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引言 在傳統的嵌入式系統上，三維圖形處理通常由嵌入式CPU獨自在軟件上完成。但隨著三維圖形應用程序功能的不斷強大，面對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。 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。硬件電路如圖3所示。
圖3 系統硬件電路 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4所示。
圖4 1.8V電源電路 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5所示。
圖5 ARM與FPGA接口電路 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6所示。
圖6 系統軟件架構 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。另外，作為嵌入式圖形系統，本文選用通用的圖形應用程序接口標準OpenGL作為圖形API，使得系統具有較好的通用性和實用價值。 參考文獻 1. 汪小澄，池誠. 基于S3C2410嵌入式系統的網絡接口設計[J]. 微計算機信息，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設計[J]. 儀器儀表標準化與計量，2007(6)，38~40 作者：南京航空航天大學信息科學與技術學院 夏小為 吳寧 劉靜 來源:電子設計應用2009年第12期 |
