發(fā)布時(shí)間：2020-07-03 19:18

【摘要】：當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)技術(shù)蓬勃發(fā)展,促進(jìn)著新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí),世界正在步入萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代。與此同時(shí),人們渴望更加人性化的人機(jī)交互體驗(yàn),圖形化的人機(jī)交互界面正在取代傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)、機(jī)械指針甚至LED數(shù)碼管。得益于IoT技術(shù)和圖形化人機(jī)交互的應(yīng)用和普及,IoT場(chǎng)景圖形顯示需求日益旺盛,然而,不斷增加的圖形界面復(fù)雜度及分辨率對(duì)嵌入式圖形系統(tǒng)的計(jì)算能力提出了新的要求,傳統(tǒng)的嵌入式方案很難滿足復(fù)雜圖形渲染時(shí)對(duì)于計(jì)算能力的需求,導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降嚴(yán)重。人們嘗試使用專有的硬件加速單元(Chrom-Art Accelerator、定制化2D GPU等)協(xié)助嵌入式CPU完成圖形渲染工作,釋放CPU的計(jì)算能力,提升系統(tǒng)的性能,但是這些硬件加速單元支持的圖形操作較少,許多圖形效果無法實(shí)現(xiàn),大大降低了圖形界面設(shè)計(jì)時(shí)的靈活度。目前仍然沒有十分完善的IoT圖形顯示系統(tǒng)硬件加速方案。本文主要圍繞IoT場(chǎng)景下圖形渲染IP核(IPcore,知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)的研究與實(shí)現(xiàn)展開,本文研究比較了IMR(Immediate Mode Rendering,立即渲染模式)、TBR(Tile Based Rendering,分塊渲染模式)兩種圖形渲染架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),選擇適用于嵌入式的TBR圖形渲染架構(gòu),分析和找出了TBR渲染架構(gòu)在應(yīng)用時(shí)的瓶頸,并提出相應(yīng)解決方案。研究現(xiàn)有的高速數(shù)據(jù)訪存架構(gòu),比較不同Cache對(duì)數(shù)據(jù)訪存性能的影響,并作出一定改進(jìn)。結(jié)合IoT場(chǎng)景下界面顯示的功能需求,提出了本文的圖形渲染管線,對(duì)相關(guān)算法進(jìn)行優(yōu)化。最后搭建了圖形渲染IP核軟、硬件測(cè)試平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,屏幕分辨率為800×480前提下,系統(tǒng)渲染單張圖像最高330fps,渲染普通圖形顯示界面幀率為65fps,還比較了本文與其他圖形加速單元像素填充率等,結(jié)果表明本文IP核渲染性能等十分優(yōu)異。本文的主要研究工作如下:(1)比較IMR與TBR兩種渲染架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)圖形顯示系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于TBR的圖形渲染架構(gòu),采用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)Tile任務(wù)劃分,通過實(shí)時(shí)生成的方式,減少中間數(shù)據(jù)緩存。闡述數(shù)據(jù)訪存對(duì)系統(tǒng)性能的影響,設(shè)計(jì)了LRU組關(guān)聯(lián)Cache,4-ports Cache,優(yōu)化了圖形渲染IP核的數(shù)據(jù)訪存通路。(2)結(jié)合IoT場(chǎng)景下圖形顯示需求,設(shè)計(jì)了圖形顯示系統(tǒng)整體方案。設(shè)計(jì)了適用于IoT場(chǎng)景的圖形渲染管線,能夠?qū)崿F(xiàn)在指定區(qū)域填充指定顏色,支持圖像平移、旋轉(zhuǎn)、縮放,投影等幾何變換,支持Alpha混合,提出一種固定周期數(shù)的快速除法算法,優(yōu)化圖形渲染IP核中的關(guān)鍵除法運(yùn)算。對(duì)提出的圖形渲染算法進(jìn)行軟件建模,驗(yàn)證了算法的可行性,為后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)、測(cè)試提供支持。(3)搭建了系統(tǒng)FPGA驗(yàn)證平臺(tái),通過軟、硬件對(duì)比,測(cè)試了圖形渲染IP核的正確性,分析對(duì)比了圖形渲染IP核的性能參數(shù),結(jié)果表明,IP核的像素填充率為128.3Mpixel/s,渲染效率優(yōu)于相關(guān)圖形加速單元,能充分滿足IoT場(chǎng)景下圖形顯示的實(shí)時(shí)性需求。最后本文基于SMIC 110nm工藝庫(kù),完成圖形渲染IP核的綜合工作,綜合后面積為6.3mm2,功耗為60.7mW。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TN929.5
【圖文】：

于ＰＣ機(jī)、智能手機(jī)的強(qiáng)大功能，利用圖形化界面實(shí)現(xiàn)十分優(yōu)質(zhì)的人機(jī)交互，例逡逑如依托于ＰＣ機(jī)的醫(yī)院的病癥監(jiān)控系統(tǒng)［｜２］，依托于智能手機(jī)的小米、華為等企業(yè)逡逑開發(fā)的智能家居系統(tǒng)，如圖１－２所示。然而很多移動(dòng)設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備終端對(duì)逡逑于系統(tǒng)的功耗，體積大小等有著很嚴(yán)苛的要求＿，這類設(shè)備的人機(jī)交互需求無法逡逑依托于ＰＣ機(jī)或者智能手機(jī)，通常采用嵌入式系統(tǒng)。逡逑便攜式嫌橡供邐５體代Ａ災(zāi)料器邐Ｒ，ｐ邐色衫播？邋湛^絲兀停渝慰綻懼義峽村澹咤澹族澹沖澹煎錿楀澹村宥義希穡殄義希苠義希徨逋夥⑸澹輳殄巍義襄五邋五澹危攏櫻櫻耍剩懾義賢跡保倉(cāng)悄薌揖酉低沖義洗蠖嗍凸�、低带宽限制场景下的蛫A位嘶換ザ疾捎們度朧較低呈靛義舷鄭锪目燜俜⒄掛約叭嗣嵌雜諭夾位嘶換サ那苛倚棖笫梗

本文編號(hào)：2740065