嵌入式系統(tǒng)中的圖形處理技術(shù)（如用戶界面和游戲）正在不斷發(fā)展和改善，例如從基于2D的交互圖形發(fā)展到基于3D的交互圖形。便攜式游戲站（PSP）這樣的便攜式設(shè)備就實現(xiàn)了PlayStation 2類3D圖形質(zhì)量。而在PC圖形方面，可以讓開發(fā)人員在頂點和片段層級配置功能的可編程著色方案已經(jīng)成為DirectX和OpernGL API基礎(chǔ)架構(gòu)的主要方案，這類硬件在像Xbox360和PlayStation 3這樣的游戲設(shè)備上已經(jīng)形成了非常豐富的內(nèi)容和經(jīng)驗。然而嵌入式系統(tǒng)中的圖形處理存在著很多問題和挑戰(zhàn)需要開發(fā)人員去解決，例如為了保持長電池壽命所需的低功耗，因為空間約束要使系統(tǒng)的器件數(shù)量最少，以及限制門的數(shù)量以降低成本。

Khronos Group公司正在定義針對嵌入式領(lǐng)域的各種媒體API，目前已經(jīng)發(fā)布了一種圖形API，即OpenGL ES。該OpenGL ES共有1.x和2.x兩個版本，分別針對固定圖形管線和可編程圖形管線，這種方法與PC圖形中用的方法是一樣的。

DMP圖形內(nèi)核概述

DMP為嵌入式領(lǐng)域中的便攜式設(shè)備、移動電話、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、娛樂游戲機和所有其它嵌入式圖形設(shè)備提供了可擴展的高性能、低功耗3D圖形內(nèi)核。PICA200是最新的3D圖形IP內(nèi)核，涵蓋了前面提到的所有應(yīng)用領(lǐng)域。

該內(nèi)核由多個組件組成，包括OpenGL ES標(biāo)準(zhǔn)功能以及我們自己最初的圖形技術(shù)。這些組件是根據(jù)用戶要求以及帶有定制要素（如性能、存儲器帶寬和功耗）的目標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建的。在選擇IP接口方案時，很難設(shè)定在這么寬的應(yīng)用范圍下用戶的具體要求。在采用開放內(nèi)核協(xié)議（OCP）作為我們組件的標(biāo)準(zhǔn)總線接口方面DMP一直做得非常成功。

Maestro技術(shù)

通過采用OpenGL ES 1.1和我們自己的、被稱為Maestro的擴展圖形API，圖形內(nèi)核已經(jīng)取得了很好的高性能低功耗效果。這些Maestro功能包括了各種目標(biāo)應(yīng)用中頻繁使用和實用的圖形功能，包括各種光照和明暗處理模型，例如Phong、Cook-Torrance和BRDF、陰影效應(yīng)、多邊形細(xì)分以及過程紋理。

1：Maestro功能、光照、陰影和微粒效果

Maestro功能利用我們改進的最初算法以硬連線邏輯形式實現(xiàn)，從而解決了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中低功耗與高性能的矛盾。Maestro功能可以實現(xiàn)非常豐富的內(nèi)容，比如PC和便攜式設(shè)備上的控制臺圖形（圖1）。

Maestro功能包括以下一些效果：

1. 光照Maestro-包括按照每個片斷的高性能光照功能，并支持各種明暗處理模型，如Phong、同向/異向 BRD以及下表面散射；

2. 陰影Maestro-支持實時的硬陰影和軟陰影處理；

3. 形狀Maestro-通過用硬件（例如NURBS和多邊形細(xì)分）產(chǎn)生精細(xì)的多邊形來減少存儲器帶寬，因此可以使輸入數(shù)據(jù)量實現(xiàn)最小化；

4. 映像Maestro-支持凹凸映像和過程紋理，并且過程紋理不需要任何存儲器讀取來生成紋理圖像，因為圖像是根據(jù)算術(shù)等式產(chǎn)生的；

5. 微粒Maestro-用硬件產(chǎn)生霧化、云和氣體效果。

圖1：由Futuremark和DMP合作開發(fā)的PICA200演示場景。

圖2：只使用OpenGL ES的渲染結(jié)果（左邊）以及用OpenGL ES 和我們的Maestro API后的渲染結(jié)果（右邊）

圖3：利用我們的陰影Maestro API實現(xiàn)的實時軟陰影渲染。

圖4：使用形狀Maestro的多邊形細(xì)分實例。左邊的圖形顯示了來自主CPU的輸入控制多邊形，右邊的圖形顯示了我們的圖形硬件實時產(chǎn)生的多邊形。

圖5：映像Maestro實例（左邊：針對每個片段光照的凹凸映像，右邊：利用沒有任何紋理存儲器訪問的過程紋理硬件實現(xiàn)的木紋圖案）。

圖6：微粒 Maestro可以產(chǎn)生霧化、云和氣體效果。在我們的渲染算法中，清晰和模糊對象的組合沒有任何的瑕疵。

2：硬件框圖

這些Maestro技術(shù)通過算法優(yōu)化以及多個研究機構(gòu)的長期研究得以實現(xiàn)。目前我們正在向嵌入式系統(tǒng)引入PC級的圖形和經(jīng)驗。

硬件框圖

下面是圖形內(nèi)核的框圖。

在圖7中的所有紅色箭頭都指向了采用OCP的存儲器總線接口。

圖7：PICA200框圖。

在開發(fā)PICA200內(nèi)核的過程中解決了以下一些挑戰(zhàn)：

1）為了涵蓋所有嵌入式系統(tǒng)，IP內(nèi)核必須支持各種運行光譜的設(shè)備，包括從帶微型顯示屏的移動電話到帶很大顯示器的娛樂設(shè)備。

2）3D圖形硬件需要極大的帶寬用于命令、紋理、色彩和z緩沖器讀/寫訪問，而這種帶寬將確定3D IP內(nèi)核的性能，并且

3）IP內(nèi)核應(yīng)能很容易地集成到SoC系統(tǒng)環(huán)境中。

為解決所有這些問題，我們決定采用OCP作為我們構(gòu)建模塊方案的標(biāo)準(zhǔn)接口基礎(chǔ)架構(gòu)。結(jié)果是，我們可以提供下面的選項來滿足用戶的需求（表1）。

以移動電話系統(tǒng)為例，要求支持OpenGL ES功能和VGA顯示器尺寸，功耗應(yīng)該最小，因此在這種情況下，頂點處理器和紋理管線的數(shù)量需要分別優(yōu)化為兩個（當(dāng)然這里的數(shù)量僅僅是一個例子）。Maestro功能的實現(xiàn)并不僅僅支持Open ES，因為在大量的蜂窩電話中不需要非標(biāo)準(zhǔn)的功能。紋理緩存參數(shù)也可以針對SoC總線特性進行優(yōu)化，因為事實上這些參數(shù)是由OCP標(biāo)準(zhǔn)自動提供的。在像娛樂游戲機這樣的應(yīng)用中，所有Maestro功能都需要組件來支持更高質(zhì)量和吸引人的內(nèi)容以及高性能和大顯示器尺寸。

我們還采用了利用OCP線程協(xié)議的預(yù)取機制。這對于避免渲染管線的停頓以保持很高的渲染性能來說是很重要的。表2給出了在該圖形內(nèi)核中線程ID分配的實例，在這個例子中，內(nèi)核共有四個紋理模塊。

OCP2.2支持標(biāo)示哪個線程允許失序響應(yīng)，但是這個特殊DMP內(nèi)核并不支持失序處理，因為對色彩和深度緩沖器的訪問需要使用基于讀-修改-寫鎖定的訪問，對其它的訪問沒有針對失序訪問支持的邏輯和FIFO，以便生成小型IP內(nèi)核及支持上述各種應(yīng)用。為了在沒有標(biāo)示功能條件下獲得較好的存儲器訪問性能，這種圖形內(nèi)核針對基于模塊化的光柵化處理進行了優(yōu)化，所有從三角函數(shù)產(chǎn)生的象素都要通過4X4這樣的矩形塊處理，以便通過長突發(fā)長度訪問和數(shù)據(jù)訪問跟上對齊地址而充分利用存儲器訪問，并為紋理和色彩緩沖器獲得較高的緩存利用率。

3：OCP好處

使用OCP的最大好處是廣泛使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是開放的，任何人都能得到。此外，大多數(shù)主要的SoC銷售商利用和支持OCP。這樣一來，我們可以根據(jù)協(xié)議在我們的接口和緩存中定義某些參數(shù)，以優(yōu)化我們的用戶總線訪問接口和系統(tǒng)參數(shù)，就像表1中的最后一行，這為IP提供商和SoC供應(yīng)商同時提供了一種高層次的構(gòu)建模塊概念。

本文小結(jié)

這種內(nèi)核最早是在SIGGRAPH 2006上發(fā)布的（圖8），目前PICA200構(gòu)建內(nèi)核已經(jīng)能夠供貨。

圖8：在SIGGRAPH 2006上的FPGA原型展示。

我們多年來一直在為嵌入式應(yīng)用開發(fā)3D圖形技術(shù)，而利用OCP可以減少開發(fā)這種技術(shù)的時間和成本。對于IP內(nèi)核和SoC供應(yīng)商來說，系統(tǒng)整合工作是一項非常耗時的工作。PICA200內(nèi)核不僅支持各種嵌入式應(yīng)用，還通過利用基于OCP的構(gòu)建模塊方案優(yōu)化了每個系統(tǒng)的性能。OCP提供了能夠滿足上述設(shè)計挑戰(zhàn)所需的完整規(guī)范和基礎(chǔ)架構(gòu)。

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