嵌入式GPU高剔除率裁剪单元与全系统仿真平台的研究

摘要

近年来,随着嵌入式设备特别是智能手机的高速发展,人们对于嵌入式设备上的图形显示品质和分辨率要求越来越高,单单依靠嵌入式CPU已经很难满足图形绘制的要求,因此嵌入式图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU),越来越得到人们的关注,面向嵌入式移动终端的专用3D图形处理单元的研究已成为各大厂商和研究机构的研究热点。嵌入式GPU在功能上与面向桌面应用的传统GPU并无区别,但是介于嵌入式系统在面积和功耗上的严格约束,嵌入式GPU中可编程着色器核心数量极为有限,这就要求嵌入式GPU在图形渲染时,最大程度地减少对场景外的三角形的处理,减轻着色器的计算量,提高整体的性能。另一方面,随着嵌入式GPU体系结构中可集成的功能部件规模日益庞大,对未来嵌入式GPU硬件结构的设计带来了极大的风险,导致嵌入式GPU在硬件微结构设计、系统软件开发和软硬件协同验证等阶段的设计时间不断延长。本文针对上述问题,从嵌入式GPU的裁剪单元和全系统仿真平台方面展开研究工作,为嵌入式GPU的研究和设计提供理论和技术基础。
　　首先,本文提出了一种高剔除率的嵌入式GPU裁剪单元来剔除场景外的三角形,以减少后续单元的计算量。裁剪是图形流水线的一部分,主要目的是剔除场景外的三角形,减少光栅化以及后面步骤的计算量。本文将裁剪分为两个阶段:预裁剪阶段和裁剪阶段,在预裁剪阶段,提出了编码方法和斜率判定相结合的方法,使得预裁剪阶段的剔除率提高了10％以上,在裁剪阶段,利用双裁剪面同时裁剪,将原来裁剪的过程减少了一半。
　　其次,本文基于QEMU虚拟机和SystemC硬件建模技术提出了嵌入式GPU全系统仿真平台,使得嵌入式GPU及SoC系统设计开发早期便能提供一套具有高抽象层次的完整软硬件协同设计与验证环境,在设计的早期即可针对嵌入式GPU图形系统进行功能性验证和架构的设计空间探测,通过软硬件协同平台降低设计风险,减少设计成本,提高设计效率。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本文主要工作和贡献

1.3 本文组织结构

第二章 国内外研究现状

2.1 传统裁剪算法和嵌入式GPU裁剪单元研究现状

2.2 仿真平台的研究现状

第三章 嵌入式GPU高剔除率的裁剪算法设计

3.1 裁剪算法

3.2 预裁剪算法

3.3 裁剪求交算法

3.4 总结

第四章 嵌入式GPU高剔除率裁剪单元硬件设计

4.1 寄存器组和编码单元

4.2 共用运算单元

4.3 预裁剪单元

4.4 SH裁剪单元

4.5 硬件实现结果

4.6 本章总结

第五章 嵌入式GPU仿真平台研究

5.1 SoC混合仿真平台

5.2 嵌入式GPU体系结构建模

5.3 嵌入式GPU仿真平台软-硬件协同仿真

5.4 总结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢