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基于ARM+FPGA架構的三維圖形加速系統

作者: 時間:2011-08-29 來源:網絡 收藏

引言

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/150275.htm

  隨著處理的巨額運算量,CPU變得不堪重負。此時,需要使用特定的硬件設備來為嵌入式CPU承擔處理的任務。

  具有硬件能力的+嵌入式圖形就是其中一種解決方案。其中,處理器負責運行嵌入式操作、執(zhí)行上層圖形應用程序,而圖形處理所需的大量運算則由實現的GPU(圖形處理單元)進行。

  圖形API簡介

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

  目前應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無關的軟件接口,并且不受制于具體的窗體系統。

  本文選用23條OpenGL中最常用的API作為本系統的圖形API。在執(zhí)行應用程序時,具體的圖形API被轉換成GPU可以處理的渲染列表數據格式,從而將計算任務轉交由GPU完成,實現對圖形處理的硬件。

  系統硬件設計

  系統硬件結構

  本文設計的嵌入式圖形系統由處理器的最小系統、實現的圖形、LCD控制器等功能模塊,以及常用外設接口電路組成,如圖1所示。

  

基于ARM+FPGA架構的三維圖形加速系統硬件圖

  圖1 系統硬件結構

  ARM處理器的最小系統是本系統的核心模塊,主要由嵌入式處理器、系統內存SDRAM和FLASH存儲器組成。SDRAM為處理器運行操作系統和執(zhí)行應用程序提供內存空間,FLASH用來存放系統引導代碼、操作系統內核和應用程序。

  圖形加速模塊是使用FPGA實現的嵌入式GPU,是系統能夠實現硬件加速的關鍵部件。它通過內部圖形處理流水線處理CPU生成的渲染列表,并最終形成像素數據寫入幀緩沖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。

  

圖形處理流水線示意圖

  圖2 圖形處理流水線示意圖

  圖形加速模塊在一片SRAM中生成完整幀數據后將其控制權交給LCD控制器,并使用另一片SRAM繼續(xù)下一幀數據的計算。在新的一幀數據完成后便再次與LCD控制器交換控制權。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據,生成符合LCD顯示屏要求的時序,完成三維數據的顯示。

  系統中存在兩組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€切換模塊負責兩類總線的切換,將合適的LCD總線掛接到LCD屏上進行顯示。


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