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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(dòng)畫(huà)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(jì)及驗(yàn)證的復(fù)雜度，作為SoC對(duì)外的總線接口，PCI主機(jī)接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的難度也隨之增加，并成為圖形處理SoC設(shè)計(jì)過(guò)程中的功能、性能以及進(jìn)度保證的瓶頸。PCI主機(jī)接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理則會(huì)直接影響到圖形處理SoC的功能、性能以及進(jìn)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(jī)接口架構(gòu)。從圖形處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，提出了總線架構(gòu)下主機(jī)接口的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了圖形處理系統(tǒng)通過(guò)總線與CPU之間的交互，完成了主機(jī)通過(guò)配置通路對(duì)圖形處理系統(tǒng)的中斷控制以及主機(jī)通過(guò)調(diào)試通路加載命令解析程序等功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，有效提高了準(zhǔn)確性和驗(yàn)證的完備性。

關(guān)鍵詞:

圖形處理系統(tǒng)；主機(jī)接口；調(diào)試通路；配置通路

GPU系統(tǒng)的不斷發(fā)展使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜度急速增加，前期設(shè)計(jì)測(cè)試驗(yàn)證的難度也隨著增大。［1］［2］主機(jī)接口在GPU中的應(yīng)用，對(duì)GPU整體的功能、性能的提高起到了關(guān)鍵性的作用。對(duì)于GPU內(nèi)部而言，其內(nèi)部處理單元眾多，各個(gè)處理單元之間數(shù)據(jù)交互同樣異常復(fù)雜。［3］［4］主機(jī)接口作為圖形處理系統(tǒng)的外部接口，通過(guò)總線完成與外部處理器的通信功能。［5］實(shí)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(jī)通過(guò)主機(jī)接口對(duì)圖形處理系統(tǒng)進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)圖形處理功能。［6］

1主機(jī)接口設(shè)計(jì)

主機(jī)接口實(shí)現(xiàn)OpenGL命令和圖形數(shù)據(jù)的傳輸。實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)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(jí)的接口關(guān)系，實(shí)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(wèn)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(jī)接口從通道設(shè)計(jì)

2.1配置通路設(shè)計(jì)配置通路實(shí)現(xiàn)PCI總線對(duì)圖形處理系統(tǒng)寄存器的讀寫(xiě)訪問(wèn)。［9］根據(jù)各個(gè)模塊的不同時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)異步時(shí)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(shí)鐘同步以及寄存器實(shí)現(xiàn)。主機(jī)發(fā)起寄存器訪問(wèn)操作，經(jīng)過(guò)地址譯碼將寄存器訪問(wèn)控制信號(hào)、數(shù)據(jù)及地址由總線時(shí)鐘同步到相應(yīng)時(shí)鐘域，并輸出至圖形處理系統(tǒng)各個(gè)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(shí)現(xiàn)了圖形處理系統(tǒng)與總線的中斷機(jī)制以及基本控制功能。

2.2調(diào)試通路設(shè)計(jì)

2.2.1概述調(diào)試通路實(shí)現(xiàn)外部主機(jī)對(duì)圖形處理系統(tǒng)中命令處理單元和存儲(chǔ)管理與控制單元的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)訪問(wèn)。［11］

2.2.2命令處理器通路設(shè)計(jì)外部主機(jī)通過(guò)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(xiě)入命令處理單元內(nèi)部緩存中，為避免訪問(wèn)命令處理器與訪問(wèn)存儲(chǔ)管理控制通路沖突，添加使能命令通路寄存器，以保證訪問(wèn)命令處理器與訪問(wèn)存儲(chǔ)管理與控制通路相互獨(dú)立，避免了測(cè)試及應(yīng)用中因通路互相影響引起功能問(wèn)題。訪問(wèn)命令處理器通路時(shí)，支持主機(jī)單拍及Burst操作，在上電復(fù)位撤銷后，由主機(jī)加載命令解析程序，用來(lái)判斷、透?jìng)鱋penGL命令。［12］

2.2.3存儲(chǔ)管理與控制通路設(shè)計(jì)主機(jī)通過(guò)調(diào)試通路通過(guò)存儲(chǔ)控制與管理單元對(duì)外部存儲(chǔ)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。［13］主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)管理與控制單元，由于作為調(diào)試通路，對(duì)存儲(chǔ)管理與控制單元而言，主機(jī)操作在其內(nèi)部仲裁時(shí)優(yōu)先級(jí)最低，所以為保證主機(jī)能夠正常對(duì)高速DDR進(jìn)行讀寫(xiě)操作，達(dá)到調(diào)試目的，在主機(jī)接口后端邏輯設(shè)計(jì)中需對(duì)讀操作進(jìn)行獨(dú)立控制，以滿足主機(jī)發(fā)起讀寫(xiě)操作時(shí)存儲(chǔ)管理與控制單元暫時(shí)未能正常響應(yīng)的條件。［14］

3主設(shè)備通道設(shè)計(jì)

圖形處理系統(tǒng)通過(guò)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(qǐng)求總線時(shí)，完成主機(jī)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(shí)作為主設(shè)備時(shí)占用PCI總線的數(shù)據(jù)通路選擇功能。

4結(jié)論

通過(guò)本文所述PCI主機(jī)接口的架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)GPU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作帶來(lái)如下兩點(diǎn)：1將針對(duì)GPU內(nèi)部各個(gè)運(yùn)算單元的異步時(shí)鐘同步處理統(tǒng)一由PCI主機(jī)接口配置通路完成，在一定程度上保證了主機(jī)接口與GPU各個(gè)運(yùn)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(jì)、后仿真階段的工作量；2調(diào)試通路的應(yīng)用使得主機(jī)能夠在設(shè)計(jì)初期完成對(duì)外部存儲(chǔ)資源的驗(yàn)證，同樣，增加的由主機(jī)直接讀寫(xiě)命令寄存器命令加載通路，能夠允許主機(jī)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(xiě)入命令處理單元內(nèi)部緩存中，在功能驗(yàn)證的源頭保證了命令解析的正確性的同時(shí)也增強(qiáng)了自主驗(yàn)證的靈活性。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所示，基于總線接口架構(gòu)的圖形處理系統(tǒng)，通過(guò)主機(jī)接口設(shè)計(jì)，將跨時(shí)鐘域統(tǒng)一處理，減輕了圖形處理系統(tǒng)各個(gè)邏輯運(yùn)算單元的復(fù)雜度。通過(guò)調(diào)試通路的設(shè)計(jì)，主機(jī)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(jì)初期能夠較完備的對(duì)圖形處理系統(tǒng)OpenGL命令的支持度進(jìn)行驗(yàn)證，訪問(wèn)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(jiàn)性，便于前期調(diào)試以及后期芯片的測(cè)試。

作者：馬超 王婷 田澤 王靜 單位：中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所 集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所