圖形處理系統中主機接口設計及應用

馬 超,王 婷,田 澤,王 靜

(1.中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統設計航空科技重點試驗室，陜西 西安 710068；3.西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

圖形處理系統中主機接口設計及應用

馬 超1,2,王 婷1,2,田 澤1,2,王 靜3

(1.中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統設計航空科技重點試驗室，陜西 西安 710068；3.西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

圖形處理技術被廣泛應用于電影、視頻、游戲以及動畫的制作等領域，而圖形處理系統(GPU)的出現極大地增加了SoC設計及驗證的復雜度。作為SoC對外的總線接口，PCI主機接口的設計實現的難度也隨之增加，并成為圖形處理SoC設計過程中的功能、性能以及進度保證的瓶頸。PCI主機接口結構設計是否合理則會直接影響到圖形處理SoC的功能、性能以及進度的關鍵因素之一。文中闡述了一種基于圖形處理系統應用的主機接口架構。從圖形處理系統設計角度，提出了總線架構下主機接口的設計，實現了圖形處理系統通過總線與CPU之間的交互，完成了主機通過配置通路對圖形處理系統的中斷控制以及主機通過調試通路加載命令解析程序等功能。在系統設計階段，有效提高了準確性和驗證的完備性。

圖形處理系統；主機接口；調試通路；配置通路

0 引 言

GPU系統的不斷發展使得計算機系統復雜度急速增加，前期設計測試驗證的難度也隨之增大[1-2]。

主機接口在GPU中的應用，對GPU整體的功能、性能的提高起到了關鍵性的作用。對于GPU內部而言，其內部處理單元眾多，各個處理單元之間數據交互同樣異常復雜[3-4]。

主機接口作為圖形處理系統的外部接口，通過總線完成與外部處理器的通信功能[5]。實現客戶端與圖形處理系統間的OpenGL命令傳輸，以及模板、紋理等圖形數據的傳輸。另外，外部主機通過主機接口對圖形處理系統進行配置，從而實現圖形處理功能[6]。

1 主機接口設計

主機接口實現OpenGL命令和圖形數據的傳輸。實現主機對圖形處理系統內部體系結構寄存器的配置；PCI核后端邏輯與圖形處理器IP核流水線各級的接口關系，實現了二者之間的數據傳輸。最終完成外圍設備與PCI總線的連接，在CPU與圖形處理系統之間建立了快速通信鏈路，完成圖形處理系統中用戶可訪問寄存器的配置及CPU與圖形處理系統之間大批量數據傳輸等功能[7-8]。

主機接口架構如圖1所示。

圖1 主機接口架構圖

2 主機接口從通道設計

2.1 配置通路設計

配置通路實現PCI總線對圖形處理系統寄存器的讀寫訪問[9]。根據各個模塊的不同時鐘實現異步時鐘同步處理。配置通路架構如圖2所示。

圖2 配置通路架構圖

配置通路包括地址譯碼、時鐘同步以及寄存器實現。

主機發起寄存器訪問操作，經過地址譯碼將寄存器訪問控制信號、數據及地址由總線時鐘同步到相應時鐘域，并輸出至圖形處理系統各個模塊的寄存器接口[10]。

圖形處理系統的控制寄存器也在配置通路內完成，這部分控制寄存器實現了圖形處理系統與總線的中斷機制以及基本控制功能。

2.2 調試通路設計

2.2.1 概 述

調試通路實現外部主機對圖形處理系統中命令處理單元和存儲管理與控制單元的數據讀寫訪問[11]。

調試通路架構如圖3所示。

圖3 調試通路架構

2.2.2 命令處理器通路設計

外部主機通過調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計

主機通過調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，由于作為調試通路，對存儲管理與控制單元而言，主機操作在其內部仲裁時優先級最低；所以為保證主機能夠正常對高速DDR進行讀寫操作，達到調試目的，在主機接口后端邏輯設計中需對讀操作進行獨立控制，以滿足主機發起讀寫操作時存儲管理與控制單元暫時未能正常響應的條件[14]。

3 主設備通道設計

圖形處理系統通過主設備通路在命令處理單元和DMA控制單元之間建立快速數據傳輸鏈路，將繪圖命令和繪圖數據從外部主設備傳輸至圖形處理系統內部，完成快速數據傳輸功能。

命令處理單元與DMA控制單元分別作為主設備請求總線時，完成主機端與圖形處理系統之間的大批量數據傳輸。

命令處理單元與DMA控制單元同時作為主設備時占用PCI總線的數據通路選擇功能。

主設備通路架構如圖4所示。

圖4 主設備通路架構圖

4 結 論

通過文中所述PCI主機接口的架構設計，對GPU系統的設計驗證工作提出如下兩點：

(1)將針對GPU內部各個運算單元的異步時鐘同步處理統一由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構上的統一，有效減少了后端設計、后仿真階段的工作量。

(2)調試通路的應用使得主機能夠在設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，能夠允許主機以更靈活地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部緩存中，在功能驗證的源頭

保證了命令解析的正確性，同時也增強了自主驗證的靈活性。

5 結束語

綜上所示，基于總線接口架構的圖形處理系統，通過主機接口設計，將跨時鐘域統一處理，減輕了圖形處理系統各個邏輯運算單元的復雜度。通過調試通路的設計，主機能夠更加自由地加載命令解析程序，增加調試的靈活度。在系統設計初期能夠較完備地對圖形處理系統OpenGL命令的支持度進行驗證，訪問DDR能夠最大限度地保證圖形處理系統與DDR之間的數據可見性，便于前期調試以及后期芯片的測試。

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Design and Application of Host Interface in Graphic Processing System

MA Chao1,2,WANG Ting1,2,TIAN Ze1,2,WANG Jing3

(1.Aeronautics Computing Technique Research Institute,Xi’an 710068,China;2.Aeronautics Science and Technology Key Laboratory of Integrate Circuit and Micro-system Design,Xi’an 710068,China;3.Xi’an Modern Control Technology Research Institute,Xi’an 710065,China)

Graphic processing techniques has been implemented in movie，video，game and cartoon industry.The implementation of Graphic Processing Unit (GPU) would hugely lead the design and verification of SoC to be more complex.As the only interface of GPU system,the design and implementation of PCI bus would also be paid more attention as it could be considered as the key point in improving the function,performance and project schedule guarantee.A structure of host interface based on graphic processing system application is proposed.According to the method,the data interactive between CPU and GPU via PCI Bus would be achieved.The function of interrupt controlling via configuration-channel and loading CMD program via debug-channel would also been achieved.This would enhance the completeness in verification and veracity in design.

graphic processing unit;host interface;debug channel;configuration channel

2015-06-16

2015-09-22

時間：2016-05-05

中國航空工業集團公司創新基金(2010BD63111)

馬 超(1984-)，男，工程師，研究方向為集成電路設計與驗證；田 澤,博士,研究員,中航首席技術專家，研究方向為SoC設計、嵌入式系統設計、VLSI設計。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0814.006.html

TP39

A

1673-629X(2016)05-0125-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.05.026