Развитие индустриальных компьютерных систем [1,2] требует отображения графической информации на экран для оперативной оценки хода технологического процесса и принятия решений. Требования, выдвигаемые к индустриальным системам — сохранять функционирование в заданных техническим заданием параметрах при работе в условиях повышенных или пониженных температур (от -85 °С до +125 °С), электромагнитных помех и изменения напряжения питания в диапазоне ±10%. Эти требования приводят к задачам построения высокопроизводительных графических подсистем[3], способных функционировать в данных условиях. При этом современные условия требуют вывода информации с высокими разрешениями экрана до 1600 на 1200 точек и отображения до 16 млн. цветов.
Графические контроллеры являются неотъемлемой частью современных ЭВМ, обеспечивая взаимодействие оператора и вычислительной системы. На дисплее отображается не только текстовая, но и графическая информация, делая ЭВМ мощным средством управления и контроля. По сложности некоторые современные графические контроллеры уже превосходят центральный процессор. Первые ЭВМ, использующие в качестве устройства ввода-вывода терминал, отображали только текстовую информацию, при этом вывод па экран информации осуществлял центральный процессор. Появление графического интерфейса способствовало как популяризации первых персональных ЭВМ, так и развитию различных САПР, позволяющих увидеть на экране результат, максимально приближенный к конечному разрабатываемому с помощью САПР продукту. Для обеспечения разгрузки центрального процессора от рутинных задач работы с графическими примитивами в современные микросхемы графических контроллеров встраивают графические ускорители.
Многие зарубежные фирмы [4, 5] выпускают микросхемы именно для применения в индустриальных компьютерных системах. При этом, как правило, характеристики таких видеоконтроллеров отличаются от характеристик микросхем, используемых в персональных ЭВМ, например, отсутствием ускорителя трёхмерной графики, но при этом наличием функции вывода на ЭЛТ-дисплей, ЖК-дисплей и ТВ [6, 7, 8]. Следует отметить, что универсальность ЗБ-адапте-ров и сложность выполняемых ими задач приводят к тому, что для их нормального функционирования требуется мощная система охлаждения, в ряде современных моделей даже используется водяное охлаждение. В индустриальных видеоадаптерах охлаждение должно обеспечиваться пассивными радиаторами. Выпускаемые микросхемы графических контроллеров для персональных ЭВМ, обеспечивающие поддержку эффектов трёхмерной графики, не удовлетворяют требованиям функционирования в жестких индустриальных условиях.
Для большинства индустриальных применений достаточно реализовать быстродействующую видеосистему с выводом информации на различные типы мониторов. Весьма важной для этих видеосистем является реализация аппаратной поддержки выполнения системы графических команд X Window [9]. Эта система команд является общепринятой для вывода графической информации в операционных Unix-системах, таких, как Linux, Solaris, HPUX. При этом именно Unix-системы в большинстве своём применяются для управления и контроля технологических процессов, а также в бортовых ЭВМ. Таким образом, создание графического ускорителя, ориентированного на графическую систему команд X Window, позволит впоследствии применять его в широком спектре индустриальных систем управления и контроля.
В СССР и России работы по созданию графических ускорителей велись в конце 80х — начале 90х годов, когда ещё не существовало единых стандартов графических контроллеров, например, была создана БИС графического сопроцессора К1809ВГ4. В настоящее время эти разработки морально устарели, а новые не ведутся [10]. Для создания отечественных встроенных систем разработчики вынуждены закупать зарубежные графические микросхемы (Cirrus Logic, Chips, Fujitsu), ассортимент которых довольно велик. Однако эти микросхемы не удовлетворяют требованиям специального и индустриального применения по диапазону температур, влагостойкости, не поддерживают систему команд X Window. Кроме того, применение в отечественной аппаратуре зарубежных микросхем может вызвать значительные трудности при дальнейшем производстве этой аппаратуры в случае прекращения выпуска используемых импортных комплектующих, что уже неоднократно имело место.
Целью данной работы является разработка методов и средств проектирования графических ускорителей индустриального применения, специализированных для выполнения основных графических операций X Window. Для достижения этой цели в диссертации решались задачи анализа и выделения основных операций X Window, создана методика построения графических ускорителей, наиболее полно реализующих эти операции, разработаны алгоритмы работы блоков графического ускорителя и реализации на их основе устройств отображения графической информации, специализированных на выполнение выбранных операций X Window.
Представленная работа связана с научными планами отделения разработки высокопроизводительных систем НИИ Системных Исследований РАН по созданию современных высокопроизводительных ЭВМ специального назначения. Результаты данной работы предназначены для применения при проектировании систем контроля на базе индустриальных компьютеров, при построении средств сбора и отображения информации, при разработке аппаратуры управления сложными объектами.
Цель диссертации заключается в создании и развитии алгоритмов работы с графическими примитивами, разработке на основе полученных алгоритмов методик проектирования, структурных и схемотехнических решений для реализации высокопроизводительных 2D графических ускорителей, ориентированных на использование в системах индустриального и специального применения.
Для достижения данной цели необходимо выполнение следующих исследований и разработок:
1. рассмотреть операции X Window, графические стандарты и методы их реализации;
2. провести анализ требований к графическим ускорителям, обусловленных индустриальной областью их применения;
3. провести анализ команд X Window для определения набора команд, эффективного для аппаратной реализации;
4. на основе анализа команд и требований к области применения определить общие подходы и методики построения аппаратных средств графического ускорителя, рассмотреть возможные схемотехнические решения для отдельных блоков;
5. предложить методы увеличения быстродействия аппаратной реализации графических операций, если прямая реализация алгоритма имеет недостаточное быстродействие.
В соответствии с этим были определены следующие основные задачи диссертации:
1. Определить набор графических команд X Window, аппаратная реализация которых позволит существенно ускорить их выполнение.
2. Предложить методику оценки эффективности аппаратной реализации графических команд.
3. Разработать алгоритмы или структурные решения для аппаратной реализации выбранного набора графических команд.
4. Предложить возможные методы дальнейшего увеличения быстродействия блоков, реализованных на основании разработанных алгоритмов и структурных решений.
5. Предложить схемотехнические методы организации арбитрирования доступа к видеопамяти для оптимального распределения времени доступа к ней.
6. С применением разработанных средств и методов разработать и реализовать высокопроизводительный графический ускоритель для графических контроллеров, предназначенных для использования в системах индустриального и специального назначения.
Методы исследования.
Для описания предлагаемых алгоритмов реализации основных графических процедур используется язык псевдокода. При описании предложенных структурных решений использованы графы состояний управляющих конечных автоматов для каждого из разработанных функциональных блоков. Программные модели алгоритмов разрабатывались на языках высокого уровня C/C++ и на поведенческом уровне языка Verilog HDL. После объединения получавшиеся архитектуры разрабатывались и тестировались на языке описания аппаратуры Verilog. Для программного моделирования архитектуры устройств использовалась система Verilog-XL фирмы Cadence.
Для создания макетных образцов с реальными задержками и аппаратного моделирования использовались программируемые логические микросхемы типа.
FPGA фирмы Altera и системы автоматизированного проектирования Max+PlusII и QuartusII фирмы Altera. Эти пакеты имеют возможность получения на выходе величин реальных временных задержек в микросхеме, что позволяет промоделировать приближенное к реальности поведение разработанного средствами САПР и сконфигурированного в ПЛИС устройства, а также удешевить и ускорить процесс проектирования в целом.
Научная новизна диссертации.
1. Обоснованы принципы выбора наиболее часто употребляемых графических операций графических систем X Window для аппаратной их реализации. Основными критериями выбора таких операций являются частота вызова операции и степень получаемого аппаратного ускорения. Ограничивающим критерием являлась сложность аппаратной реализации данной функции. На основе этих припципов предложена общая методика проектирования графических ускорителей.
2. Предложены алгоритмы для аппаратной реализации выбранного набора графических операций X Window. Данные алгоритмы представляют собой описания работы на псевдокоде блока аппаратного ускорения той или иной функции и обеспечили при практическом применении значительное ускорение аппаратного выполнения основных графических процедур до 37,6 раз при допустимых затратах ресурсов на их реализацию (увеличении площади кристалла за счёт ускорителя на 54%, повышении потребления мощности на 41%).
3. На базе предложенных алгоритмов разработаны структурные решения и получены графы машин состояний для реализации основных блоков графических ускорителей. Полученные структурные решения и графы состояний позволяют выполнить дальнейшую схемотехническую и топологическую разработку графических ускорителей средствами САПР.
Предложены методы повышения производительности алгоритмов работы блоков аппаратного выполнения графических операций по сравнению с их прямой реализацией: а) ускорение рисования отрезка линии по алгоритму Брезенхема методом введения промежуточных буферов данных (достигается увеличение быстродействия в 2,1 раза по сравнению с прямой реализацией), б) ускорение заливки прямоугольной области с помощью увеличения разрядности шины данных (увеличение быстродействия работы блока до 16 раз), в) ускорение копирования прямоугольной области методом введения буферов данных на чтение и запись (увеличение быстродействия работы блока до 5 раз).
К другим существенным результатам диссертации, имеющим практическое значение, могут быть отнесены следующие:
1. Предложена реализация канала очереди графических команд, позволившая снизить затраты времени на опрос окончания аппаратного выполнения графической операции. При этом минимальный выигрыш по времени за счёт отсутствия по локальной шине PCI циклов ожидания окончания операции составит при глубине очереди графических команд М = 8 до 168 тактов частоты шины PCI. Выигрыш времени зависит от суммарного времени выполнения графических операций, помещенных в очередь команд.
2. Предложена принципиальная схема арбитра доступа к видеопамяти с переключаемыми приоритетами для оптимизации времени работы с видеопамятью блока интерфейса локальной шины и графического ускорителя. Схема обеспечивает предоставление доступа к видеопамяти со стороны графического ускорителя и блока интерфейса локальной шины PCI таким образом, чтобы процесс ожидания данных при совместном обращении PCI и графического ускорителя к видеопамяти со стороны ускорителя как более быстродействующего устройства имел минимальную длительность. При этом выигрыш во времени работы составляет до 16 периодов тактовой частоты памяти за счёт минимизации ожидания подготовки процессором данных.
3. Предложена методика оптимизации схемотехнической реализации графических ускорителей по количеству транзисторов путем выделения функционально идентичных блоков и их использования для выполнения различных функций. Для разделения доступа к этим общим блокам разработан алгоритм ар-битрирования запросов. Для созданного графического ускорителя данная методика обеспечила снижение количества требуемых логических элементов на 7,5%, и, соответственно, уменьшение на такую же величину потребляемой графическим ускорителем мощности.
Результаты диссертации, выносимые на защиту.
1. Методика выделения графических функций X Window, предназначенных для аппаратной реализации.
2. Методика построения аппаратных средств графического ускорителя, предназначенного для отображения графической информации в индустриальных ЭВМ. Методика позволяет реализовать аппаратное выполнение основных графических операций X Window, ускоряя функцию рисования отрезка линии в 4 раза по сравнению с программным выполнением, и до 30 раз для копирования в 8-разрядном режиме, наращивать функциональные возможности таких микросхем, например, добавляя ещё одну очередь команд вывода на экран. Предложены методы и способы повышения быстродействия прямой реализации алгоритмов аппаратного выполнения графических операций.
3. Структура блоков графического ускорителя, реализующего аппаратное выполнение основных графических операций X Window, в составе графического контроллера, предназначенного для вывода графической информации на экран в системах на базе высокопроизводительных индустриальных ЭВМ. Диаграммы работы машин состояний блоков аппаратного ускорения графических операций.
Практическая ценность.
Разработанные в диссертации методики проектирования графических ускорителей и алгоритмы реализации графических операций, предложенные структурные и схемотехнические решения для реализации основных блоков и субблоков были использованы при разработке двух типов отечественных микросхем графических контроллеров индустриального назначения 1890ВГ10Т и 1890ВГ14Т, выпускаемых серийно.
Графические контроллеры 1890ВГ10Т и 1890ВГ14Т позволяют выводить на экран изображение с высоким разрешением и кадровой частотой с глубиной цвета 8, 16 и 32 разряда на точкупри этом находящийся в их составе графический ускоритель способен осуществлять следующие графические операции:
• копирование прямоугольных областей в видеопамяти;
• копирование прямоугольных областей в видеопамяти с графической операцией;
• заливка прямоугольной области в видеопамяти фиксированным цветом;
• заливка прямоугольной области в видеопамяти фиксированным цветом с графической операцией;
• постановка точек по координатам;
• заливка прямоугольной области по маске, расположенной в памяти (копирование с расширением цвета);
• заливка прямоугольной области с отсечением по маске расположенной в памяти (копирование с расширением цвета с отсечением);
• заливка произвольной прямоугольной области с использованием расположенного в регистре шаблона 8×8 (как двухцветной, так и с отсечением);
• рисование линии нулевой толщины с использованием графической операции по начальной и конечной точкам (в том числе и пунктирной линии) с поддержкой отрицательных экранных координат;
• рисование линии нулевой толщины (в том числе и пунктирной) с использованием графической операции по начальной точке, длине и характеризующей наклон величине ошибки;
• обработка очереди графических команд.
Проведенные экспериментальные исследования и испытания микросхем 1890ВГ10Т и 1890ВГ14Т позволили оценить эффективность введения разработанного графического ускорителя для повышения производительности систем при выполнении графических процедур. Возможности функционирования в расширенном диапазоне температур обеспечиваются особенностями технологического процесса и применением металлокерамического или стеклокерамическо-го корпуса, обладающих способностью повышенного отвода тепла от кристалла.
Данные микросхемы используются в ряде ОКР по созданию автоматизированных систем управления индустриального и специального применения. С использованием данных микросхем создано новое поколение компьютеров серии «Багет», что подтверждается приложенными актами о внедрении.
Апробация диссертации.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:
• Научно-техническая конференция «Электроника, микрои наноэлектроника», 2001 г. (г. Пушкинские горы), 2002 г. (г. Пушкин), 2003 г. г. Кострома).
• Научные сессии МИФИ-2001 и МИФИ-2002.
• На семинарах НИИСИ РАН, межведомственных совещаниях и семинарах.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 145 страниц, 43 рисунка, 16 таблиц.
Список литературы
насчитывает 91 наименование.
Выводы.
Изложенная в данной главе общая методика проектирования графических ускорителей позволяет провести оценку эффективности ускорения отдельных графических операций и определить набор операций, аппаратная реализация которых обеспечивает наибольшее повышение быстродействия при допустимых затратах ресурсов (количества дополнительных элементов, площади кристалла, потребляемой мощности).
Предложены алгоритмы аппаратной реализации основных графических операций Х-Windows:
• копирование прямоугольной области;
• заливка прямоугольной области;
• заливка прямоугольной области по одноцветной и двуцветной маскам;
• заливка прямоугольной области по одноцветной и двуцветной маскам узором 8×8 точек;
• формирование отрезка прямой линии по двум точкам либо по двум точкам и наклону;
• формирование отрезка прямой линии по двум точкам либо по двум точкам и наклону с поддержкой пунктира.
Данные алгоритмы позволяют произвести на их основе разработку структуры и схемотехнической реализации основных блоков графического ускорителя. На базе данных алгоритмов разработаны структурные решения для следующих блоков ускорителя:
1. Блок рисования отрезка прямой линии (раздел 3.2.1, 3.2.2). Блок реализует целочисленный алгоритм Брезенхема, при котором итеративно ставятся точки, принадлежащие рисуемой линии. Для ускорения работы в структуру блока введены буферы данных (раздел 3.2.3). В результате работы блока достигается ускорение выполнения этой графической операции в 2,5 раза по сравнению с программной реализацией.
2. Блок заливки прямоугольной области одним цветом (раздел 3.4.1). Блок работает с шиной данных шириной 128 разрядов, позволяющей за один цикл работы блока рисовать до 16 точек (раздел 3.4.4). В результате работы блока обеспечивается аппаратное выполнение данной операции, которое в 22,8 раз быстрее, чем программное.
3. Блок заливки прямоугольной области по маске (раздел 3.4.2). Данный блок также работает с шиной данных шириной в 128 разрядов, которая позволяет за один цикл ставить до 16 точек. Достигается ускорение операции при аппаратном выполнении в 22,8 раз по сравнению с программным выполнением.
4. Блок заливки прямоугольной области по маске узором 8×8 точек (раздел 3.4.3). Блок также работает с шириной шины данных 128 разрядов, но считывает маску из регистров, не обращаясь к памяти. Его быстродействие равно быстродействию блока заливки прямоугольной области одним цветом.
5. Блок копирования прямоугольной области (раздел 3.5.1). Блок работает с шиной данных шириной в 128 бит, что позволяет копировать до 16 точек за цикл работы блока. Для ускорения работы блока в его структуру введены буферы чтения данных (раздел 3.5.2). Ускорение аппаратного выполнения по сравнению с программным составило 37,6 раз.
Получены временные диаграммы работы машин состояния, управляющих функционированием данных блоков. Полученные структурные схемы и временные диаграммы позволяют произвести автоматизированный схемотехнический синтез и разработку топологии блоков ускорителя стандартными средствами САПР.
Предложена реализация очереди графических команд (раздел 3.7), позволяющая разгрузить центральный процессор и локальную шину, исключив N-1 циклов ожидания выполнения операции, где N-глубина очереди команд. Проведенная оценка показывает, что для реализации выбранного набора операций X-Windows целесообразно использовать глубину очереди М = 8, при этом достигается сокращение времени выполнения графических операций на величину от 168 тактов по шине PCI.
При разработке графических ускорителей проведена оптимизация схемы по количеству транзисторов путем выделения функционально идентичных блоков, используемых для выполнения различных задач. Разделение доступа к этим блокам производится с помощью предложенного алгоритма арбитража. Данный способ оптимизации позволил сократить на 7,5% количество логических элементов, требуемых для реализации графического ускорителя, и, соответственно, уменьшить на такую же величину потребляемую графическим ускорителем мощность.
С использованием разработанных методик проектирования графических ускорителей и алгоритмов реализации графических операций, предложенных структурных и схемотехнических решений проведена разработка графических ускорителей для двух типов микросхем графических контроллеров 1890ВГ10Т, 1890ВГ14Т, выпускаемых серийно. На базе этих микросхем разработаны и изготовлены индустриальные графические модули в формате PCI Mezzanine Card [25]. Было произведено тестирование данных модулей и их сравнение с графическим ускорителем S3 Virge МХ+, установленным в персональном компьютере, по скорости выполнения типовых графических процедур. Полученные результаты показывают, что использование разработанных ускорителей обеспечивает ускорение выполнения типовых графических процедур до 37,6 раз. При выполнении большинства процедур (8 тестовых процедур из 10) графический ускоритель, реализованный в составе микросхемы 1890ВГ14Т, обеспечивает на отдельных задачах в 2,5 раза более высокое быстродействие, чем лучшие зарубежные образцы графических 2D ускорителей.
Заключение
.
Основным научным результатом диссертации является развитие методов проектирования высокопроизводительных графических контроллеров для систем индустриального назначения.
Основные теоретические результаты данной диссертации заключаются в следующем:
1. Обоснованы принципы выбора наиболее часто употребляемых графических операций графических систем X Window для их аппаратной реализации. На основе этих принципов предложена общая методика проектирования графических ускорителей.
2. Предложены алгоритмы для аппаратной реализации выбранного набора графических операций X Window. Данные алгоритмы обеспечивают значительное ускорение аппаратного выполнения основных графических процедур (до 37,6 раз) при допустимых затратах ресурсов на их реализацию (увеличении площади кристалла за счёт ускорителя на 54% (из табл.3.5), повышении потребления мощности па 41% (из табл.3.6)).
3. На базе предложенных алгоритмов разработаны структурные решения и получены графы машин состояний для реализации основных блоков графических ускорителей. Полученные структурные решения и графы состояний позволяют выполнить дальнейшую схемотехническую и топологическую разработку графических ускорителей средствами САПР.
4. Предложены методы повышения производительности алгоритмов работы блоков аппаратного выполнения графических операций по сравнению с их прямой реализацией: а) ускорение рисования отрезка линии по алгоритму Брезенхема методом введения промежуточных буферов данных (достигается увеличение быстродействия в 2,1 раза по сравнению с прямой реализацией), б) ускорение заливки прямоугольной области с помощью увеличения разрядности шины данных (увеличение быстродействия работы блока до 16 раз), в) ускорение копирования прямоугольной области методом введения буферов данных на чтение и запись (увеличение быстродействия работы блока до 5 раз).
Основные практические результаты диссертации следующие:
1. Предложены и реализованы в микросхеме алгоритмы очереди графических команд, позволившие снизить затраты времени на опрос окончания аппаратного выполнения графической операции. При этом минимальный выигрыш по времени за счёт отсутствия по локальной шине PCI циклов ожидания окончания операции составит при глубине очереди графических команд М = 8 до 168 тактов частоты шины PCI. Выигрыш во времени зависит от суммарного времени выполнения графических операций, помещенных в очередь команд.
2. Предложена и реализована в микросхеме принципиальная схема арбитра доступа к видеопамяти с переключаемыми приоритетами для оптимизации времени работы с видеопамятью блока интерфейса локальной шины и графического ускорителя. Схема обеспечивает предоставление доступа к видеопамяти со стороны графического ускорителя и блока интерфейса локальной шины PCI таким образом, чтобы процесс ожидания данных при совместном обращении PCI и графического ускорителя к видеопамяти со стороны ускорителя как более быстродействующего устройства имел минимальную длительность. При этом выигрыш во времени работы составляет до 16 периодов тактовой частоты памяти за счёт минимизации ожидания подготовки процессором данных.
3. Предложена методика оптимизации схемотехнической реализации графических ускорителей по количеству транзисторов путем выделения функционально идентичных блоков и их использования для выполнения различных функций. Для разделения доступа к этим общим блокам разработан алгоритм ар-битрирования запросов. Для созданного графического ускорителя 1890ВГ10Т данная методика обеспечила снижение количества требуемых логических элементов на 7,5%, и, соответственно, уменьшение на такую же величину потребляемой графическим ускорителем мощности.
Разработанные в диссертации методики проектирования графических ускорителей и алгоритмы реализации графических операций, предложенные структурные и схемотехнические решения для реализации основных блоков и субблоков были использованы при разработке двух типов отечественных микросхем графических контроллеров индустриального назначения 1890ВГ10Т и 1890ВГ14Т, выпускаемых серийно.
Проведенные экспериментальные исследования и испытания микросхем 1890ВГ10Т и 1890ВГ14Т позволили оценить эффективность введения разработанного графического ускорителя для повышения производительности систем при выполнении графических процедур. Возможности функционирования в расширенном диапазоне температур обеспечиваются особенностями технологического процесса и применением металлокерамического или стеклокерамическо-го корпуса, обладающих способностью повышенного отвода тепла от кристалла.
Сравнение результатов тестирования графических модулей, реализованных на базе разработанных микросхем графических контроллеров 1890ВГ10Т, 1890ВГ14Т и зарубежных образцов, показывает, что предложенные в диссертационной работе методы проектирования и структурно-схемотехнические решения ускорителей плоской графики обеспечивают существенное повышение производительности при выполнении основных графических операций до 32 раз по сравнению с программным выполнением.
Данные микросхемы используются в ряде ОКР по созданию автоматизированных систем управления индустриального и специального применения. С использованием данных микросхем создано новое поколение компьютеров серии «Багет», что подтверждается приложенными актами о внедрении.
