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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于OpenGL的圖形加速器
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 作為研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)GPU芯片的積極探索，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于OpenGL的圖形加速器，可實(shí)現(xiàn)圖形的幾何變換、圖元裝配、投影變換、視窗變換、掃描轉(zhuǎn)換和消隱等功能。
- 詳細(xì)介紹：
- 基于對(duì)OpenGL圖形加速器體系架構(gòu)的探索與研究，本項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)了加速器原型系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由命令輸入模塊、軟件控制模塊（NiosII核）、圖形加速器、命令顯示模塊、圖形顯示模塊組成。PS/2鍵盤發(fā)出的鍵值碼經(jīng)鍵盤控制器送到軟件控制模塊（NiosII核）。軟件控制模塊將收到的鍵值依據(jù)指令編碼規(guī)則解析為有效或無效指令，并將指令以字符的形式送給LCD顯示，同時(shí)軟件控制模塊將解析后的指令以機(jī)器命令的形式送給圖形加速器，圖形加速器處理之后將用于生成目標(biāo)圖形的顯示數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)于顯存SDRAM，VGA控制器從這一區(qū)域讀出數(shù)據(jù)后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序發(fā)給顯示器，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖形的屏幕顯示。圖形加速器是系統(tǒng)的核心模塊，針對(duì)本圖形加速器原型系統(tǒng)我們?cè)O(shè)計(jì)了獨(dú)立的指令系統(tǒng)，共包括26條指令。每條指令由18個(gè)字節(jié)(144位)組成，具體格式為：8位操作碼，8位控制字，128位數(shù)據(jù)字。圖形加速器采用流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖形的定位（形狀、位置的確定）、著色和光柵化操作。加速器流水線包括：幾何變換、圖元裝配、投影變換、視窗變換，掃描轉(zhuǎn)換和消隱等單元。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的： 1.設(shè)計(jì)基于OpenGL的圖形加速器，用硬件電路替代軟件程序庫實(shí)現(xiàn)圖形處理，提高基于OpenGL應(yīng)用程序的圖形渲染速度； 2.研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖形處理器體系結(jié)構(gòu)，打破我國GPU芯片受制于人的被動(dòng)局面。 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的基本思路： 1.研究OpenGL系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)圖形渲染命令集； 2.研究國外GPU芯片的體系結(jié)構(gòu)，確定本圖形加速器的實(shí)現(xiàn)方案； 3.研究圖形渲染關(guān)鍵算法，提出具體實(shí)現(xiàn)方案； 4.進(jìn)行圖形加速器的硬件設(shè)計(jì)，編寫相關(guān)代碼； 5.建立硬件電路的仿真驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)； 6.構(gòu)建圖形加速器的原型系統(tǒng)。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.自主設(shè)計(jì)圖元裝配算法。本算法可以處理OpenGL支持的10種基本圖元，硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡潔。 2.優(yōu)化三角形掃描算法。該算法的硬件電路實(shí)現(xiàn)使系統(tǒng)速度獲得較大提升。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.圖形加速器采用流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖形的各種操作，本加速器的流水線結(jié)構(gòu)為：命令處理、幾何變換、圖元裝配、投影變換、齊次化、視窗變換、掃描轉(zhuǎn)換和消隱等單元。 2.各級(jí)流水線間的通信采用雙軌握手協(xié)議。 3.軟件仿真平臺(tái)采用圖形渲染管線流水模型，兼容了OpenGL指令系統(tǒng)； 4.硬件電路采用SystemVerilog驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，該平臺(tái)可產(chǎn)生定向測(cè)試數(shù)據(jù)和隨機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.系統(tǒng)主頻為70MHz； 2.繪制三角形的速率為10萬個(gè)/秒。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1作品的科學(xué)性 本作品是基于開放性圖形語言（OpenGL）設(shè)計(jì)的硬件圖形加速器。OpenGL作為圖形硬件的一種軟件接口，提供了一組功能強(qiáng)大又非?；镜匿秩竞瘮?shù)，所有的高級(jí)繪圖操作都是在這些函數(shù)的基礎(chǔ)上完成的。我們通過深入研究OpenGL的命令集與系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了本作品的體系結(jié)構(gòu)，使得該作品具有設(shè)計(jì)上的科學(xué)性。 2作品的先進(jìn)性 算法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化：在圖元裝配模塊中，自主創(chuàng)新的圖元裝配（Primitives Generation Algorithm）算法專為圖元分類解析設(shè)計(jì)，該算法的硬件電路易于實(shí)現(xiàn)。針對(duì)掃描轉(zhuǎn)換模塊的計(jì)算量大，我們優(yōu)化了三角形掃描算法，該算法掃描速度快，從整體上提高了流水線的處理速度。 完整的仿真平臺(tái)和驗(yàn)證平臺(tái)：時(shí)鐘級(jí)仿真平臺(tái)GPUsim，是按照GPU的流水渲染管線設(shè)計(jì)的，兼容了OpenGL指令系統(tǒng)。硬件驗(yàn)證平臺(tái)基于業(yè)界領(lǐng)先的VMM技術(shù)方法，采用分層的SystemVerilog驗(yàn)證方法學(xué)，對(duì)作品的RTL設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利，IP核
作品可展示的形式
- 實(shí)物，現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1使用說明 通過PS/2鍵盤輸入相應(yīng)的繪圖指令，圖形加速器依據(jù)用戶輸入的指令繪制圖形。 2技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) 本系統(tǒng)自主定義了一套基于OpenGL的命令集，嚴(yán)格確定了指令的格式和用法，完成了該套指令的硬件電路；搭建了完備的軟件仿真平臺(tái)和硬件仿真平臺(tái)，其中軟件仿真平臺(tái)GPUsim完全按照GPU的多級(jí)流水渲染管線而設(shè)計(jì)，兼容了OpenGL指令系統(tǒng)，基于業(yè)界領(lǐng)先的VMM技術(shù)方法，搭建了分層的SystemVerilog硬件仿真平臺(tái)。 3適用范圍與推廣前景 本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦操作系統(tǒng)等對(duì)圖形處理要求較高的移動(dòng)設(shè)備當(dāng)中，同時(shí)也適用于車載導(dǎo)航設(shè)備、掌上游戲機(jī)等。此外，本系統(tǒng)可作為研究及設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GPU芯片的基礎(chǔ)，通過進(jìn)一步的改進(jìn)將會(huì)推廣和應(yīng)用到社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域。 4市場(chǎng)分析及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 目前，GPU芯片為國外所壟斷，價(jià)格也比較昂貴，我們將會(huì)更加努力進(jìn)行后續(xù)研究，設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GPU芯片，以相對(duì)低廉的價(jià)格在國內(nèi)銷售，定會(huì)有很大的市場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)收益。
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)代國外研究圖形處理器產(chǎn)品的單位主要有美國Nvidia、AMD和Intel公司。Nvidia的Geforce 8800是支持Directx 10規(guī)范的統(tǒng)一架構(gòu)GPU，首次打開了GPU通用計(jì)算的大門。2010年推出的采用40納米工藝的GPU Fermi集成了約30億晶體管，具有512個(gè)CUDA核，存儲(chǔ)器接口384位寬，存儲(chǔ)器峰值帶寬230GB/s，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)圖形處理和大規(guī)模并行計(jì)算領(lǐng)域。Nvidia的CUDA編程框架和國際媒體處理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)KHRONOS推出的并行計(jì)算語言標(biāo)準(zhǔn)OpenCL加速了通用計(jì)算圖形處理器（GPGPU）的發(fā)展。AMD采用40nm工藝推出了Radoen系列，支持DirectX11標(biāo)準(zhǔn)，有20億晶體管，也已經(jīng)轉(zhuǎn)向通用計(jì)算和移動(dòng)圖形計(jì)算。Intel的Larrabee項(xiàng)目計(jì)劃推出結(jié)合CPU和GPU用于高性能計(jì)算的芯片，這種異構(gòu)的系統(tǒng)的研究項(xiàng)目最終被撤銷。2010年ARM也發(fā)布了ARM Mali?-T604GPU，用于滿足智能手機(jī)等嵌入式設(shè)備的圖形處理需求。 我國采用國外GPU芯片研制超級(jí)計(jì)算機(jī)取得了引人注目的成就。2009年4月，科學(xué)院過程工程研究所采用Nvidia的Tesla技術(shù)成功研制單精度峰值超過每秒1000萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算的超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)。2009年11月，國防科技大學(xué)發(fā)布的“天河一號(hào)”千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)采用了6144顆Intel至強(qiáng)5500系列CPU和5120顆ATI的GPU。2010年12月評(píng)測(cè)的世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)A”，使用了14336顆Intel CPU和7168顆Nvidia Tesla M2050 GPU。 目前國內(nèi)研究圖形加速器的單位有北大眾志微處理器研究中心、中國科技大學(xué) 、電子科技大學(xué)、華東師范大學(xué)、浙江大學(xué)等單位。浙江大學(xué)在復(fù)雜圖形染色算法特別是光線跟蹤算法方面的研究很有成效。長沙景嘉微電子公司承擔(dān)了國家核高基項(xiàng)目“安全適用CPU關(guān)鍵技術(shù)”的圖形加速器子項(xiàng)目。另外研究GPU的還有一些國防單位。西安郵電學(xué)院專用集成電路設(shè)計(jì)中心近幾年開展圖形處理器的設(shè)計(jì)和研究工作，在圖形系統(tǒng)芯片體系結(jié)構(gòu)和GPU設(shè)計(jì)方面，進(jìn)行了實(shí)踐和探索。
