基本信息
- 項目名稱：
- 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產(chǎn)權(quán)GPU芯片的積極探索，本系統(tǒng)設(shè)計了基于OpenGL的圖形加速器，可實現(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。
- 詳細介紹：
- 基于對OpenGL圖形加速器體系架構(gòu)的探索與研究，本項目自主設(shè)計了加速器原型系統(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，同時軟件控制模塊將解析后的指令以機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圖形的顯示數(shù)據(jù)以二進制形式存儲于顯存SDRAM，VGA控制器從這一區(qū)域讀出數(shù)據(jù)后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換以標準時序發(fā)給顯示器，實現(xiàn)設(shè)計圖形的屏幕顯示。圖形加速器是系統(tǒng)的核心模塊，針對本圖形加速器原型系統(tǒng)我們設(shè)計了獨立的指令系統(tǒng)，共包括26條指令。每條指令由18個字節(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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的： 1.設(shè)計基于OpenGL的圖形加速器，用硬件電路替代軟件程序庫實現(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局面。 作品設(shè)計、發(fā)明的基本思路： 1.研究OpenGL系統(tǒng)，自主設(shè)計圖形渲染命令集； 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現(xiàn)方案； 3.研究圖形渲染關(guān)鍵算法，提出具體實現(xiàn)方案； 4.進行圖形加速器的硬件設(shè)計，編寫相關(guān)代碼； 5.建立硬件電路的仿真驗證平臺，驗證相關(guān)設(shè)計； 6.構(gòu)建圖形加速器的原型系統(tǒng)。 創(chuàng)新點： 1.自主設(shè)計圖元裝配算法。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.各級流水線間的通信采用雙軌握手協(xié)議。 3.軟件仿真平臺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驗證平臺進行驗證，該平臺可產(chǎn)生定向測試數(shù)據(jù)和隨機測試數(shù)據(jù)。 主要技術(shù)指標： 1.系統(tǒng)主頻為70MHz； 2.繪制三角形的速率為10萬個/秒。
科學(xué)性、先進性
- 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，提供了一組功能強大又非?；镜匿秩竞瘮?shù)，所有的高級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)計了本作品的體系結(jié)構(gòu)，使得該作品具有設(shè)計上的科學(xué)性。 2作品的先進性 算法的設(shè)計與優(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，該算法的硬件電路易于實現(xiàn)。針對掃描轉(zhuǎn)換模塊的計算量大，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。 完整的仿真平臺和驗證平臺：時鐘級仿真平臺GPUsim，是按照GPU的流水渲染管線設(shè)計的，兼容了OpenGL指令系統(tǒng)。硬件驗證平臺基于業(yè)界領(lǐng)先的VMM技術(shù)方法，采用分層的SystemVerilog驗證方法學(xué)，對作品的RTL設(shè)計進行詳細驗證。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利，IP核
作品可展示的形式
- 實物，現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 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)特點及優(yōu)勢 本系統(tǒng)自主定義了一套基于OpenGL的命令集，嚴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和硬件仿真平臺，其中軟件仿真平臺GPUsim完全按照GPU的多級流水渲染管線而設(shè)計，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。 3適用范圍與推廣前景 本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于智能手機和平板電腦操作系統(tǒng)等對圖形處理要求較高的移動設(shè)備當中，同時也適用于車載導(dǎo)航設(shè)備、掌上游戲機等。此外，本系統(tǒng)可作為研究及設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GPU芯片的基礎(chǔ)，通過進一步的改進將會推廣和應(yīng)用到社會多個領(lǐng)域。 4市場分析及經(jīng)濟效益預(yù)測 目前，GPU芯片為國外所壟斷，價格也比較昂貴，我們將會更加努力進行后續(xù)研究，設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GPU芯片，以相對低廉的價格在國內(nèi)銷售，定會有很大的市場，從而實現(xiàn)較好的經(jīng)濟收益。
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CUDA核，存儲器接口384位寬，存儲器峰值帶寬230GB/s，主要應(yīng)用于實時圖形處理和大規(guī)模并行計算領(lǐng)域。Nvidia的CUDA編程框架和國際媒體處理標準協(xié)會KHRONOS推出的并行計算語言標準OpenCL加速了通用計算圖形處理器（GPGPU）的發(fā)展。AMD采用40nm工藝推出了Radoen系列，支持DirectX11標準，有20億晶體管，也已經(jīng)轉(zhuǎn)向通用計算和移動圖形計算。Intel的Larrabee項目計劃推出結(jié)合CPU和GPU用于高性能計算的芯片，這種異構(gòu)的系統(tǒng)的研究項目最終被撤銷。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芯片研制超級計算機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1000萬億次浮點運算的超級計算系統(tǒng)。2009年11月，國防科技大學(xué)發(fā)布的“天河一號”千萬億次超級計算機采用了6144顆Intel至強5500系列CPU和5120顆ATI的GPU。2010年12月評測的世界上最快的超級計算機“天河一號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)了國家核高基項目“安全適用CPU關(guān)鍵技術(shù)”的圖形加速器子項目。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)計中心近幾年開展圖形處理器的設(shè)計和研究工作，在圖形系統(tǒng)芯片體系結(jié)構(gòu)和GPU設(shè)計方面，進行了實踐和探索。
