xiàn) 等，同時圖形繪制渲染流程也不斷改進。 最初的圖形處理器只是在軟件上實現(xiàn)圖形加速，因而被稱為圖形加速器n 們。1 9 9 9 年n v i d 認 首先提出了g p u 概念，并在硬件級別上實現(xiàn)了幾何變化和光照計算( t r a n f o r m & l i g h t i n g ，t & l ) 功能，但由于固定的渲染流水線，缺乏靈活性。2 0 0 1 年，新一代g p u 引入了可編程頂點著色器 ( v e r t e xs h a d e r ，v s ) 單元和可編程像素著色器( p i x e ls h a d e r ，p s ) 單元，使得頂點操作和像 素操作具有可編程性，大大提高了g p u 的靈活性，真正意義上實現(xiàn)了圖形處理器g p u 的概念n 1 1 。 之后g p u 的設(shè)計開發(fā)轉(zhuǎn)向在圖形管線的核心架構(gòu)上尋求更大的發(fā)展，最新一代圖形處理器采用 了創(chuàng)新的統(tǒng)一渲染架構(gòu)，在硬件實現(xiàn)上淡化了頂點編程與像素編程。 廣 總的歸納起來圖形處理器的發(fā)展可細分為八個階段： ( 1 ) 第一階段( 1 9 9 8 ) 一 這階段圖形處理器提供了兩個重要功能部分：深度緩沖區(qū)( z - b u f f e r ) 和紋理映射( t e x t u r e m a p p i n g ) ，深度緩沖執(zhí)行“隱藏面消除”這一工作，利用紋理映射功能則可以十分逼真地表達 物體表面細節(jié)，典型代表為n v i d i a 的t n t 2 。 ( 2 ) 第二階段( 1 9 9 9 - - , 2 0 0 0 ) 這階段圖形處理器從c p u 那里承擔(dān)了頂點變換和光照的計算工作，從硬件上實現(xiàn)了高速的 頂點變換，并支持立方體貼圖，支持o p e n g l 、d i r e c t x 7 。但是由于是固定的渲染流水線，缺乏 靈活性，束縛了開發(fā)人員的創(chuàng)造性。第二代圖形加速卡的代表是3 d f xv o o d o o 和n v i d i a r i v a l 2 8 。 ( 3 ) 第三階段( 2 0 0 1 ) 該階段圖形處理器提供了頂點編程能力，這一代圖形處理器只支持頂點編程，而缺乏真正 的像素編程能力。第三代g p u 架構(gòu)如圖1 2 所示，這一代圖形加速卡包括n v i d i a 的g e f o r c e 3 和g e f o r e e 4 t i ，其中g(shù) e f o r c e 3 已經(jīng)擁有6 0 0 8 0 0 級的流水線。 一 固定管線- h 光柵階段顯示器l 渲染列表 j 。 頂點著色器 。，。r 幾何階段 圖1 2 第三代g p u 架構(gòu) ( 4 ) 第四階段( 2 0 0 2 - 2 0 0 3 ) 第四階段的圖形處理器同時提供了巨大的頂點級和像素級的可編程能力，使得復(fù)雜的頂點 變換和像素著色操作從c p u 轉(zhuǎn)移到g p u 成為可能，從而進一步提供了更高級的圖形渲染功能。 2 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 第四代g p u 架構(gòu)如圖1 3 所示，這一代的圖形硬件主要包括n v i d i a 的g e f o r c ef x 系列。 h 固定管線卜h固定管線卜 渲染列表顯示器 頂點著色器，慘q 像素著色器 幾何階段光柵階段 ，圖1 3 第四代g p u 架構(gòu) ( 5 ) 第五階段( 2 0 0 4 ) ， 第五階段圖形處理器有三個平行的頂點著色引擎，另外還有8 條可完全編程像素管線和一 條高速d d r 圖形d r a m 總線，使應(yīng)用程序的性能達到新水平。其典型代表有n v i d i a g e f o r c e f x5 7 0 0 ，它每秒鐘可以處理多達2 6 0 萬個三角面，具有2 0 0 m 像素秒的像素填充率。 ( 6 ) 第六階段( 2 0 0 5 ) n v i d i ag e f o r c e6 系列g(shù) p u 提供了突破性的計算特性組合，g e f o r c e6 系列g(shù) p u 還具備 革命性的可靈活伸縮的架構(gòu)和一個高級片上視頻處理器。 ( 7 ) 第七階段( 2 0 0 6 ) n v i d i ag e f o r c e 7 系列g(shù) p u 是三維圖形處理技術(shù)的又一次飛躍，它可同時實現(xiàn)超炫幀速率 和卓越的圖像質(zhì)量，支持d i r e c t x9 0 c 及s h a d e rm o d e l3 0 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的超級渲染特效。 ( 8 ) 第八階段( 2 0 0 7 ) 采用了創(chuàng)新的統(tǒng)一渲染架構(gòu)，如圖1 4 所示。圖形管線( p i p e l i n e ) 架構(gòu)完全s h a d e r 化，在 硬件實現(xiàn)上淡化了頂點編程與像素編程實現(xiàn)，而在邏輯層次上可以處理頂點著色器、像素著色 器、幾何著色器( g e o m e t r ys h a d e r ) 以及基本的物理運算支持，其代表芯片是g e f o r c e 8 8 0 0 系 列。 山 渲萱與 掃 可 染 統(tǒng)一的處理器 霾荔 描 見顯 轉(zhuǎn) 性不 列 r 卅、換 測器 表 試 _ l夸 圖1 4 統(tǒng)一處理器架構(gòu) 3 基于f p g a 的3 d 圖形處理器i p 核的設(shè)計與實現(xiàn) 1 1 3 圖形處理器的發(fā)展現(xiàn)狀 g p u 除了具備可編程性外，還在圖形管線的核心架構(gòu)上有了很大的發(fā)展。如今的g p u 一 般包含多個頂點處理器以及多個像素處理器或者統(tǒng)一的處理器架構(gòu)，可編程的架構(gòu)使得用戶可 以非常方便的改變繪制的方法，并且利用了對浮點數(shù)據(jù)的處理來提高色彩表達的精確度，從而 渲染出非常逼真的效果【3 】，處理效率也明顯提升。 隨著圖形繪制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的圖形處理器可以以6 0 f p s 以上的刷新率來實時繪制一幅 具有上萬個三角面的非常細膩的場景，并且可以非常逼真的重現(xiàn)各種光照和紋理效果，這些圖 形處理器被廣泛應(yīng)用于圖形工作站或者普通的臺式計算機。為了提高處理速度，現(xiàn)代的g p u 還擁有幾百甚至上千個流水級，目前面向服務(wù)器和臺式計算機的g p u 的規(guī)模甚至擁有超過1 0 億個晶體管，己經(jīng)比中央處理器的規(guī)模大得多。由于g p u 強大的并行計算能力和超長流水線結(jié) 構(gòu)，以及快于c p u 三倍的發(fā)展速度，現(xiàn)在g p u 不僅僅局限于圖形領(lǐng)域的應(yīng)用，在各領(lǐng)域的通 用計算中也占一席之地，如：( 1 ) 數(shù)學(xué)領(lǐng)域的擴散方程和有限差分方程的求解【1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 】、快速 傅里葉變換17 1 、三維卷積【1 8 1 等，( 2 ) 物理領(lǐng)域的小波變換【1 9 1 、碰撞測試1 2 0 l 、流體和煙的模擬口1 1 、 光線跟蹤【5 6 七2 】等，n v i d i a 更是推出了統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)( c o m p u t eu n i f i e dd e v i c ea r c h i t e c t u r e ， c u d a ) 計算平臺【2 ”，將g p u 推廣到更為復(fù)雜的計算領(lǐng)域【2 4 2 5 1 ?，F(xiàn)在人們經(jīng)常會議論的話題 是：“將來g p u 會不會取代c p u 的地位” 2 6 l ，可見隨著時代的發(fā)展和市場的需求，也許有一 天g p u 真的會取代c p u 。g p u 正向著高浮點運算能力、可編程性、并行運算等方面全速發(fā)展。 1 2 研究嵌入式圖形處理器的意義 2 0 0 0 年以來，隨著嵌入式技術(shù)不斷發(fā)展，很多基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字化產(chǎn)品己經(jīng)成為繼 p c 機之后信息處理的又一大主要工具，從工業(yè)控制、軍事裝備、航空航天、網(wǎng)絡(luò)通訊，以及消 費類電子產(chǎn)品，都有嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，如：p d a 、手持或者車載導(dǎo)航設(shè)備以及掌上游戲機等， 它們都需要具備圖形處理的功能，并且顯示的內(nèi)容也正經(jīng)歷著從簡單2 d 圖形到真實感的3 d 圖 形的轉(zhuǎn)變。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大和深入，嵌入式系統(tǒng)越來越復(fù)雜，規(guī)模也不斷的擴大，在 這些系統(tǒng)中用戶對顯示圖像的幀率、像素顏色深度、圖像的尺寸以及性價比等方面也都提出了 更高的要求。3 d 圖形可以攜帶更多、更直觀的信息，因此在眾多的嵌入式應(yīng)用中，多媒體和圖 形圖像處理技術(shù)是當(dāng)今最為熱門的，擁有非常廣闊的市場前景，這一類型的嵌入式系統(tǒng)需要處 理的數(shù)據(jù)量很大，需要較強的人機交互能力即實時性，甚至必須配備圖形用戶界面。以手機為 例，最初的手機只是黑白屏的，只能發(fā)短信和接聽電話，而現(xiàn)在的手機不僅可以顯示絢麗的色 彩，還可以上網(wǎng)、看電影、玩3 d 游戲等，隨著3 g 網(wǎng)絡(luò)的普及，手機對圖形圖像特別是3 d 圖 形處理的要求將會越來越高，對處理速度的要求也會越來越快，而這當(dāng)然離不開嵌入式系統(tǒng)中 的g p u 。顯然傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中單純由嵌入式c p u 如a r m 等微控制器完成圖形圖像處理和 4 ， 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 顯示的方法己經(jīng)不能滿足這些新的要求，在這種情況下，研究和開發(fā)適用于嵌入式系統(tǒng)的圖形 加速技術(shù)就顯得愈加迫切和意義重大。廣泛的需求對嵌入式系統(tǒng)的圖形處理能力要求越來越高， 但由于嵌入式g p u 的研制受制于嵌入式系統(tǒng)性能，因此目前對這方面的研究還不是很多。 嵌入式圖形處理器可以幫助嵌入式微控制器完成圖形、圖像以及字符的顯示工作，將嵌入 式微控制器從繁重的圖形圖像顯示工作中解放出來。目前，雖然對嵌入式圖形加速方面問題的 研究分析工作在國內(nèi)外都有開展，但由于圖形加速算法比較復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)處理方法存 在相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，以及硬件圖形加速器的數(shù)據(jù)帶寬較大等原因?qū)е略S多問題的解決方案都不具 備通用性，并且缺乏靈活性，在各方面都還有許多研究工作可以展開。當(dāng)前，國外對嵌入式圖 形處理器已經(jīng)展開了全面的研究，也在相關(guān)領(lǐng)域取得了一定的成就，但由于關(guān)鍵算法和硬件設(shè) 計方案屬于圖形芯片廠家的核心技術(shù)，并受到知識產(chǎn)權(quán)保護，因此相關(guān)資料非常匾乏【2 2 & 2 9 1 。 電子產(chǎn)品一般都需要硬件和軟件的完美結(jié)合，圖形處理器中也需要一個i p 核才能完成對圖 形的處理。隨著可編程器件的快速發(fā)展，芯片的規(guī)模、密度、性能都有了巨大的變化，可編程 邏輯器件已成為計算機應(yīng)用、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、儀表儀器等領(lǐng)域廣受歡迎的器件，它 也是科學(xué)實驗、樣機研制、小批量生產(chǎn)的最佳選擇1 3 0 1 。利用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 開發(fā)產(chǎn)品，可以幫助用戶在保證合理成本的前提下，提高了設(shè)計的效率，利用f p g a 的可靈活 升級性，用戶可以滿足快速多變的市場需求，使自己的產(chǎn)品不斷的推成出新緊跟業(yè)界的發(fā)展趨 勢，做出有自己特色，自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，始終保持產(chǎn)品的差異性和領(lǐng)先性。因此我們的理 想目標(biāo)就是基于f p g a 用硬件描述語言( v e r i l o gh d l ) 來實現(xiàn)嵌入式3 d 圖形處理器的i p 核，最后 下載到驗證平臺的4 片f p g a 上進行功能驗證。 1 3 課題研究的目標(biāo)內(nèi)容及論文章節(jié)安排 本課題的任務(wù)是設(shè)計完善符合o p e n g l 標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式3 d 圖形處理器的i p 核。i p 核的設(shè)計 是在4 片e p 2 c 2 0 q 2 4 0 c 8 芯片上完成，該芯片有1 8 7 5 2 個邏輯單元和2 3 9 6 1 6 b i t sm e m o r y ，四 片f p g a 采用級聯(lián)的形式。由于嵌入式圖形處理器的設(shè)計規(guī)模要遠小于p c 機的圖形處理器， 所以i p 核采用了固定管線的渲染機制，圖形管線分為幾何和光柵兩部分。其理想研究目標(biāo)如下。 ( 1 ) 工作頻率為5 0 m h z 由于i p 核各模塊采用流水