基于ARM和FPGA架构的三维图形加速系统

　　系统硬件实现

　　本文选用S3C2410嵌入式处理器和Cyclone II系列FPGA实现图形加速以及其他功能模块，辅以LCD屏、串口等外围电路实现整个图形系统。

　　电源设计

　　本系统需要多个不同电压值的直流电源供电，包括5V、3.3V、1.8V和1.2V。其中5V电源从外部直流电源直接引入，而其他电压值则由5V电压变换得到。

　　S3C2410的内核电压为1.8V，外部I/O和存储器电压为3.3V。系统选用低压差稳压器AS1117实现这两种电压的转换，固定输出时只需三个引脚，如图3所示。　　

　　本文使用TPS70345为FPGA提供1.2V内核电压和3.3V IO电压。

　　ARM与FPGA接口电路

　　生成三维图形时，嵌入式微处理器上运行的图形应用程序生成三维图形的渲染列表，并将渲染列表写入到FPGA的渲染列表缓冲区中，等待图形加速模块的处理。ARM与FPGA接口电路既要保证可以完成渲染列表的写操作，又要能够对FPGA中总线接口模块、图形加速模块、LCD控制器等的内部寄存器进行读写操作。接口电路如图4所示。　　

　　系统软件设计

　　系统软件架构

　　本文使用FPGA实现整个三维图形处理流水线，由硬件完成三维图形生成和处理。运行在操作系统上的图形应用程序通过调用图形API实现具体应用，而驱动程序将图形API的调用转换成渲染列表，从而将具体的三维图形处理任务交给硬件完成，如图5所示。　　

　　考虑到嵌入式图形系统除了进行三维图形处理之外，还应当能够为用户提供友好的用户图形操作界面，本文采用了Windows CE操作系统。

　　驱动程序设计

　　设备驱动程序在操作系统和硬件设备之间建立了一个桥梁，让操作系统能够识别设备并为应用程序提供设备服务。

　　本文中FPGA实现的图形加速模块作为一个设备挂接在系统中。系统在软件上只需要将渲染列表写到该设备的地址空间，因此本文使用了简单的流式接口驱动，所有的流接口驱动程序都使用相同的一组流接口函数。

　　渲染列表的传递是不需要反馈的，系统将渲染列表写入设备(GPU)后并不需要从设备中获取数据，因此流接口函数GPU_Read()并不需要实现具体功能，只在GPU_Write()中将渲染列表写入到设备中。另外，系统在普通图形界面和三维显示两种显示模式下使用的是不同的LCD控制器。前者使用S3C2410中集成的LCD控制器，而后者使用的是FPGA模块中实现的LCD控制器，两种模式下通过LCD总线切换模块进行切换。

　　结语

　　本文设计了基于ARM和FPGA的嵌入式图形系统，使用FPGA在硬件上实现三维图形处理，缓解嵌入式CPU在处理三维图形时因计算量过大而导致系统效率降低的问题。图像显示符合人眼对图像连续性的要求。