面向移动设备3D图形处理器的设计与实现

摘要

随着计算机图形学和桌面平台图形显卡的发展,高质量的3D图形绘制已经深入人心,基于图形学算法的高真实感绘制逐渐扩展到越来越多的日常应用之中,尤其是移动设备,手机,平板电脑,车载GPS,医疗和工业手持设备等。尽管3D图形绘制在PC平台已经相当成熟,但由于移动设备严格的低功耗与低存储带宽限制,无法把高性能高功耗高存储带宽的PC图形系统简单地裁剪移植到移动设备。而传统移动设备采用CPU软件模拟3D绘制的方案在性能上已远远不能满足应用程序的要求。在这种情况下,专门面向移动设备的图形硬件及应用程序编程接口才终于被重视。
　　本文针对移动设备的特点,在分析通用3D图形算法基础理论后,设计了一个32位可编程顶点处理器,有专用的指令存储器和数据Cache,支持4路SIMD及数据前推,主要用于计算几何变换和光照,并控制光栅、纹理和像素单元完成后续的图形绘制过程,提升整个图形绘制系统的灵活性。其中光栅部分采用更适合移动设备的基于区域分割的渲染架构,相应的片上区域深度缓存和帧缓存显著减少外部存储器访问,节省系统的存储器带宽资源和功耗。
　　本文经过底层软件编写的算法仿真验证以及整个图形系统的硬件RTL仿真验证后,使用SOPC设计方法在FPGA平台上搭建了包含图形绘制系统、Nios嵌入式CPU和嵌入式逻辑分析仪等组件。并用自定义的指令集编写了图形绘制示例程序的汇编代码,在FPGA平台上实现并验证了整个软硬件系统。系统工作在125MHz主频,能在20-25ms内绘制出双线性纹理滤波的近万个三角形。
　　基于FPGA平台的系统验证及对最终绘制效果的算法和硬件角度的分析。证明本文所提出的系统满足面向移动设备的3D图形绘制的基本要求,对进一步设计更完善的图形硬件系统,具有一定的参考价值。

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1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 3D图形绘制基本流程

1.3 图形绘制的发展历史及现状

1.4 论文所做主要工作

1.5 后续章节安排

2 3D图形算法基础

2.1初级绘制

2.2高级绘制

3 3D图形处理系统的设计

3.1移动平台特点分析

3.2系统执行流程

3.3图形算法实现

3.4顶层系统设计

3.5图形系统硬件设计

3.6顶点处理器设计

3.7 Tile光栅单元

3.8纹理单元

3.9像素单元

3.10显示接口

4 3D图形处理系统的仿真与FPGA实现

4.1 算法验证

4.2 RTL验证

4.3 FPGA实现

5 总结与展望

致谢

参考文献