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引言 在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)上，三維圖形處理通常由嵌入式CPU獨(dú)自在軟件上完成。但隨著三維圖形應(yīng)用程序功能的不斷強(qiáng)大，面對圖形處理的巨額運(yùn)算量，CPU變得不堪重負(fù)。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(fù)責(zé)運(yùn)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(yùn)算則由FPGA實現(xiàn)的GPU(圖形處理單元)進(jìn)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(biāo)圖形系統(tǒng)上運(yùn)行。 目前應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)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。 
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 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(yùn)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(jìn)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(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(dāng)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(jìn)行三維圖像顯示的LCD控制器的LCD總線。總線切換模塊負(fù)責(zé)兩類總線的切換，將合適的LCD總線掛接到LCD屏上進(jìn)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)。硬件電路如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)硬件電路 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4所示。
圖4 1.8V電源電路 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(yùn)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(jìn)行讀寫操作。接口電路如圖5所示。
圖5 ARM與FPGA接口電路 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(yùn)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6所示。
圖6 系統(tǒng)軟件架構(gòu) 考慮到嵌入式圖形系統(tǒng)除了進(jìn)行三維圖形處理之外，還應(yīng)當(dāng)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(jìn)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。另外，作為嵌入式圖形系統(tǒng)，本文選用通用的圖形應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)OpenGL作為圖形API，使得系統(tǒng)具有較好的通用性和實用價值。 參考文獻(xiàn) 1. 汪小澄，池誠. 基于S3C2410嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計[J]. 微計算機(jī)信息，2007，23(5-2)，131~133 2. 蔡弘，戴勝華. 基于ARM+FPGA的高速信號采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2007(6)，38~40 作者：南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 夏小為 吳寧 劉靜 來源:電子設(shè)計應(yīng)用2009年第12期 |
