Mobil Grafik İşlemcisinin Doku Önbelleği Tasarımı
Cep telefonları ve PAD'ler gibi mobil cihazların daha da yaygınlaşmasıyla, 3D grafik işleme talebi de artmaktadır. Mobil GPU'larla karşılaştırıldığında, masaüstü GPU'ların daha basit ve daha doğrudan işleme süreçleri, daha yüksek veri çıkışı, daha yüksek bant genişliği gereksinimleri ve daha yüksek güç tüketimi vardır. Literatür, Moore Yasasına göre entegre devrelerin gelişme hızıyla karşılaştırıldığında, pille çalışan teknolojinin gelişiminin çok daha yavaş olduğuna işaret etmektedir.Mobil cihazların en temel sorunu pille çalışır. Mobil cihazlarda, grafikler sıvı kristal ekranlara uygulandığından, grafik oluşturma sırasında sistem güç tüketimi yüksektir ve yazılım optimizasyonu sınırlıdır.Bu nedenle, donanımın düşük güçlü tasarımı, mobil cihazların düşük bant genişliği performansını elde etmek için araştırmanın odak noktasıdır. Yüksek güç tüketimi koşulları altında yüksek performanslı render efektleri elde edilebilir.
Doku eşleme, doku alanı ve piksel alanı arasında karşılıklı bir eşleme işlemidir. Doku görüntüsü büyütüldüğünde veya küçültüldüğünde, tek bir doku birden çok piksele karşılık gelir veya birden çok doku tek bir piksele karşılık gelir ve bu da doku örtüşmesine neden olur. Bu nedenle, sektördeki yetkililer, izotropik filtreleme kullanan gömülü uygulamalar için uygun bir 3B grafik standardı olan OpenGL ES'yi ortaklaşa formüle ettiler. Bu yöntemdeki en yakın komşu örnekleme filtresi, örtüşmeye eğilimli doku eşleme aralığını hesaba katmaz.Bu yöntemdeki çift doğrusal filtre, örtüşme sorununu etkili bir şekilde azaltmasına rağmen, bulanıklığa neden olmak kolaydır; Bu yöntemde Mipmap Filtreleme, klasik bir eşleme yöntemidir; son üç doğrusal filtreleme, Mipmap filtrelemenin bir optimizasyonudur, bu nedenle bu makale üç doğrusal filtrelemeyi seçer. Çift doğrusal filtreleme, d'ye bitişik bir doku görüntüsü katmanındaki dört bitişik doku konumunu örneklemek olduğu için, üç doğrusal filtreleme, d'ye bitişik iki doku görüntüsü katmanında çift doğrusal filtreleme gerçekleştirmek ve iki doku görüntüsü katmanını birleştirmektir. Çift doğrusal filtre ağırlığı ve ardından çift doğrusal filtre, üç doğrusal filtrenin basitleştirilmesidir. Bu makale, aşağıda açıklamak için çift doğrusal kullanır.
Doku belleği erişimi, piksel işlemci hızını etkilemenin anahtarıdır ve aynı zamanda mobil GPU'ların genel performansındaki darboğazdır. Çip üstü doku önbelleği ile birleştirildiğinde, mobil GPU ile harici bellek arasındaki veri bant genişliğini etkili bir şekilde azaltan, tekstler için yonga üzerinde bir L1 önbelleği oluşturulur. Doku Önbelleği, sıradan Önbellekten farklıdır: Birincisi, doku Önbelleği salt okunurdur ve sıradan Önbelleğin veri yazma ve geri yazma işlevlerinden farklıdır.İkincisi, doku önbelleğinin aktarım hızı, mobil GPU'nun genel performansıyla yakından ilişkilidir. Bu makale, çift doğrusal filtreleme ihtiyaçlarını birleştirir. Dört texelin özellikleri 4 portlu Cache kullanır. Doku önbelleği bir ardışık düzen biçimidir. Bu makale, mobil GPU ardışık düzeninin duraklamasını azaltan FIFO arabelleği önceden depolanmış bloğun okunmasını ve yazılmasını kontrol etmek için bir FIFO denetleyicisi kullanır.
1 Döşeme tabanlı mobil grafik işleme mimarisi
Imagnination'ın PowerVR serisi ürünlerinin mobil GPU'su, literatürde önerilen TBR (Tile Based Rendering) oluşturma modunu benimser.Geometrik işlemlerden sonra, ekran pikselleri birden fazla kareye bölünür ve piksel işlemcileri, parçalara bölünür. Masaüstü grafik işlemcileri için uygun anında oluşturma modu (Anında Mod Oluşturma, IMR) ile karşılaştırıldığında, TBR oluşturma modu, tarama ve ilkel işlemler gerçekleştirilirken çip üzerindeki her Döşemedeki tüm derinlik ve renk bilgilerini depolayabilir. Depolama bant genişliğini önemli ölçüde azaltır. Literatür, mobil GPU'nun ana güç tüketiminin yonga dışı depolamaya erişimden geldiğine, dolayısıyla TBR modunun mobil grafik işlemcileri için uygun olduğuna işaret etti. Şekil 1, bu makalenin mobil grafik işlemcisinin mimarisini göstermektedir.
Tüm mobil GPU, birleşik bir mimariyi benimser, yani geometrik dönüşüm işlemleri, köşe koordinatlarının aydınlatma hesaplamaları ve gölgelendirme işlemlerinin tümü Birleşik Gölgeleme İşlemcisi'nde (USP) tamamlanır; Ekran koordinatı Oluşturma Birimi (SGU) Geometrik işlem tamamlandıktan sonra, köşelerin ilkel birleştirme, kırpma ve geri ayırma işlemleri ekran alanına dönüştürülür; sonraki modüller kapsama hesaplaması, ara veri arabelleği oluşturma vb. Son olarak derinlik testi çerçeve arabelleğine çıktı. TBR oluşturma modunda, döşeme boyutu 8 × 8, 16 × 16, 32 × 32, vb. Olarak bölünebilir. Literatür, döşeme boyutu 8 × 8 olduğunda doku önbelleğinin performansının en iyiye ancak mobil GPU'dan ulaşabileceğine işaret etmektedir. Genel performans göz önüne alındığında, Antoeh'in önerdiği 32 × 32 karolar genellikle kullanılmalıdır.
2 Doku filtreleme
Doku eşleme iki boyutlu bir görüntüyü ekranın üçgenine yansıtmaktır Mobil bir GPU'da bu işlem tersine çevrilir, yani ekrandaki her piksel için iki boyutlu görüntüye karşılık gelen doku koordinatı hesaplanır. Bununla birlikte, ekran alanı doku uzayına karşılık geldiğinde, tam olarak bir texele karşılık gelmez, ancak doku uzayında belirli bir alana karşılık gelir.Şu anda, bu alandaki dokuların ağırlıklandırılması gerekir, yani filtreleme.
Lance Willams, şu anda neredeyse tüm grafik donanımlarının desteklediği bir filtreleme yöntemi, yani Mipmap filtreleme teknolojisi önerdi. Şekil 2 (a), Miapmap piramidini göstermektedir ve temel içeriği Şekil 2 (b) 'de gösterilmektedir.Farklı çözünürlükteki dokular harici bellekte saklanmaktadır. Haritalama yaparken, dokuların ve piksellerin ölçekleme oranına göre uygun bir seviye seçin d Daha küçük çokgen eşleme için, doku örtüşme görünümü etkili bir şekilde azaltılabilir.
Mipmap filtrelemeye dayalı olarak, üç-doğrusal filtreleme önerilmektedir, bu da örtüşme fenomenini önemli ölçüde azaltır. İlk olarak, yakınlaştırma oranını d hesaplayın; ikinci olarak, d'nin üstündeki ve altındaki iki farklı çözünürlük texel seviyesinde 4 doku koordinatını okuyun ve çift doğrusal filtreleme gerçekleştirin; son olarak, iki sonucu ağırlıklandırın.
3 Doku Önbelleğinin Tasarımı
3.1 Texture Cache devresi
Doku önbelleğinin donanım devre yapısı, Şekil 3'te gösterilmektedir, bu temelde şunları içerir: LUT arama devresi, adres karar devresi, işaret bit karşılaştırma devresi, LRU değiştirme devresi, FIFO kontrol devresi ve çıkış devresi.
3.2 Devre bul
Arama devresi, çift doğrusal filtrelemenin gerektirdiği dört tekselin harici belleğindeki adreslerin hesaplanmasından sorumludur. Doku görüntüsünün yerleştirildiği Mipmap piramidindeki seviye, adres karar devresine, işaret biti karşılaştırma devresine, LRU değiştirme devresine ve çıkış devresine çıktı olan arama tablosu (LUT) tarafından verilmektedir.
Trilinear filtrelemede, bitişik Mipmap katmanlarının iki farklı doku görüntüsü texel ve piksel ölçekleme oranından (d) elde edilebilir, yani her doku görüntüsünün temel adresi adresi doku ID'si ve Mipmap katmanı tarafından belirlenir. Bu makalede USP, 1024 × 1024 maksimum çözünürlüklü doku görüntüsünü destekler ve buna karşılık gelen düzey sayısı 0'dır. Piramitteki her seviyenin doku görüntüsü çözünürlüğüne göre, 2n × 2n boyutunda olması gerekir, ardından 1 seviyesi doku görüntü çözünürlüğüne karşılık gelir Oran 512 × 512'dir ve bu böyle devam eder.
3.3 Adres değerlendirme modülü
Temel adres bilgilerine göre, adres karar modülü, çift doğrusal filtrelemedeki diğer üç tekselin bulunduğu harici bellekteki temel adrese dayalı olarak ofset adresini hesaplar ve entegre dört texel adresini sürekli olarak işaret bit karşılaştırma devresine çıkarır. Ve çıkış devresi.
Bu makale, en fazla 1024 × 1024 çözünürlüğe sahip doku görüntülerini destekler ve her bir texel, 32 bit olan RGBA8888 formatında saklanır. Doku görüntüsündeki ofset adresi, oa biçiminde oluşturulur:
Şekil 4, bir doku görüntüsünü RGBA formatına geri yüklemek ve harici bellekte saklamak için MATLAB'ın kullanımını göstermektedir, örneğin, boyut 64 × 64'tür. Kare, doku görüntüsündeki dokunun konumunu temsil eder ve sayı, hafızadaki dokuyu temsil eder. Bu çözünürlük düzeyine sahip bir doku görüntüsünde çift doğrusal filtreleme gerçekleştirildiğinde, Şekil 4'teki dairede gösterildiği gibi 2 × 2 metinlerin okunması gerekir. Adresin harici bellekteki adresi temsil ettiğini varsayarsak, harici bellekteki diğer 3 texelin adresleri şunlardır:
Doku görüntüsünde dokuların eşleştirilme şekline göre, dört texel adresini önceden değerlendirmenin iki avantajı vardır:
(1) Örneğin, Şekil 4'teki dört texel adresi 1, 2, 8 ve 9 sırasıyla Adres (0 ~ 3) olup, burada texel 1'in adresi verilen temel adrestir ve texel 8'in adresi ofsettir. Doğrudan hesaplanabilir. 2 ve 9 numaralı metinlerin adresleri yalnızca ilk iki texel adresi artı sırasıyla "1" dir ve daha sonra işaret biti depolanırken yalnızca No. 1 ve No. 8 bilgilerinin depolanması gerekir, bu da kaynak israfını azaltır
(2) İşaret biti karşılaştırma devresinin tasarımına göre, algılama süresi tüketimi azaltılır.
3.4 Etiket bit karşılaştırma devresi ve LRU değiştirme devresi
Mark bit karşılaştırma modülü, doku önbelleğinde dört texelin vurulup vurulmadığını değerlendirmekten sorumludur. Veri çıkış oranını iyileştirmek için 4 bağlantı noktalı doku önbelleği kullanılır ve 256 satırlık doku önbelleği dört adet 64 satırlık tek bağlantı noktalı önbelleğe (0 ~ 3) bölünür. Doku haritalamada, çözünürlüğü 32 × 32'nin altında olan doku görüntüleri nispeten daha az kullanılır.Genel olarak kullanılan doku görüntülerinde texellerin isabet oranını iyileştirmek için, daha küçük çözünürlüklü doku görüntülerinin dokuları Cache3'te ayrı ayrı saklanabilir. Daha yüksek çözünürlüklü bir doku görüntüsünün dokuları, dört Önbellekten Adresteki 7 ve 8 bitlere kadar seçilir, böylece bir eksiklik durumunda, kalan Önbellekteki bloklar değiştirilmez.
Literatür, doku önbelleği boyutu 8 KB olduğunda, çok yüksek bir isabet oranına ulaşılabileceğine, dolayısıyla 8 KB depolama kapasitesinin benimsendiğine işaret etmektedir. Adres eşleme ilişkisinde, doğrudan eşleme hızlıdır, ancak depolama alanı kullanımı düşüktür; tam ilişkisel eşleme, doğrudan eşlemenin tersidir ve adres eşlemede, bir uzlaşmacı grup ilişkisel eşleme yöntemi seçilir. Bu makale 4 yollu grup ilişkisini kullanır, yani her 64 satırlık Önbellek, her biri 4 yollu, her satırda 8 metin depolanır ve boyutu 32 B olan 16 gruba ayrılır.
Belirli bir Önbellek grubundaki 4 kanalda etiket bit algılaması gerçekleştirilirse, 1 ila 4 atım sürecektir, bu da verim oranını etkileyecektir. Her gruptaki ilk kanal tag_ram0'ı oluşturur ve bu böyle devam eder, dördüncü kanal tag_ram3'ü oluşturur. Şekil 5'te gösterildiği gibi, ardından:
(1) Daha küçük bir çözünürlüğe sahip bir doku görüntüsü okurken, tamamlanması için 2 çekim gerektiren Cache3'te yalnızca etiket bit araması gerçekleştirilir;
(2) Daha yüksek çözünürlüklü bir doku resmini okurken, adres aracılığıyla Önbelleği seçin.Adresin tümü 0 olduğunda, etiket algılama 2 çekim gerektirir;
(3) Adresin tümü 0 olmadığında, etiket algılama yalnızca 1 vuruşa ihtiyaç duyar.
LRU değiştirme devresi, temelde bir okuma kaçırma durumunda Önbellek grubunda değiştirilmesi gereken yolu değerlendirmekten sorumludur. En son kullanılan algoritmayı kullanın (En Son Kullanılanlar, LRU).
3.5 FIFO kontrol devresi
USP'nin yüksek işleme hızını karşılamak için, doku önbelleğinin okuma hızı yalnızca isabet oranına ve çoklu bağlantı noktalarına yansıtılmaz, aynı zamanda harici bellekle veri etkileşiminde daha fazla zaman harcanır. Bu nedenle, kaçırılan ve okunacak veriler önceden çipe yerleştirilebilirse, iş hacmi önemli ölçüde iyileştirilecektir.
Doku önbelleğindeki işaret biti alma işlemi daha yüksek bir işleme hızına sahip olabilir. Bu nedenle, Şekil 6'da gösterildiği gibi, doku önbelleğinde bir işaret biti FIFO ve bir veri tamponu veya FIFO oluşturulur. Dört teksin adresleri önceden hesaplandığından, geri dön Verilerin ve istenen verilerin gönderilme sırası aynıdır, bu nedenle bu makale, cevapsız adresi ve okunacak verilerin önceden depolanmasını saklamak için arabellek yerine Data_fifo kullanabilir.
İşaret biti FIFO'da yanlış adres yazımı olduğunda, FIFO kontrolörü okuma talebi adresini doğrudan harici belleğe gönderir ve bunu Data_fifo'ya yazar. Data_fifo'nun isabet oranı ve derinliği bir anti-korelasyon ilişkisi içinde olduğundan, Data_fifo'nun derinliği büyük değildir.Dolu olduğunda, FIFO'nun başına ulaşan veriler, Cache_ram'ın karşılık gelen satırına yazılır ve okunur.
Doku Önbelleği ardışık düzeninin duraklaması koşulu şudur: tag_fifo doludur ve durdurma sinyali USP'ye gönderilir.Tüm işlemler tamamlandıktan sonra, ardışık düzeni başlatmak için başlangıç sinyali gönderilir. Bunların arasında tag_fifo, Data_fifo ile aynı derinliğe sahiptir.
3.6 Adres karar devresi
Çıkış devresi, harici bellek ve USP ile veri etkileşiminden ve doku önbelleğinde RAM'in güncellenmesinden sorumludur. Depolama yöntemi, Bölüm 3.4'te tartışılanla aynıdır.
Tüm isabetleri okurken, verileri doğrudan USP'ye okuyun; bir isabet tekseli olsa bile, bir eksiklik olduğunda, duraklar ve Data_fifo derinliğinin dolmasını bekler, ardından RAM'i güncellemek için FIFO verilerini alır ve verileri okur.
4 Deneysel sonuçlar
4.1 Test platformunun yapımı
Bu makaledeki test platformu, Şekil 7'de gösterildiği gibi SV kullanılarak oluşturulmuştur. Platform temel olarak şunları içerir: jeneratör (uyarıcı modülü), sürücü (sürücü modülü), dut (RTL seviyesi kodu), referans_model (referans modülü), monitör (monitör modülü) , Scoreboard (karşılaştırma şablonu modülü).
Doğrulama platformu açıklaması: Uyarma modülü esas olarak USP tarafından gönderilen okuma talebi adresini simüle etmek, adres boyutu aralığını vermek ve bu aralıktaki adresi rastgele oluşturmak ve sürücü modülüne vermek için kullanılır; sürücü modülü, sırasıyla dut ve referans için giriş adresini çıkarır D'nin, Texture Cache'in RTL düzeyinde kod parçası olduğu modül.Referans modülü, platformu ve C referans modeli arayüzünü geçer, adresi hesaplama için modele gönderir ve arayüz aracılığıyla platforma çıkarır; izleme modülü, tüm test boyunca sinyali izler; şablonları karşılaştırır Modül, referans modülünden gelen veri girişini izleme modülünden gelen veri girişi ile karşılaştırır Aynısı "başarı" anlamına gelir ve sayıları "1" artırır ve fark "başarısız" anlamına gelir ve sayıyı değiştirmeden tutar.
4.2 Performans analizi
İlk olarak, birkaç tipik test mekanizması yazın ve EDA araçlarıyla RTL düzeyinde tasarım üzerinde işlevsel simülasyon gerçekleştirin Test uyarıcı simülasyonu doğru olduktan sonra, kodu platform testi için test platformuna ekleyin. Son olarak, USP IP ve Xilinx özel bellek IP'si ile birbirine bağlıdır ve donanım testi için Xilinx'in ZYNQ-7 serisi xz7z045ffg900 geliştirme kartını kullanır. Şekil 8, donanım platformundaki USP IP'si ile bu makalede tasarlanan doku Önbelleği IP'si arasındaki ara bağlantıyı gösterir ve geri yüklenen doku görüntüsü, HDMI sürülerek görüntülenir. Şekil 9, test sahnesinin bir sunumudur.
Tasarım, Xilinx'in Vivado'su aracılığıyla sentezlenir ve entegre kaynakların sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir.
Bu yazıda, adresin alınmasından USP'ye texel gönderilmesine kadar atımlar Tablo 2'de gösterilmektedir.
Bir isabet okurken, metinler aynı tek bağlantı noktalı Önbellekte saklanıyorsa, 4 texelin 3 vuruşta okunması gerekir; Metinler iki farklı Önbellekte saklanırsa, bunları okumak için yalnızca 2 vuruş gerekir. Bir okuma kaçırma durumunda, arabellek eksik verilerle yazıldığında, Önbellek numarası sorunu nedeniyle yalnızca 6 veya 7 atım alır; arabellek boş olduğunda, harici bellek metinleri yalnızca ilk önce okunabilir ve doldurulabilir FIFO, tamamlamak için 35 veya 36 vuruş gerekiyor.
20 doku görüntüsü, MATLAB aracılığıyla RGBA formatında depolamaya geri yüklenir ve üretici modülü adres testini oluşturmak için kullanılır. Doğrulama sonucu, ortalama isabet oranının yaklaşık% 92,5'e ulaşabileceğidir. Tek bağlantı noktalı Önbellek ile karşılaştırıldığında, verim oranı yaklaşık 4 kat, literatürdeki 0,1 piksel / saat ortalama piksel / saat üretkenliğine kıyasla yaklaşık 8 kat artmıştır. Tablo 3 deneysel verilerdir ve Tablo 4 isabet oranı karşılaştırmasıdır.
Bu makalede tasarlanan doku önbelleği, boru hattı duraklamalarını azaltmak için önceden depolanmış blokları kullanır; Önbellek senkronizasyon sorunlarını ortadan kaldırmak ve verimi önemli ölçüde iyileştirmek için 4 portlu bir yapı kullanır; Mipmap algoritmasının özellikleriyle birlikte, doku görüntüsüne göre dört texelin harici bellek adresi önceden hesaplanır Seviye boyutu, metinleri saklamak için Önbellek'i seçin. Literatür ile karşılaştırıldığında, bu makalenin ortalama isabet oranı artmış; literatüre göre, maksimum 1024 × 1024 çözünürlüğe sahip doku görüntülerinin isabet oranı artmıştır.
5. Sonuç
Çift doğrusal filtreleme algoritmasının özellikleriyle birleştirilen birleşik mimari boyacının verim gereksinimlerini karşılamak için, bu makale bir doku Önbelleği devre yapısı tasarlar ve uygular ve test platformu ve Xilinx FPGA geliştirme kartı aracılığıyla donanım testi gerçekleştirir. Önbellekteki metinlerin seviyeye göre depolama yöntemini seçerek, aynı doku görüntüsünü farklı çözünürlüklerde okumanın isabet oranı iyileştirilir; FIFO arabelleğinin ve 4 bağlantı noktalı yapının tasarımı, Önbellek verimini artırır ve boru hattı duraklamalarını azaltır. Test sonuçlarına göre, bu yazıda önerilen doku Önbelleği iyi bir performansa sahiptir.
Referanslar
Jiao Jiye, Li Tao, Du Huimin, vb. Mobil grafik işlemcilerin durumu, teknolojisi ve gelişimi Bilgisayar Destekli Tasarım ve Grafik Dergisi, 2015 (6): 1005-1016.
CHOUDHARY V, KUMAR P, BHATTACHARYA T K, et al. Alternative geospatial data handling and augmented reality. IGN e.V. a BOW, 2008.
ANTOCHI I, JUURLINK B, VASSILIADIS S, ve diğerleri. Karo tabanlı görüntülemenin bellek bant genişliği gereksinimleri Bilgisayar Sistemleri: Mimariler, Modelleme ve Simülasyon Springer Berlin Heidelberg, 2004: 323-332.
JAKO B.Hardware, PowerVR GPUs.IEEE üzerinde hibrit görüntülemeyi hızlandırdı, Jubilee Uluslararası Akıllı Mühendislik Sistemleri Konferansı. IEEE, 2016: 257-262.
JUURLINK B, ANTOCHI I, DAN C ve diğerleri GRAAL: düşük güçlü 3d grafik hızlandırıcıları için bir çerçeve IEEE Bilgisayar Grafikleri ve Uygulamaları, 2008, 28 (4): 63-73.
Xu Qiang, Chen Jie, Liu Jian, ve diğerleri Gömülü grafik işlemcileri için uygun çok bağlantı noktalı bir doku önbelleğinin tasarımı.Microelectronics and Computers, 2013 (11): 27-30.
LIOU J Y, CHEN C H.Modern GPU için engelleyici doku önbellek tasarımını yeniden ziyaret edin. SoC Tasarım Konferansı, IEEE, 2015.
Cheng Long, Guo Li, Shi Hongsheng. Bir doku haritalama algoritmasının FPGA uygulaması Küçük mikrobilgisayar sistemi, 2009, 30 (9): 1855-1859.
Xu Qiang, Chen Jie, Liu Jian, ve diğerleri Gömülü grafik işlemcileri için uygun çok bağlantı noktalı bir doku önbelleğinin tasarımı.Microelectronics and Computers, 2013 (11): 27-30.
MISAKI Y, INO F, HAGIHARA K. Doku tabanlı hacim işleme için önbelleğe duyarlı, yerinde döndürme yöntemi Bilgi ve Sistemlerde IEICE İşlemleri, 2017, 100 (3): 452-461.
yazar bilgileri:
Han Mengqiao 1, Jiang Lin 2, Yang Bowen 1, Shan Rui 1, Geng Yurong 3
(1. Elektronik Mühendisliği Okulu, Xi'an Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Xi'an 710121, Shaanxi;
2. Entegre Devre Tasarım Laboratuvarı, Xi'an Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Xi'an 710054, Shaanxi;
3. Bilgisayar Bilimleri Fakültesi, Xi'an Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Xi'an, Shaanxi 710121)
