基于ARM和FPGA架构的三维图形加速系统

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引言
　　随着图形处理的巨额运算量，CPU变得不堪重负。此时，需要使用特定的硬件设备来为嵌入式CPU承担图形处理的任务。
　　具有三维图形硬件加速能力的ARM+FPGA架构嵌入式图形系统就是其中一种解决方案。其中，ARM处理器负责运行嵌入式操作系统、执行上层图形应用程序，而三维图形处理所需的大量运算则由FPGA实现的GPU(图形处理单元)进行。
　　图形API简介
　　在图形系统中预先定义了一组图形API，作为一个抽象层将图形应用程序和图形系统的具体实现隔离开来。具体的图形应用程序都将通过这些图形API来完成所有与绘制图形相关的工作。这样，同样的应用程序就可以在不同的目标图形系统上运行。
　　目前应用较为广泛的标准图形API主要有Direct3D和OpenGL。OpenGL定义了与具体硬件实现无关的软件接口，并且不受制于具体的窗体系统。
　　本文选用23条OpenGL中最常用的API作为本系统的图形API。在执行应用程序时，具体的图形API被转换成GPU可以处理的渲染列表数据格式，从而将计算任务转交由GPU完成，实现对三维图形处理的硬件加速。
　　系统硬件设计
　　系统硬件结构
　　本文设计的嵌入式图形系统由基于ARM处理器的最小系统、FPGA实现的图形加速、LCD控制器等功能模块，以及常用外设接口电路组成，如图1所示。

图1 系统硬件结构

基于ARM处理器的最小系统是本系统的核心模块，主要由嵌入式处理器、系统内存SDRAM和FLASH存储器组成。SDRAM为处理器运行操作系统和执行应用程序提供内存空间，FLASH用来存放系统引导代码、操作系统内核和应用程序。
　　图形加速模块是使用FPGA实现的嵌入式GPU，是系统能够实现硬件加速的关键部件。它通过内部图形处理流水线处理CPU生成的渲染列表，并最终形成像素数据写入帧缓冲SRAM中供LCD进行显示。该模块在三维图形处理中使用固定功能的图形处理流水线，如图2所示。　　

图2 图形处理流水线示意图

图形加速模块在一片SRAM中生成完整帧数据后将其控制权交给LCD控制器，并使用另一片SRAM继续下一帧数据的计算。在新的一帧数据完成后便再次与LCD控制器交换控制权。LCD控制器通过SRAM仲裁模块从当前显示的帧缓存中读出帧数据，生成符合LCD显示屏要求的时序，完成三维数据的显示。
　　系统中存在两组LCD总线。一组是ARM处理器提供的LCD总线，用来显示嵌入式操作系统的图形用户界面;另一组是进行三维图像显示的LCD控制器的LCD总线。总线切换模块负责两类总线的切换，将合适的LCD总线挂接到LCD屏上进行显示。
　　系统硬件实现
　　本文选用S3C2410嵌入式处理器和Cyclone II系列FPGA实现图形加速以及其他功能模块，辅以LCD屏、串口等外围电路实现整个图形系统。
　　电源设计
　　本系统需要多个不同电压值的直流电源供电，包括5V、3.3V、1.8V和1.2V。其中5V电源从外部直流电源直接引入，而其他电压值则由5V电压变换得到。
　　S3C2410的内核电压为1.8V，外部I/O和存储器电压为3.3V。系统选用低压差稳压器AS1117实现这两种电压的转换，固定输出时只需三个引脚，如图3所示。

图3 1.8V电源电路
本文使用TPS70345为FPGA提供1.2V内核电压和3.3V IO电压。
　　ARM与FPGA接口电路
　　生成三维图形时，嵌入式微处理器上运行的图形应用程序生成三维图形的渲染列表，并将渲染列表写入到FPGA的渲染列表缓冲区中，等待图形加速模块的处理。ARM与FPGA接口电路既要保证可以完成渲染列表的写操作，又要能够对FPGA中总线接口模块、图形加速模块、LCD控制器等的内部寄存器进行读写操作。接口电路如图4所示。　　

图4 ARM与FPGA接口电路

系统软件设计
　　系统软件架构
　　本文使用FPGA实现整个三维图形处理流水线，由硬件完成三维图形生成和处理。运行在操作系统上的图形应用程序通过调用图形API实现具体应用，而驱动程序将图形API的调用转换成渲染列表，从而将具体的三维图形处理任务交给硬件完成，如图5所示。　

图5 系统软件架构

考虑到嵌入式图形系统除了进行三维图形处理之外，还应当能够为用户提供友好的用户图形操作界面，本文采用了Windows CE操作系统。
　　驱动程序设计
　　设备驱动程序在操作系统和硬件设备之间建立了一个桥梁，让操作系统能够识别设备并为应用程序提供设备服务。
　　本文中FPGA实现的图形加速模块作为一个设备挂接在系统中。系统在软件上只需要将渲染列表写到该设备的地址空间，因此本文使用了简单的流式接口驱动，所有的流接口驱动程序都使用相同的一组流接口函数。
　　渲染列表的传递是不需要反馈的，系统将渲染列表写入设备(GPU)后并不需要从设备中获取数据，因此流接口函数GPU_Read()并不需要实现具体功能，只在GPU_Write()中将渲染列表写入到设备中。另外，系统在普通图形界面和三维显示两种显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模块中实现的LCD控制器，两种模式下通过LCD总线切换模块进行切换。
　　结语
　　本文设计了基于ARM和FPGA的嵌入式图形系统，使用FPGA在硬件上实现三维图形处理，缓解嵌入式CPU在处理三维图形时因计算量过大而导致系统效率降低的问题。图像显示符合人眼对图像连续性的要求。