基于ARM和FPGA架構(gòu)的三維圖形加速系統(tǒng)

　　引言

　　隨著圖形處理的巨額運算量，CPU變得不堪重負。此時，需要使用特定的硬件設(shè)備來為嵌入式CPU承擔(dān)圖形處理的任務(wù)。

　　具有三維圖形硬件加速能力的ARM+FPGA架構(gòu)嵌入式圖形系統(tǒng)就是其中一種解決方案。其中，ARM處理器負責(zé)運行嵌入式操作系統(tǒng)、執(zhí)行上層圖形應(yīng)用程序，而三維圖形處理所需的大量運算則由FPGA實現(xiàn)的GPU(圖形處理單元)進行。

　　圖形API簡介

　　在圖形系統(tǒng)中預(yù)先定義了一組圖形API，作為一個抽象層將圖形應(yīng)用程序和圖形系統(tǒng)的具體實現(xiàn)隔離開來。具體的圖形應(yīng)用程序都將通過這些圖形API來完成所有與繪制圖形相關(guān)的工作。這樣，同樣的應(yīng)用程序就可以在不同的目標圖形系統(tǒng)上運行。

　　目前應(yīng)用較為廣泛的標準圖形API主要有Direct3D和OpenGL。OpenGL定義了與具體硬件實現(xiàn)無關(guān)的軟件接口，并且不受制于具體的窗體系統(tǒng)。

　　本文選用23條OpenGL中最常用的API作為本系統(tǒng)的圖形API。在執(zhí)行應(yīng)用程序時，具體的圖形API被轉(zhuǎn)換成GPU可以處理的渲染列表數(shù)據(jù)格式，從而將計算任務(wù)轉(zhuǎn)交由GPU完成，實現(xiàn)對三維圖形處理的硬件加速。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計的嵌入式圖形系統(tǒng)由基于ARM處理器的最小系統(tǒng)、FPGA實現(xiàn)的圖形加速、LCD控制器等功能模塊，以及常用外設(shè)接口電路組成，如圖1所示?！　?/p>

　　基于ARM處理器的最小系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心模塊，主要由嵌入式處理器、系統(tǒng)內(nèi)存SDRAM和FLASH存儲器組成。SDRAM為處理器運行操作系統(tǒng)和執(zhí)行應(yīng)用程序提供內(nèi)存空間，F(xiàn)LASH用來存放系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。

　　圖形加速模塊是使用FPGA實現(xiàn)的嵌入式GPU，是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)硬件加速的關(guān)鍵部件。它通過內(nèi)部圖形處理流水線處理CPU生成的渲染列表，并最終形成像素數(shù)據(jù)寫入幀緩沖SRAM中供LCD進行顯示。該模塊在三維圖形處理中使用固定功能的圖形處理流水線，如圖2所示?！　?/p>

　　圖形加速模塊在一片SRAM中生成完整幀數(shù)據(jù)后將其控制權(quán)交給LCD控制器，并使用另一片SRAM繼續(xù)下一幀數(shù)據(jù)的計算。在新的一幀數(shù)據(jù)完成后便再次與LCD控制器交換控制權(quán)。LCD控制器通過SRAM仲裁模塊從當前顯示的幀緩存中讀出幀數(shù)據(jù)，生成符合LCD顯示屏要求的時序，完成三維數(shù)據(jù)的顯示。

　　系統(tǒng)中存在兩組LCD總線。一組是ARM處理器提供的LCD總線，用來顯示嵌入式操作系統(tǒng)的圖形用戶界面;另一組是進行三維圖像顯示的LCD控制器的LCD總線?？偩€切換模塊負責(zé)兩類總線的切換，將合適的LCD總線掛接到LCD屏上進行顯示。

　　系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　本文選用S3C2410嵌入式處理器和Cyclone II系列FPGA實現(xiàn)圖形加速以及其他功能模塊，輔以LCD屏、串口等外圍電路實現(xiàn)整個圖形系統(tǒng)。

　　電源設(shè)計

　　本系統(tǒng)需要多個不同電壓值的直流電源供電，包括5V、3.3V、1.8V和1.2V。其中5V電源從外部直流電源直接引入，而其他電壓值則由5V電壓變換得到。

　　S3C2410的內(nèi)核電壓為1.8V，外部I/O和存儲器電壓為3.3V。系統(tǒng)選用低壓差穩(wěn)壓器AS1117實現(xiàn)這兩種電壓的轉(zhuǎn)換，固定輸出時只需三個引腳，如圖3所示?！　?/p>

　　本文使用TPS70345為FPGA提供1.2V內(nèi)核電壓和3.3V IO電壓。

　　ARM與FPGA接口電路

　　生成三維圖形時，嵌入式微處理器上運行的圖形應(yīng)用程序生成三維圖形的渲染列表，并將渲染列表寫入到FPGA的渲染列表緩沖區(qū)中，等待圖形加速模塊的處理。ARM與FPGA接口電路既要保證可以完成渲染列表的寫操作，又要能夠?qū)PGA中總線接口模塊、圖形加速模塊、LCD控制器等的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作。接口電路如圖4所示?！　?/p>

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　本文使用FPGA實現(xiàn)整個三維圖形處理流水線，由硬件完成三維圖形生成和處理。運行在操作系統(tǒng)上的圖形應(yīng)用程序通過調(diào)用圖形API實現(xiàn)具體應(yīng)用，而驅(qū)動程序?qū)D形API的調(diào)用轉(zhuǎn)換成渲染列表，從而將具體的三維圖形處理任務(wù)交給硬件完成，如圖5所示?！　?/p>

　　考慮到嵌入式圖形系統(tǒng)除了進行三維圖形處理之外，還應(yīng)當能夠為用戶提供友好的用戶圖形操作界面，本文采用了Windows CE操作系統(tǒng)。

　　驅(qū)動程序設(shè)計

　　設(shè)備驅(qū)動程序在操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間建立了一個橋梁，讓操作系統(tǒng)能夠識別設(shè)備并為應(yīng)用程序提供設(shè)備服務(wù)。

　　本文中FPGA實現(xiàn)的圖形加速模塊作為一個設(shè)備掛接在系統(tǒng)中。系統(tǒng)在軟件上只需要將渲染列表寫到該設(shè)備的地址空間，因此本文使用了簡單的流式接口驅(qū)動，所有的流接口驅(qū)動程序都使用相同的一組流接口函數(shù)。

　　渲染列表的傳遞是不需要反饋的，系統(tǒng)將渲染列表寫入設(shè)備(GPU)后并不需要從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，因此流接口函數(shù)GPU_Read()并不需要實現(xiàn)具體功能，只在GPU_Write()中將渲染列表寫入到設(shè)備中。另外，系統(tǒng)在普通圖形界面和三維顯示兩種顯示模式下使用的是不同的LCD控制器。前者使用S3C2410中集成的LCD控制器，而后者使用的是FPGA模塊中實現(xiàn)的LCD控制器，兩種模式下通過LCD總線切換模塊進行切換。

　　結(jié)語

　　本文設(shè)計了基于ARM和FPGA的嵌入式圖形系統(tǒng)，使用FPGA在硬件上實現(xiàn)三維圖形處理，緩解嵌入式CPU在處理三維圖形時因計算量過大而導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低的問題。圖像顯示符合人眼對圖像連續(xù)性的要求。