为打破国外垄断，研发拥有自主知识产权的图形处理器GPU(Graphics Processing Unit)对国民经济以及增强国防力量具有极其重要的意义。西安邮电大学GPU项目组2009年研发了GPU及其配套软件OpenGL。为了验证设计的GPU，并为GPU应用开发建立平台，本文研发了一个异构多核片上系统SoC(System on Chip)平台。

本文在分析了嵌入式开源LEON3处理器^[1]、Linux操作系统和西安邮电大学自主研发的可编程图形处理器的基础上，提出异构多核SoC图形系统^[2]的设计，最后在DNV6_F2PCIE FPGA开发板进行系统验证。

1 系统论证

1.1 研究路线

首先构建一个C++的GPU算法仿真平台，并在其上进行图像渲染算法的研究；其次设计搭建System Verilog^[3]建立验证平台，并开始Verilog语言设计硬件和OpenGL相关软件的开发，为了加快硬件设计速度，采用了第三方IP；由于此系统电路规模较大，选择Xilinx公司的XC6VLX550T^[4]进行原型开发，并运行大量裸机OpenGL应用程序；最后加上嵌入式LEON3处理器、Linux操作系统，通过软件驱动和硬件接口完成CPU与GPU的数据交互，实现了一个完整的移动异构多核SoC图形处理系统，通过外部可编程的方式在FPGA上验证整个SoC系统，进而验证硬件设计的正确性。

1.2 关键技术与可行性分析

本系统采取软硬件协同设计技术、IP设计和复用技术、超深亚微米设计技术。涉及的关键技术包括系统描述、高层次的算法分析与设计、软硬件的划分、语言和编译器设计、微处理器设计、Linux操作系统在LEON3处理器上的运行、驱动软件和硬件接口设计、图形处理器的软硬件协同设计、异构系统的协同仿真验证以及图形界面的生成。针对上述涉及的关键技术提出了理论分析与仿真、验证和原型测试相结合的研究方法，制订了从系统的算法级到电路的RTL级，再到原型系统实现，逐级细化、逐级验证的技术路线。

采用Top-to-Down方法^[5]设计SoC芯片，充分考虑了异构多核SoC可编程图形处理器设计过程中所面临的挑战，保证了芯片功能和性能技术指标达到设计要求，有利于缩短开发周期，降低开发成本及产品的单片价格，符合SoC研究设计的客观规律。

2 系统的硬件设计

系统的硬件设计主要包括作为系统主机的嵌入式开源LEON3处理器设计和作为从机的可编程图形处理器设计。系统的整体硬件结构如图1所示。

系统主要数据流向：

(1)2D程序：上位机将镜像文件通过JTAG传到CPU-DDR中，CPU从中取出相应2D数据进行运算，将运算结果通过AHB/APB Bridge传到VGA，再将VGA的数据发送到GPU中的显控，最终传到显示器上显示。

(2)3D程序：CPU从CPU-DDR中取出相应的3D命令数据环，将数据环通过AHB Bridge传到GPU；GPU经过各级渲染，将渲染结果存储到GPU-DDR中；显控通过存储管理器从中取出数据，传到显示器上显示。

2.1 嵌入式LEON3处理器的设计

LEON3(basic version)作为整个系统的主机，是一款由欧洲航天总局旗下的Gaisler Research公司开发研制的32 bit、符合SPARC V8^[6]架构的、可配置、可综合适用于SoC设计中的开源处理器IP核[^7]，遵循GNU LGPL协议。LEON3内部包含7级整数流水线，具有可配置的TLB的内存管理MMU(Memory Management Unit)单元，支持硬件乘/除法器以及分立的指令与数据缓存，并将其设计为4核。它的源代码由可综合的VHDL代码构成，同时LEON系列处理器的性能也比较理想，可以达到大约0.85 MIPS/MHz。更大的好处是LEON处理器是一个公开源代码，遵循GNU。通过高速的AMBA AHB^[8]总线链接内存控制器及高速外部接口，低速的AMBA APB总线实现片上外设的接口，如定时器、串口、VGA等。

作为整个系统的主机，其功能如下：

(1)处理上位机发来的命令，并在主存中设置命令数据环，将处理命令放入环中；

(2)采用Linux操作系统作为系统运行平台，完成图形驱动处理；

(3)管理系统内存和输入/输出设备(键盘、鼠标、显示器)；

(4)运行2D程序；

(5)支持Sparc V8指令集、多核运行；

(6)支持以太网、串口、PS2、GPIO、WatchDog、Timer等外设，支持AHB总线扩展。

LEON3结构如图2所示。

2.2 可编程图形处理器硬件设计

可编程图形处理器采用传统GPU架构，并结合了可编程技术，经过9级流水线处理后，完成了一个3D基本图元的渲染过程。作为整个系统的从机，各级流水线及功能如下：

(1)命令处理器（CMD，1 core）：CPU在主存中设置命令数据环，将处理命令放入环中，命令处理器通过总线接口、DMA引擎从环中获取命令、数据或向量地址并进行解析，如果获得的命令是3D处理命令，则将命令下发给3D引擎；如果是命令处理器需要处理的命令(缓冲区对象操作、显示列表操作等），则在命令处理器中进行处理，而不发送给3D引擎。

(2)顶点染色器（VS，2 core）：完成几何变换（平移、缩放、旋转）、光照染色等功能。

(3)图元装配器（AS，1 ASIC）：图元装配将从VS发送出来的带有属性的顶点根据用户指定装配模式（由glBegin指定）装配为点、线、三角形。经过AS处理后，GPU后续的流水部件将不会识别顶点，而是识别基本图元点、线和三角形。

(4)平面裁剪（CLIP-Plane，1 core）：根据用户自定义裁剪平面（最多支持6个自定义裁剪平面）对基本图元进行裁剪。

(5)视景体裁剪（CLIP-3D，1 core）：根据用户所定义的视景体对基本图元进行视景体裁剪操作。

(6)视窗变换（HCW，1 core）：完成3D坐标向屏幕坐标的转换，经过HCW的处理后，基本图元将转变为屏幕上所见到的图元，为后续的光栅化做准备。

(7)光栅化（Rasterization，5 core）：Rasterization根据图元的屏幕坐标计算图元内部的所有像素值，并将像素传送给像素染色器。

(8)像素染色器（PS，4 core）：根据Rasterization所发送的片段信息计算片段的具体颜色，如果启用了纹理操作，则根据纹理函数参数信息对片段进行像素染色，最终将片段染色的值传送给段操作部件。

(9)片段操作（Fragment，1 ASIC）：接收PS所发送的片段信息，对片段进行后期的FOP等处理，处理完毕后将最终的像素值写入Frame Buffer中。

可编程图形处理器由15个处理器以及图元装配、片断操作、内部图像处理子集、MMU和直接内存存取DMA(Direct Memory Access)5个专用图形加速单元所构成。15个处理器均为可编程处理器，其中CMD和PS为定点处理器，其他的处理器为浮点处理器。图像处理子集、MMU和DMA功能如下：

(1)图像处理子集（PS_IMG_PROC, 1 ASIC）：完成对像素数据的处理，以及纹理和雾相关信息的存储。

(2)内存管理[9]（MMU，1 ASIC）：实现对GPU存储空间分配、存储读/写控制、存储空间回收以及存储保护、地址映射等，对有访存要求的SoC图形处理芯片渲染管线部件进行仲裁并予以实时响应，协调各模块对存储的访问，保证各个模块能够顺利地对存储器进行读/写操作；

(3)直接存储访问（DMA，1 ASIC）：从命令处理器那完全接管对总线的控制，数据交换不再经过命令处理器、图像处理子集，而直接在DDR或片上存储与CPU内存之间进行数据传送。可编程图形处理器结构图如图3所示。

可编程图形处理器功能如下：

(1)支持OpenGL 1.3；

(2)支持3D图元及相应几何变换；

(3)支持缓冲区对象、顶点数组和显示列表；

(4)每个时钟周期可同时支持4个像素的处理；

(5)支持6个平面裁剪、三维裁剪；

(6)支持多达8盏灯的方向性光照和位置性光照；

(7)支持Phong和Gouraud两种光照模型；

(8)采用32位深度缓冲，实现隐藏面消除；

(9)支持6幅纹理贴图；

(10)支持颜色、深度、累计、帧缓冲区；

(11)支持位图、图像绘制、图像读取、图像复制等图像操作。

3 实验数据

采用DINI公司DNV6_F2PCIE FPGA开发板验证系统，将LEON3集成到A片，ISE14.4综合频率为86.895 MHz，所占Slice为33%。将可编程图形处理器集成到B片，综合频率为97.032 MHz，所占Slice为76%。在Dini公司配套的EMU软件下，GPU实际工作频率最高为120 MHz(高于综合频率)，每个时钟周期可同时支持4个像素的处理，其图形渲染速度为120×4=480 MPixels/s，显示窗口为800×600，显示图像大小为640×480，38个时钟渲染完一个像素，如图4所示。

本文对异构SoC可编程图像系统硬件设计进行深入分析，并在FPGA上验证，得出了以下结论：

(1)采用开源LEON3处理器，大大降低了系统硬件开发成本，加快了硬件开发速度。

(2)CPU和GPU之间采用AHB总线通信，满足高性能、高时钟频率的系统模块之间的数据交互。

(3)采用自主研发的并行多核处理器架构，由15个微处理器和硬件加速协处理器构成可编程GPU。

(4)为了优化系统性能和节省芯片面积，部分微处理器的运算单元采用了定点设计，而其他处理器采用浮点设计，支持处理器并行SIMT运算，通过软件协调图形系统运行精度、性能、面积和功耗的平衡。

(5)为了加速图形运算，设计了GPU的图元装配、片段操作、图像处理子集、MMU和DMA 5个专用图形加速单元。

参考文献

[1] Aeroflex Gaisler.LEON/GRLIB configuration and development guide[EB/OL].(2014-04)[2014-05-08].http：//gaisler.com/products/grlib/guide.pdf.

[2] 王超.异构多核可重构片上网络系统关键技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2011.

[3] 山蕊，蒋林，李涛.基于System Verilog的可重用验证平台[J].电子技术应用，2013，39(5)：128-131.

[4] Xlinx中文官方网址[EB/OL].(2014)[2014].http：//china.xilinx.com/products/boards-and-kits/1-2BIW6U.htm.

[5] 沈理.SOC/ASIC设计验证和测试方法学[M].广州：中山大学出版社，2006.

[6] SPARC International.The SPARC architecture manual，version 8[M].Prentice Hall，1992.

[7] Aeroflex Gaisler.GRLIB IP library user′s manual version 1.3.0-B4133[EB/OL].(2013-01)[2014-05].http：//gaisler.com.

[8] Aeroflex Gaisler.GRLIB IP core user′s manual version 1.3.0-B4133[EB/OL].(2013-07)[2014-05].http：//gaisler.com.

[9] 肖灵芝.异构多核图形处理器存储系统设计与实现[J].电子技术应用，2013(5)：38-40.