基于ARM和FPGA架構(gòu)的三維圖形加速系統(tǒng)

　　系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

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

　　電源設計

　　本系統(tǒng)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(nèi)核電壓為1.8V，外部I/O和存儲器電壓為3.3V。系統(tǒng)選用低壓差穩(wěn)壓器AS1117實現(xiàn)這兩種電壓的轉(zhuǎn)換，固定輸出時只需三個引腳，如圖3所示?！　?CENTER sizset="4" sizcache="3">

　　本文使用TPS70345為FPGA提供1.2V內(nèi)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(qū)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?qū)PGA中總線接口模塊、圖形加速模塊、LCD控制器等的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作。接口電路如圖4所示?！　?CENTER sizset="5" sizcache="3">

　　系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　本文使用FPGA實現(xiàn)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(tǒng)上的圖形應用程序通過調(diào)用圖形API實現(xiàn)具體應用，而驅(qū)動程序?qū)D形API的調(diào)用轉(zhuǎn)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?！　?CENTER sizset="6" sizcache="3">

　　考慮到嵌入式圖形系統(tǒng)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(tǒng)。

　　驅(qū)動程序設計

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

　　本文中FPGA實現(xiàn)的圖形加速模塊作為一個設備掛接在系統(tǒng)中。系統(tǒng)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(qū)動，所有的流接口驅(qū)動程序都使用相同的一組流接口函數(shù)。

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

　　結(jié)語

　　本文設計了基于ARM和FPGA的嵌入式圖形系統(tǒng)，使用FPGA在硬件上實現(xiàn)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(tǒng)效率降低的問題。圖像顯示符合人眼對圖像連續(xù)性的要求。