基于ARM和FPGA架構的三維圖形加速系統

　　系統硬件實現

　　本文選用S3C2410嵌入式處理器和Cyclone II系列FPGA實現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整個圖形系統。

　　電源設計

　　本系統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的內核電壓為1.8V，外部I/O和存儲器電壓為3.3V。系統選用低壓差穩壓器AS1117實現這兩種電壓的轉換，固定輸出時只需三個引腳，如圖3所示。　　

　　本文使用TPS70345為FPGA提供1.2V內核電壓和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行的圖形應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，又要能夠對FPGA中總線接口模塊、圖形加速模塊、LCD控制器等的內部寄存器進行讀寫操作。接口電路如圖4所示。　　

　　系統軟件設計

　　系統軟件架構

　　本文使用FPGA實現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。運行在操作系統上的圖形應用程序通過調用圖形API實現具體應用，而驅動程序將圖形API的調用轉換成渲染列表，從而將具體的三維圖形處理任務交給硬件完成，如圖5所示。　　

　　考慮到嵌入式圖形系統除了進行三維圖形處理之外，還應當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。

　　驅動程序設計

　　設備驅動程序在操作系統和硬件設備之間建立了一個橋梁，讓操作系統能夠識別設備并為應用程序提供設備服務。

　　本文中FPGA實現的圖形加速模塊作為一個設備掛接在系統中。系統在軟件上只需要將渲染列表寫到該設備的地址空間，因此本文使用了簡單的流式接口驅動，所有的流接口驅動程序都使用相同的一組流接口函數。

　　渲染列表的傳遞是不需要反饋的，系統將渲染列表寫入設備(GPU)后并不需要從設備中獲取數據，因此流接口函數GPU_Read()并不需要實現具體功能，只在GPU_Write()中將渲染列表寫入到設備中。另外，系統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模塊中實現的LCD控制器，兩種模式下通過LCD總線切換模塊進行切換。

　　結語

　　本文設計了基于ARM和FPGA的嵌入式圖形系統，使用FPGA在硬件上實現三維圖形處理，緩解嵌入式CPU在處理三維圖形時因計算量過大而導致系統效率降低的問題。圖像顯示符合人眼對圖像連續性的要求。