（电路与系统专业论文）基于fpga的3d图像处理器ip核的设计与实现.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 导 以 撰 写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名萼兰一轧 日期：翌22 ：2 ，f 基 ， 一 的 方 杂 却 还有许多问题有待解决。因此，关于嵌入式g p u 的设计和研究具有重要的意义。 论文在深入了解计算机图形学及相关算法的基础上，回顾了图形处理器及其渲染机制的发 展历史，分析了图形系统的组成。论文采用o p e n g l 作为系统的图形a p i ，选取了2 1 条基本的 a p i 命令，定义了它们的渲染列表格式和命令字编码，并以此作为i p 核的设计规约。图形管线 分为几何和光栅两部分，最终细化为8 个模块，分别在四片f p g a 上用v e r i l o g 语言加以实现。 论文对g p u 的模块进行了详尽的分析与设计，重点研究实现了几何变换模块的缩放变换和组合 变换，光照模块中对两个光源的处理，以及三角形图元的剔除剪切与反走样。 i p 核的设计、建立、调试及综合仿真都在q u a r t u si i6 0 集成开发环境下面完成，i p 核工作 频率为5 0 m h z ，f p g a 的逻辑资源占用率在8 0 左右，共占用的逻辑单元在6 0 0 0 0l e 内。最 终在验证平台上能够正确执行所选的2 l 条a p i 命令，并能完成对三维物体的平移、缩放、光 照计算、剔除剪切以及光栅化等工作。 关键词：图形处理器，图形管线，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 图形处理器i p 核的设计与实现 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 所选a p i 命令的渲染列表格式及其编码的定义1 0 第三章i p 核的图形管线结构设计2 4 3 1 i p 核的图形管线结构2 4 3 2i p 核的验证平台2 5 3 3i p 核的硬件设计2 7 3 3 1f p g a l 模块的硬件设计2 7 3 3 2f p g a 2 模块的硬件设计2 8 3 3 3f p g a 3 模块的硬件设计2 9 3 3 4f p g a 4 模块的硬件设计。3 0 第四章i p 核几何部分的设计与实现。3 2 4 1i p 核所涉及坐标系的介绍3 2 4 2 几何变换模块3 3 4 2 1 几何变换的原理3 3 4 2 2 几何变换的实现3 5 4 3 光照模块3 7 4 3 1 光照的原理3 7 4 3 2 光照的实现3 8 4 4 图元装配模块4l 4 4 1 图元装配的原理。4 l 4 4 2 图元装配的实现一4 2 4 5 剔除剪切模块4 2 4 5 1 剔除剪切的原理4 2 4 5 2 剔除剪切的实现4 5 4 6 背面剔除模块4 8 i i i 基于f p g a 的3 d 图形处理器i p 核的设计与实现 4 6 1 背面剔除的原理。4 8 4 6 2 背面剔除的实现4 9 4 7 投影变换模块。5 0 4 7 1 投影变换的原理5 0 4 7 。2 投影变换的实现5 3 第五章i p 核光栅部分的设计与实现。5 5 5 1 光栅化模块5 5 5 1 1 光栅化的原理5 5 5 1 2 反走样的原理一5 6 5 ，1 ，3 光栅化的实现5 8 7 5 1 4 反走样的实现6 0 5 2 片段处理模块6 2 5 2 1 片段处理的原理6 2 5 2 2 片段处理的实现6 3 5 3i p 核的功能验证6 4 结论6 6 参考文献。6 8 j 1 5 【谢7 1 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 2 i v 1 ：! 3 3 7 7 8 8 图2 5 图形应用程序的执行流程9 图2 6g l b e g i n 的渲染列表格式l o 图2 7g l e n d 的渲染列表格式1 1 图2 8g l v e r t e x 3 i 的渲染列表格式1 1 图2 9g l r o t a t e i 的渲染列表格式1 2 图2 1 0g l t r a n s l a t e i 的渲染列表格式1 3 图2 1 1g l s c a l e i 的渲染列表格式。1 3 图2 1 2g l n o r m a l 3 i 的渲染列表格式1 4 图2 1 3g l e n a b l e 的渲染列表格式1 5 图2 1 4 g l d i s a b l e 的渲染列表格式l5 图2 1 5g l m a t d x m o d e 的渲染列表格式1 6 图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 图2 1 7 g l l i g h t u b v 的渲染列表格式1 7 图2 1 8g l l i g h t i 的渲染列表格式一18 图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 图2 2 0g l m a t e r i a l i 的渲染列表格式19 图2 2 1g l c l e a r c o l o r 的渲染列表格式2 0 图2 2 2g l s h a d e m o d e l 的渲染列表格式2 0 图2 2 3g l c l e a r 的渲染列表格式2l 图2 2 4 g l c o l o r 4 u b 的渲染列表格式2 2 图2 2 5 g l f r u s t u m 的渲染列表格式2 2 图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 图3 1i p 核图形管线的组成2 4 图3 2 验证平台的结构示意图2 6 图3 3i p 核各模块在f p g a 中的分配2 6 图3 4f p g a1 模块顶层模块硬件结构图2 7 图3 5e p um o d u l e 程序流程示意图2 8 图3 6f p g a 2 模块顶层模块硬件结构图2 8 v 基于f p g a 的3 d 图形处理器i p 核的设计与实现 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 表2 1 表2 2 v i f p g a 3 模块顶层模块硬件结构图2 9 m o d e l e o f m i d d l e 模块内部结构示意图3 0 f p g a 4 模块项层模块硬件结构图3 0 f r a g m e n t a n d r a s t e r i z e 模块内部结构示意图3 l 顶点坐标和法向量在各坐标系的变换示意图3 3 几何变换模块的程序结构图。3 5 几何变换仿真波形图3 6 顶点光照示意图3 8 光照模块的程序结构图。3 9 光照变换程序流程示意图。4 0 l 号光源仿真波形图4 0 图元装配对顶点数据流的解释4 1 图元装配模块程序结构图。4 2 点、线段的剔除剪切示意图4 3 视景体对三角形图元的剪切示意图4 4 剔除剪切模块程序结构图4 5 剔除剪切算法程序流程示意图4 6 三角形剔除剪切示意图4 7 三角形顶点环绕方向与其正反面关系图4 9 背面剔除模块程序结构图4 9 三角形正反面判断示意图5 0 透视投影和平行投影示意图5l 透视投影原理示意图51 视口变换示意图5 2 投影变换模块程序结构图5 3 投影变换仿真波形图5 4 三角形光栅化示意图5 6 几种走样的示意图5 7 w u 反走样算法示意图5 7 光栅化模块程序结构图。5 8 三角形光栅化算法程序流程示意图。5 9 i p 核反走样示意图6 0 三角形反走样算法程序流程示意图6l 片段处理模块程序结构图6 3 三角形绘制效果图。6 4 三角形缩放变换绘制效果图6 4 遮挡绘制效果图6 5 a l p h a 混合绘制效果图6 5 g l b e g i n 命令字编码参考表1 0 g l e n d 命令字编码参考表1 1 南京航空航天大学硕士学位论文 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 命令字编码参考表1 l g l r o t a t e i 命令字编码参考表一1 2 g l t r a n s l a t e i 命令字编码参考表1 3 g l s e a l e i 命令字编码参考表1 4 g l n o r m a l 3 i 命令字编码参考表1 4 g l e n a b l e 命令字编码参考表15 g l d i s a b l e 命令字编码参考表。1 6 g l m a t r i x m o d e 命令字编码参考表1 6 g l l o a d l d e n t i t y 命令字编码参考表1 7 g l l i g h t u b v 命令字编码参考表17 g l l i g h t i 命令字编码参考表。l 8 g l m a t e r i a l u b v 命令字编码参考表1 9 g l m a t e r i a l i 命令字编码参考表19 g l c l e a r c o l o r 命令字编码参考表。2 0 g l s h a d e m o d e l 命令字编码参考表2 1 g l c l e a r 命令字编码参考表2 l g l c o l o r 4 u b 命令字编码参考表2 2 g l f r u s t u m 命令字编码参考表2 2 g l u t s w a p b u f f e r s 命令字编码参考表2 3 平面对线段进行测试的结果列表。4 3 平面对三角形进行测试的结果列表4 4 线性插值公式对应表4 8 v i i 基于f p g a 的3 d 图形处理器i p 核的设计与实现 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 注释表 图形处理器( g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ) 视频图形阵歹u ( v i d e og r a p h i c s a r r a y ) 几何变化和光照计算( t r a n f o r m & l i g h t i n g ) 顶点着色器( v e r t e xs h a d e r ) 像素着色器( p i x e ls h a d e r ) 统一计算设备架构( 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 ) 应用程序接口( 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 ) 开放性图形库( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 广 生了很大的兴趣， 由于图形处理器( g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ，g p u ) 的高效实时性能以及灵活的可编程渲染能力， 面向可编程g p u 开发三维图形系统逐渐成为人们关注的热点，g p u 正以超越半导体技术摩尔定律 三倍的速度快速发展。下面首先介绍图形处理器发展的历史和现状。 1 1 1图形处理器概念的提出 i b m 在1 9 8 7 提出了“视频图形阵列( 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 到一个缓存的目的，大量的图形渲染工作还是交给c p u 去完成，由c p u 直接负责对所有像素 的更新。最初配备v g a 显卡的p c 显示系统如图1 1 所示【2 1 。随着人们需要显示的图形越来越 复杂，完全由c p u 来处理图形已经不能满足需求，于是n v i d i a 在2 0 世纪9 0 年代后期引入了 “图形处理器”，它分担了c p u 大量关于图形渲染的功能运算。到1 9 9 9 年，3 d 游戏的浪潮让 人们第一次感受到图形加速器的重要，从那个时候开始，图形加速卡技术的发展就远远超越了 半导体技术发展的摩尔定律。 c p u h 总线接口卜| 帧缓存hw a 控制器卜 一显示器 显卡 图1 1 配备v g a 显卡的p c 显示系统 1 。1 2 图形处理器的发展历史 在图形显示技术发展的初期，图形绘制工作全部由计算机中的中央处理器( c p u ) 完成，但 由于3 d 图形绘制的运算量极大，因此最初的3 d 图形显示只能显示一些线框模型，连最基本的 填充都无法实现。上个世纪8 0 年代，美国斯坦福大学的j i mc l a r k 教授提出用专用集成电路技 术实现3 d 图形处理器的设想，他的学生于1 9 8 4 年推出了世界上第一个通用图形工作站 i r i s l 4 0 0 并创立了s g i 公司 3 1 。图形处理器的出现使图形绘制的概念彻底发生了变化，随之也 出现了许多相关的加速算法如遮挡检测加速算法f 4 】、光线跟踪加速算法【5 ，6 1 、体绘制加速算法f 7 ，8 9 】 1 基于f p g a 的3 d 图形处理器i p 核的设计与实现 等，同时图形绘制渲染流程也不断改进。 最初的图形处理器只是在软件上实现图形加速，因而被称为图形加速器n 们。1 9 9 9 年n v i d 认 首先提出了g p u 概念，并在硬件级别上实现了几何变化和光照计算( 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线，缺乏灵活性。2 0 0 1 年，新一代g p u 引入了可编程顶点着色器 ( v e r t e xs h a d e r ，v s ) 单元和可编程像素着色器( p i x e ls h a d e r ，p s ) 单元，使得顶点操作和像 素操作具有可编程性，大大提高了g p u 的灵活性，真正意义上实现了图形处理器g p u 的概念n 1 1 。 之后g p u 的设计开发转向在图形管线的核心架构上寻求更大的发展，最新一代图形处理器采用 了创新的统一渲染架构，在硬件实现上淡化了顶点编程与像素编程。 广 总的归纳起来图形处理器的发展可细分为八个阶段： ( 1 ) 第一阶段( 1 9 9 8 ) 一 这阶段图形处理器提供了两个重要功能部分：深度缓冲区( z - b u f f e r ) 和纹理映射( t e x t u r e m a p p i n g ) ，深度缓冲执行“隐藏面消除”这一工作，利用纹理映射功能则可以十分逼真地表达 物体表面细节，典型代表为n v i d i a 的t n t 2 。 ( 2 ) 第二阶段( 1 9 9 9 - - , 2 0 0 0 ) 这阶段图形处理器从c p u 那里承担了顶点变换和光照的计算工作，从硬件上实现了高速的 顶点变换，并支持立方体贴图，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线，缺乏 灵活性，束缚了开发人员的创造性。第二代图形加速卡的代表是3 d f xv o o d o o 和n v i d i a r i v a l 2 8 。 ( 3 ) 第三阶段( 2 0 0 1 ) 该阶段图形处理器提供了顶点编程能力，这一代图形处理器只支持顶点编程，而缺乏真正 的像素编程能力。第三代g p u 架构如图1 2 所示，这一代图形加速卡包括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 e f o r c e 3 已经拥有6 0 0 8 0 0 级的流水线。 一 固定管线- h 光栅阶段显示器l 渲染列表 j 。 顶点着色器 。，。r 几何阶段 图1 2 第三代g p u 架构 ( 4 ) 第四阶段( 2 0 0 2 - 2 0 0 3 ) 第四阶段的图形处理器同时提供了巨大的顶点级和像素级的可编程能力，使得复杂的顶点 变换和像素着色操作从c p u 转移到g p u 成为可能，从而进一步提供了更高级的图形渲染功能。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第四代g p u 架构如图1 3 所示，这一代的图形硬件主要包括n v i d i a 的g e f o r c ef x 系列。 h 固定管线卜h固定管线卜 渲染列表显示器 顶点着色器，惨q 像素着色器 几何阶段光栅阶段 ，图1 3 第四代g p u 架构 ( 5 ) 第五阶段( 2 0 0 4 ) ， 第五阶段图形处理器有三个平行的顶点着色引擎，另外还有8 条可完全编程像素管线和一 条高速d d r 图形d r a m 总线，使应用程序的性能达到新水平。其典型代表有n v i d i a g e f o r c e f x5 7 0 0 ，它每秒钟可以处理多达2 6 0 万个三角面，具有2 0 0 m 像素秒的像素填充率。 ( 6 ) 第六阶段( 2 0 0 5 ) n v i d i ag e f o r c e6 系列g p u 提供了突破性的计算特性组合，g e f o r c e6 系列g p u 还具备 革命性的可灵活伸缩的架构和一个高级片上视频处理器。 ( 7 ) 第七阶段( 2 0 0 6 ) n v i d i ag e f o r c e 7 系列g p u 是三维图形处理技术的又一次飞跃，它可同时实现超炫帧速率 和卓越的图像质量，支持d i r e c t x9 0 c 及s h a d e rm o d e l3 0 技术，能够实现复杂的超级渲染特效。 ( 8 ) 第八阶段( 2 0 0 7 ) 采用了创新的统一渲染架构，如图1 4 所示。图形管线( p i p e l i n e ) 架构完全s h a d e r 化，在 硬件实现上淡化了顶点编程与像素编程实现，而在逻辑层次上可以处理顶点着色器、像素着色 器、几何着色器( g e o m e t r ys h a d e r ) 以及基本的物理运算支持，其代表芯片是g e f o r c e 8 8 0 0 系 列。 山 渲萱与 扫 可 染 统一的处理器 霾荔 描 见显 转 性不 列 r 卅、换 测器 表 试 _ l夸 图1 4 统一处理器架构 3 基于f p g a 的3 d 图形处理器i p 核的设计与实现 1 1 3 图形处理器的发展现状 g p u 除了具备可编程性外，还在图形管线的核心架构上有了很大的发展。如今的g p u 一 般包含多个顶点处理器以及多个像素处理器或者统一的处理器架构，可编程的架构使得用户可 以非常方便的改变绘制的方法，并且利用了对浮点数据的处理来提高色彩表达的精确度，从而 渲染出非常逼真的效果【3 】，处理效率也明显提升。 随着图形绘制技术的发展，现代的图形处理器可以以6 0 f p s 以上的刷新率来实时绘制一幅 具有上万个三角面的非常细腻的场景，并且可以非常逼真的重现各种光照和纹理效果，这些图 形处理器被广泛应用于图形工作站或者普通的台式计算机。为了提高处理速度，现代的g p u 还拥有几百甚至上千个流水级，目前面向服务器和台式计算机的g p u 的规模甚至拥有超过1 0 亿个晶体管，己经比中央处理器的规模大得多。由于g p u 强大的并行计算能力和超长流水线结 构，以及快于c p u 三倍的发展速度，现在g p u 不仅仅局限于图形领域的应用，在各领域的通 用计算中也占一席之地，如：( 1 ) 数学领域的扩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 傅里叶变换17 1 、三维卷积【1 8 1 等，( 2 ) 物理领域的小波变换【1 9 1 、碰撞测试1 2 0 l 、流体和烟的模拟口1 1 、 光线跟踪【5 6 七2 】等，n v i d i a 更是推出了统一计算设备架构( 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 ) 计算平台【2 ”，将g p u 推广到更为复杂的计算领域【2 4 2 5 1 。现在人们经常会议论的话题 是：“将来g p u 会不会取代c p u 的地位” 2 6 l ，可见随着时代的发展和市场的需求，也许有一 天g p u 真的会取代c p u 。g p u 正向着高浮点运算能力、可编程性、并行运算等方面全速发展。 1 2 研究嵌入式图形处理器的意义 2 0 0 0 年以来，随着嵌入式技术不断发展，很多基于嵌入式系统的数字化产品己经成为继 p c 机之后信息处理的又一大主要工具，从工业控制、军事装备、航空航天、网络通讯，以及消 费类电子产品，都有嵌入式系统的应用，如：p d a 、手持或者车载导航设备以及掌上游戏机等， 它们都需要具备图形处理的功能，并且显示的内容也正经历着从简单2 d 图形到真实感的3 d 图 形的转变。随着应用领域的不断扩大和深入，嵌入式系统越来越复杂，规模也不断的扩大，在 这些系统中用户对显示图像的帧率、像素颜色深度、图像的尺寸以及性价比等方面也都提出了 更高的要求。3 d 图形可以携带更多、更直观的信息，因此在众多的嵌入式应用中，多媒体和图 形图像处理技术是当今最为热门的，拥有非常广阔的市场前景，这一类型的嵌入式系统需要处 理的数据量很大，需要较强的人机交互能力即实时性，甚至必须配备图形用户界面。以手机为 例，最初的手机只是黑白屏的，只能发短信和接听电话，而现在的手机不仅可以显示绚丽的色 彩，还可以上网、看电影、玩3 d 游戏等，随着3 g 网络的普及，手机对图形图像特别是3 d 图 形处理的要求将会越来越高，对处理速度的要求也会越来越快，而这当然离不开嵌入式系统中 的g p u 。显然传统的嵌入式系统中单纯由嵌入式c p u 如a r m 等微控制器完成图形图像处理和 4 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 显示的方法己经不能满足这些新的要求，在这种情况下，研究和开发适用于嵌入式系统的图形 加速技术就显得愈加迫切和意义重大。广泛的需求对嵌入式系统的图形处理能力要求越来越高， 但由于嵌入式g p u 的研制受制于嵌入式系统性能，因此目前对这方面的研究还不是很多。 嵌入式图形处理器可以帮助嵌入式微控制器完成图形、图像以及字符的显示工作，将嵌入 式微控制器从繁重的图形图像显示工作中解放出来。目前，虽然对嵌入式图形加速方面问题的 研究分析工作在国内外都有开展，但由于图形加速算法比较复杂，标准的图像数据处理方法存 在相当的复杂性，以及硬件图形加速器的数据带宽较大等原因导致许多问题的解决方案都不具 备通用性，并且缺乏灵活性，在各方面都还有许多研究工作可以展开。当前，国外对嵌入式图 形处理器已经展开了全面的研究，也在相关领域取得了一定的成就，但由于关键算法和硬件设 计方案属于图形芯片厂家的核心技术，并受到知识产权保护，因此相关资料非常匾乏【2 2 & 2 9 1 。 电子产品一般都需要硬件和软件的完美结合，图形处理器中也需要一个i p 核才能完成对图 形的处理。随着可编程器件的快速发展，芯片的规模、密度、性能都有了巨大的变化，可编程 逻辑器件已成为计算机应用、通信技术、自动控制技术、仪表仪器等领域广受欢迎的器件，它 也是科学实验、样机研制、小批量生产的最佳选择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 ) 开发产品，可以帮助用户在保证合理成本的前提下，提高了设计的效率，利用f p g a 的可灵活 升级性，用户可以满足快速多变的市场需求，使自己的产品不断的推成出新紧跟业界的发展趋 势，做出有自己特色，自主知识产权的产品，始终保持产品的差异性和领先性。因此我们的理 想目标就是基于f p g a 用硬件描述语言( v e r i l o gh d l ) 来实现嵌入式3 d 图形处理器的i p 核，最后 下载到验证平台的4 片f p g a 上进行功能验证。 1 3 课题研究的目标内容及论文章节安排 本课题的任务是设计完善符合o p e n g l 标准的嵌入式3 d 图形处理器的i p 核。i p 核的设计 是在4 片e p 2 c 2 0 q 2 4 0 c 8 芯片上完成，该芯片有1 8 7 5 2 个逻辑单元和2 3 9 6 1 6 b i t sm e m o r y ，四 片f p g a 采用级联的形式。由于嵌入式图形处理器的设计规模要远小于p c 机的图形处理器， 所以i p 核采用了固定管线的渲染机制，图形管线分为几何和光栅两部分。其理想研究目标如下。 ( 1 ) 工作频率为5 0 m h z 由于i p 核各模块采用流水