基于ARM+FPGA架構的三維圖形加速系統

引言

　　隨著圖形處理的巨額運算量，CPU變得不堪重負。此時，需要使用特定的硬件設備來為嵌入式CPU承擔圖形處理的任務。

　　具有三維圖形硬件加速能力的ARM+FPGA架構嵌入式圖形系統就是其中一種解決方案。其中，ARM處理器負責運行嵌入式操作系統、執行上層圖形應用程序，而三維圖形處理所需的大量運算則由FPGA實現的GPU(圖形處理單元)進行。

　　圖形API簡介

　　在圖形系統中預先定義了一組圖形API，作為一個抽象層將圖形應用程序和圖形系統的具體實現隔離開來。具體的圖形應用程序都將通過這些圖形API來完成所有與繪制圖形相關的工作。這樣，同樣的應用程序就可以在不同的目標圖形系統上運行。

　　目前應用較為廣泛的標準圖形API主要有Direct3D和OpenGL。OpenGL定義了與具體硬件實現無關的軟件接口，并且不受制于具體的窗體系統。

　　本文選用23條OpenGL中最常用的API作為本系統的圖形API。在執行應用程序時，具體的圖形API被轉換成GPU可以處理的渲染列表數據格式，從而將計算任務轉交由GPU完成，實現對三維圖形處理的硬件加速。

　　系統硬件設計

　　系統硬件結構

　　本文設計的嵌入式圖形系統由基于ARM處理器的最小系統、FPGA實現的圖形加速、LCD控制器等功能模塊，以及常用外設接口電路組成，如圖1所示。

　　圖1 系統硬件結構

　　基于ARM處理器的最小系統是本系統的核心模塊，主要由嵌入式處理器、系統內存SDRAM和FLASH存儲器組成。SDRAM為處理器運行操作系統和執行應用程序提供內存空間，FLASH用來存放系統引導代碼、操作系統內核和應用程序。

　　圖形加速模塊是使用FPGA實現的嵌入式GPU，是系統能夠實現硬件加速的關鍵部件。它通過內部圖形處理流水線處理CPU生成的渲染列表，并最終形成像素數據寫入幀緩沖SRAM中供LCD進行顯示。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中生成完整幀數據后將其控制權交給LCD控制器，并使用另一片SRAM繼續下一幀數據的計算。在新的一幀數據完成后便再次與LCD控制器交換控制權。LCD控制器通過SRAM仲裁模塊從當前顯示的幀緩存中讀出幀數據，生成符合LCD顯示屏要求的時序，完成三維數據的顯示。

　　系統中存在兩組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的圖形用戶界面;另一組是進行三維圖像顯示的LCD控制器的LCD總線。總線切換模塊負責兩類總線的切換，將合適的LCD總線掛接到LCD屏上進行顯示。