圖形處理系統(tǒng)中的主機接口設(shè)計范文

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摘要：

圖形處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電影、視頻、游戲以及動畫的制作，而圖形處理系統(tǒng)（GPU）的出現(xiàn)極大的增大了SoC設(shè)計及驗證的復(fù)雜度，作為SoC對外的總線接口，PCI主機接口的設(shè)計實現(xiàn)的難度也隨之增加，并成為圖形處理SoC設(shè)計過程中的功能、性能以及進度保證的瓶頸。PCI主機接口結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理則會直接影響到圖形處理SoC的功能、性能以及進度的關(guān)鍵因素之一。本文闡述了一種基于圖形處理系統(tǒng)應(yīng)用的主機接口架構(gòu)。從圖形處理系統(tǒng)設(shè)計角度，提出了總線架構(gòu)下主機接口的設(shè)計，實現(xiàn)了圖形處理系統(tǒng)通過總線與CPU之間的交互，完成了主機通過配置通路對圖形處理系統(tǒng)的中斷控制以及主機通過調(diào)試通路加載命令解析程序等功能，在系統(tǒng)設(shè)計階段，有效提高了準(zhǔn)確性和驗證的完備性。

關(guān)鍵詞:

圖形處理系統(tǒng)；主機接口；調(diào)試通路；配置通路

GPU系統(tǒng)的不斷發(fā)展使得計算機系統(tǒng)復(fù)雜度急速增加，前期設(shè)計測試驗證的難度也隨著增大。［1］［2］主機接口在GPU中的應(yīng)用，對GPU整體的功能、性能的提高起到了關(guān)鍵性的作用。對于GPU內(nèi)部而言，其內(nèi)部處理單元眾多，各個處理單元之間數(shù)據(jù)交互同樣異常復(fù)雜。［3］［4］主機接口作為圖形處理系統(tǒng)的外部接口，通過總線完成與外部處理器的通信功能。［5］實現(xiàn)客戶端與圖形處理系統(tǒng)間的OpenGL命令傳輸，以及模板、紋理等圖形數(shù)據(jù)的傳輸。另外，外部主機通過主機接口對圖形處理系統(tǒng)進行配置，從而實現(xiàn)圖形處理功能。［6］

1主機接口設(shè)計

主機接口實現(xiàn)OpenGL命令和圖形數(shù)據(jù)的傳輸。實現(xiàn)主機對圖形處理系統(tǒng)內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)寄存器的配置；PCI核后端邏輯與圖形處理器IP核流水線各級的接口關(guān)系，實現(xiàn)了二者之間的數(shù)據(jù)傳輸。最終完成外圍設(shè)備與PCI總線的連接，在CPU與圖形處理系統(tǒng)之間建立了快速通信鏈路，完成圖形處理系統(tǒng)中用戶可訪問寄存器的配置及CPU與圖形處理系統(tǒng)之間大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2主機接口從通道設(shè)計

2.1配置通路設(shè)計配置通路實現(xiàn)PCI總線對圖形處理系統(tǒng)寄存器的讀寫訪問。［9］根據(jù)各個模塊的不同時鐘實現(xiàn)異步時鐘同步處理。配置通路架構(gòu)如圖1所示。配置通路包括地址譯碼、時鐘同步以及寄存器實現(xiàn)。主機發(fā)起寄存器訪問操作，經(jīng)過地址譯碼將寄存器訪問控制信號、數(shù)據(jù)及地址由總線時鐘同步到相應(yīng)時鐘域，并輸出至圖形處理系統(tǒng)各個模塊的寄存器接口。［10］圖形處理系統(tǒng)的控制寄存器也在配置通路內(nèi)完成，這部分控制寄存器實現(xiàn)了圖形處理系統(tǒng)與總線的中斷機制以及基本控制功能。

2.2調(diào)試通路設(shè)計

2.2.1概述調(diào)試通路實現(xiàn)外部主機對圖形處理系統(tǒng)中命令處理單元和存儲管理與控制單元的數(shù)據(jù)讀寫訪問。［11］

2.2.2命令處理器通路設(shè)計外部主機通過調(diào)試通路命令處理器通路將命令處理單元解析OpenGL命令所需的匯編指令寫入命令處理單元內(nèi)部緩存中，為避免訪問命令處理器與訪問存儲管理控制通路沖突，添加使能命令通路寄存器，以保證訪問命令處理器與訪問存儲管理與控制通路相互獨立，避免了測試及應(yīng)用中因通路互相影響引起功能問題。訪問命令處理器通路時，支持主機單拍及Burst操作，在上電復(fù)位撤銷后，由主機加載命令解析程序，用來判斷、透傳OpenGL命令。［12］

2.2.3存儲管理與控制通路設(shè)計主機通過調(diào)試通路通過存儲控制與管理單元對外部存儲進行讀寫操作。［13］主機訪問存儲管理與控制單元，由于作為調(diào)試通路，對存儲管理與控制單元而言，主機操作在其內(nèi)部仲裁時優(yōu)先級最低，所以為保證主機能夠正常對高速DDR進行讀寫操作，達(dá)到調(diào)試目的，在主機接口后端邏輯設(shè)計中需對讀操作進行獨立控制，以滿足主機發(fā)起讀寫操作時存儲管理與控制單元暫時未能正常響應(yīng)的條件。［14］

3主設(shè)備通道設(shè)計

圖形處理系統(tǒng)通過主設(shè)備通路在命令處理單元和DMA控制單元之間建立快速數(shù)據(jù)傳輸鏈路，將繪圖命令和繪圖數(shù)據(jù)從外部主設(shè)備傳輸至圖形處理系統(tǒng)內(nèi)部，完成快速數(shù)據(jù)傳輸功能。命令處理單元與DMA控制單元分別作為主設(shè)備請求總線時，完成主機端與圖形處理系統(tǒng)之間的大批量數(shù)據(jù)傳輸；命令處理單元與DMA控制單元同時作為主設(shè)備時占用PCI總線的數(shù)據(jù)通路選擇功能。

4結(jié)論

通過本文所述PCI主機接口的架構(gòu)設(shè)計，對GPU系統(tǒng)的設(shè)計驗證工作帶來如下兩點：1將針對GPU內(nèi)部各個運算單元的異步時鐘同步處理統(tǒng)一由PCI主機接口配置通路完成，在一定程度上保證了主機接口與GPU各個運算單元之間的寄存器接口保持了結(jié)構(gòu)了上統(tǒng)一，有效減少了后端設(shè)計、后仿真階段的工作量；2調(diào)試通路的應(yīng)用使得主機能夠在設(shè)計初期完成對外部存儲資源的驗證，同樣，增加的由主機直接讀寫命令寄存器命令加載通路，能夠允許主機已更加零活的將命令處理單元解析OpenGL命令所需的匯編指令寫入命令處理單元內(nèi)部緩存中，在功能驗證的源頭保證了命令解析的正確性的同時也增強了自主驗證的靈活性。

5結(jié)束語

綜上所示，基于總線接口架構(gòu)的圖形處理系統(tǒng)，通過主機接口設(shè)計，將跨時鐘域統(tǒng)一處理，減輕了圖形處理系統(tǒng)各個邏輯運算單元的復(fù)雜度。通過調(diào)試通路的設(shè)計，主機能夠更加自由的加載命令解析程序，增加調(diào)試的靈活度，在系統(tǒng)設(shè)計初期能夠較完備的對圖形處理系統(tǒng)OpenGL命令的支持度進行驗證，訪問DDR能夠最大限度的保證圖形處理系統(tǒng)與DDR之間的數(shù)據(jù)可見性，便于前期調(diào)試以及后期芯片的測試。

作者：馬超 王婷 田澤 王靜 單位：中國航空計算技術(shù)研究所 集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點試驗室 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所