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《低功耗高性能移動圖形頂點處理器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性(或創(chuàng)新性)聲明JMMIIIMJJMIIIJY2380020秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德,本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外。論文中不包含其他入已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果:也不包含為獲得蘑安電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所徽的任何貢獻均已在論文中徽了明確的說明并表示了謝意。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處,本人承握一切的法
2、律責(zé)任。本人簽名:翻延安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明蘭望!王。:晝:£S本人憲全了熊懲安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使灞學(xué)位論文的規(guī)定,即:研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬殛安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件,允許查閱和借閱論文:學(xué)??梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容,可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時本人保涯,畢業(yè)看結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為囂安電子科技大學(xué)。(保密的論文在解密詹遵守此規(guī)定)本學(xué)位論文屬于保密,在一年解密盾適用本授權(quán)書。本人
3、簽名:導(dǎo)耀簽名:日期:≯哪二j!三蘭一日期:3扔弓.9j哆摘要隨著各種移動通信設(shè)備、移動娛樂設(shè)備以及移動數(shù)據(jù)處理設(shè)備的普及,三維圖形繪制技術(shù)也逐漸應(yīng)用到各種嵌入式領(lǐng)域。雖然一些移動設(shè)備可以利用軟件模擬的方法實現(xiàn)簡單的三維圖形繪制功能,但由于三維圖形繪制算法非常復(fù)雜,所以該方法不但占用了大部分的CPU資源,還增加了CPU功耗,而且繪制質(zhì)量差,無法達到實時繪制。因此,針對這些問題,必須采用專用的硬件電路來實現(xiàn)移動設(shè)備的三維圖形實時繪制。本文主要圍繞著支持OpenGLES1.X圖形標(biāo)準(zhǔn)的、高效的、低功
4、耗的、小面積的移動圖形頂點處理器設(shè)計展開。取得的主要成果如下。1.設(shè)計了一種用于移動三維圖形應(yīng)用的可編程圖形頂點處理器結(jié)構(gòu)。采用自定義的32位圖形指令集,支持分支跳轉(zhuǎn)指令;采用定點數(shù)值系統(tǒng)設(shè)計圖形處理器,減少電路復(fù)雜度,從而減少芯片面積;可編程頂點處理器具有四路并行的SIMD運算單元和一個高精度的特殊函數(shù)求值單元;采用7級流水線設(shè)計,具有數(shù)據(jù)前向通路和競爭冒險判斷機制,運行速度快,為實時三維圖形的幾何系統(tǒng)運算提供保障。2.設(shè)計了一種應(yīng)用于移動圖形頂點處理器的高性能低功耗定點特殊函數(shù)運算單元電路。
5、該運算單元支持定點數(shù)據(jù)格式,并支持小數(shù)點后16位精度的倒數(shù)、均方根、倒數(shù)均方根、對數(shù)和指數(shù)等初等函數(shù)運算。初等函數(shù)采用分段二次多項式插值方法近似計算,系數(shù)處理中引入√互運算電路,相對于傳統(tǒng)的設(shè)計在相同的精度下使整體的二次多項式查找表容量減少了29%。優(yōu)化二次多項式插值算法的計算誤差和截斷誤差,使電路的查找表容量、平方器、乘法器和加法器的面積、速度達到最優(yōu)。該電路采用0.18lam的CMOS工藝實現(xiàn),面積為0.112mm2,芯片時鐘頻率達到300MHz,功耗僅為12.8mW。測試結(jié)果表明該定點特殊
6、函數(shù)運算單元非常適合移動圖形頂點處理器的初等函數(shù)計算應(yīng)用。3.針對圖形處理器中的SIMD乘法單元設(shè)計,設(shè)計了一種設(shè)計有符號乘法器電路的編程語言。其核心思想是采用指令表示乘法器的編碼器、加法器樹、快速加法器等三個部分,然后經(jīng)由指令描述互聯(lián)關(guān)系形成乘法器。通過Lex/Yacc構(gòu)成編譯器,解析程序得到乘法器的Verilog代碼。采用該設(shè)計語言生成的七種典型結(jié)構(gòu)的32位有符號單周期乘法器,在200MHz工作頻率設(shè)定下,使用GRACE0.18pm1P6M工藝,進行邏輯綜合、布局布線、靜態(tài)時序和功耗分析。實
7、驗結(jié)果表明,這七種乘法器速度都優(yōu)于SynopsysDesignWare產(chǎn)生的乘法器,其中由改進型BoothRadix4編碼、冗余二進制加法器樹和跳躍進位加法器構(gòu)成的乘法器綜合性低功耗高性能移動圖形頂點處理器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究能超出SynopsysDesignWare產(chǎn)生的乘法器達35%,因此該設(shè)計語言可應(yīng)用于高性能乘法器電路快速設(shè)計應(yīng)用中。4.設(shè)計了一種高效的裁剪引擎架構(gòu),由背面剔除和裁剪模塊組成。復(fù)雜的三角形裁剪算法導(dǎo)致硬件設(shè)計困難。相比傳統(tǒng)算法,本文提出的算法提高了約五倍的性能。首先修改圖形流
8、水線,將裁剪運算放置幾何渲染流程最后一步,由可編程頂點處理器完成透視除法和視窗映射,減少了透視除法和視窗映射的硬件設(shè)計,從而減小了電路面積,提高了處理器性能。然后將背面剔除計算放置裁剪運算前,減少裁剪引擎的三角形輸入量。最后在裁剪運算中僅計算z平面的裁剪,將x和Y平面裁剪計算移至光柵化階段判斷,簡化了裁剪硬件電路,減小了電路面積,提高了裁剪引擎效率。5.移動圖形頂點處理器在一個SOPC平臺下進行了驗證,采用OpenGLES1.X標(biāo)準(zhǔn)驗證三維圖形渲染,驗證結(jié)果表明該圖形頂點處理器可以完成三維圖形渲