面向IoT的图形渲染IP核的研究与实现
发布时间：2020-07-03 19:18
【摘要】：当前,物联网(Internet of Things,IoT)技术蓬勃发展,促进着新一轮产业升级,世界正在步入万物互联的时代。与此同时,人们渴望更加人性化的人机交互体验,图形化的人机交互界面正在取代传统的机械开关、机械指针甚至LED数码管。得益于IoT技术和图形化人机交互的应用和普及,IoT场景图形显示需求日益旺盛,然而,不断增加的图形界面复杂度及分辨率对嵌入式图形系统的计算能力提出了新的要求,传统的嵌入式方案很难满足复杂图形渲染时对于计算能力的需求,导致系统的性能下降严重。人们尝试使用专有的硬件加速单元(Chrom-Art Accelerator、定制化2D GPU等)协助嵌入式CPU完成图形渲染工作,释放CPU的计算能力,提升系统的性能,但是这些硬件加速单元支持的图形操作较少,许多图形效果无法实现,大大降低了图形界面设计时的灵活度。目前仍然没有十分完善的IoT图形显示系统硬件加速方案。本文主要围绕IoT场景下图形渲染IP核(IPcore,知识产权核)的研究与实现展开,本文研究比较了IMR(Immediate Mode Rendering,立即渲染模式)、TBR(Tile Based Rendering,分块渲染模式)两种图形渲染架构的优缺点,选择适用于嵌入式的TBR图形渲染架构,分析和找出了TBR渲染架构在应用时的瓶颈,并提出相应解决方案。研究现有的高速数据访存架构,比较不同Cache对数据访存性能的影响,并作出一定改进。结合IoT场景下界面显示的功能需求,提出了本文的图形渲染管线,对相关算法进行优化。最后搭建了图形渲染IP核软、硬件测试平台,对系统进行验证和性能分析。实验结果表明,屏幕分辨率为800×480前提下,系统渲染单张图像最高330fps,渲染普通图形显示界面帧率为65fps,还比较了本文与其他图形加速单元像素填充率等,结果表明本文IP核渲染性能等十分优异。本文的主要研究工作如下:(1)比较IMR与TBR两种渲染架构的优缺点,结合物联网图形显示系统的特点,设计了基于TBR的图形渲染架构,采用硬件逻辑实现Tile任务划分,通过实时生成的方式,减少中间数据缓存。阐述数据访存对系统性能的影响,设计了LRU组关联Cache,4-ports Cache,优化了图形渲染IP核的数据访存通路。(2)结合IoT场景下图形显示需求,设计了图形显示系统整体方案。设计了适用于IoT场景的图形渲染管线,能够实现在指定区域填充指定颜色,支持图像平移、旋转、缩放,投影等几何变换,支持Alpha混合,提出一种固定周期数的快速除法算法,优化图形渲染IP核中的关键除法运算。对提出的图形渲染算法进行软件建模,验证了算法的可行性,为后续的硬件设计、测试提供支持。(3)搭建了系统FPGA验证平台,通过软、硬件对比,测试了图形渲染IP核的正确性,分析对比了图形渲染IP核的性能参数,结果表明,IP核的像素填充率为128.3Mpixel/s,渲染效率优于相关图形加速单元,能充分满足IoT场景下图形显示的实时性需求。最后本文基于SMIC 110nm工艺库,完成图形渲染IP核的综合工作,综合后面积为6.3mm2,功耗为60.7mW。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TN929.5
【图文】：
于ＰＣ机、智能手机的强大功能，利用图形化界面实现十分优质的人机交互，例逡逑如依托于ＰＣ机的医院的病症监控系统［｜２］，依托于智能手机的小米、华为等企业逡逑开发的智能家居系统，如图１－２所示。然而很多移动设备和工业控制设备终端对逡逑于系统的功耗，体积大小等有着很严苛的要求＿，这类设备的人机交互需求无法逡逑依托于ＰＣ机或者智能手机，通常采用嵌入式系统。逡逑便携式嫌橡供逦５体代Ａ灾料器逦Ｒ，ｐ逦色衫播？邋湛^丝兀停渝慰绽惧义峡村澹咤澹族澹冲澹煎錿楀澹村宥义希穑殄义希苠义希徨逋夥⑸澹辏殄巍义襄五邋五澹危拢樱樱耍剩慑义贤迹保仓悄芗揖酉低冲义洗蠖嗍凸摹⒌痛硐拗瞥【跋碌耐夹位嘶换ザ疾捎们度胧较低呈靛义舷郑锪目焖俜⒄挂约叭嗣嵌杂谕夹位嘶换サ那苛倚枨笫梗
本文编号：2740065
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TN929.5
【图文】：
于ＰＣ机、智能手机的强大功能，利用图形化界面实现十分优质的人机交互，例逡逑如依托于ＰＣ机的医院的病症监控系统［｜２］，依托于智能手机的小米、华为等企业逡逑开发的智能家居系统，如图１－２所示。然而很多移动设备和工业控制设备终端对逡逑于系统的功耗，体积大小等有着很严苛的要求＿，这类设备的人机交互需求无法逡逑依托于ＰＣ机或者智能手机，通常采用嵌入式系统。逡逑便携式嫌橡供逦５体代Ａ灾料器逦Ｒ，ｐ逦色衫播？邋湛^丝兀停渝慰绽惧义峡村澹咤澹族澹冲澹煎錿楀澹村宥义希穑殄义希苠义希徨逋夥⑸澹辏殄巍义襄五邋五澹危拢樱樱耍剩慑义贤迹保仓悄芗揖酉低冲义洗蠖嗍凸摹⒌痛硐拗瞥【跋碌耐夹位嘶换ザ疾捎们度胧较低呈靛义舷郑锪目焖俜⒄挂约叭嗣嵌杂谕夹位嘶换サ那苛倚枨笫梗
本文编号：2740065
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