二维图形加速器设计与实现

论文摘要

随着计算机软、硬件突飞猛进的发展,各种移动设备逐渐普及,越来越多复杂的图形功能被应用到嵌入式系统中,使得对嵌入式系统图形处理能力的要求不断提高,完全依靠主处理器进行图形处理已经很难获得令人满意的效果。因此,设计一个专用的图形加速器提高图形处理性能,将主处理器从繁重的图形计算任务中解放出来,变得越来越迫切。在这种背景下,研究和设计针对嵌入式系统的图形加速器具有重要意义。论文主要针对二维图形的硬件加速技术进行研究。首先回顾了图形加速技术的发展历史,阐述了课题研究的意义和必要性。接着对国内外研究现状进行了介绍和分析,根据要求设计了二维图形加速器的总体结构。然后研究分析了常用二维图形加速的算法,从中选取了适合硬件实现的算法作为图形加速器各功能模块的设计规约。在确定算法之后,采用Verilog HDL语言对各功能模块进行了设计,包括画线、画圆、画椭圆、多边形填充以及区域复制等,总结了一套将算法使用硬件描述语言实现的一般流程。最后,对各个硬件模块进行了功能仿真和FPGA验证,提出了速度资源比的概念,评估了各模块性能,并与国内外相关的设计进行了对比。验证结果表明,二维图形加速器能够完成常用二维图形的计算,显著提高嵌入式系统的图形处理速度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 表目录
• 图目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容和组织结构
• 第2章 二维图形加速器的总体结构
• 2.1 二维图形加速概述
• 2.2 总体结构
• 2.3 二维图形加速器的工作原理
• 2.3.1 驱动程序
• 2.3.2 指令设计
• 2.3.3 图形处理
• 2.4 本章小结
• 第3章 二维图形加速算法分析与研究
• 3.1 光栅线生成算法
• 3.1.1 DDA 算法
• 3.1.2 Bresenham 算法
• 3.1.3 算法的选取
• 3.2 二次曲线光栅化算法
• 3.2.1 圆的生成算法
• 3.2.2 椭圆的生成算法
• 3.3 多边形填充算法
• 3.3.1 多边形的定义和分类
• 3.3.2 区域填充算法的基本思想
• 3.3.3 扫描线填充算法的基本思想
• 3.3.4 算法的选取
• 3.4 区域复制算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 二维图形加速模块设计
• 4.1 硬件设计相关技术介绍
• 4.1.1 硬件描述语言
• 4.1.2 FPGA 开发流程
• 4.2 使用硬件描述语言实现算法的一般流程
• 4.2.1 设计算法流程图
• 4.2.2 将算法流程图变换为状态转换图
• 4.2.3 将状态转换图变换为算法状态机图
• 4.2.4 根据算法状态机图设计代码
• 4.3 光栅线生成模块设计
• 4.4 光栅化二次曲线生成模块设计
• 4.4.1 圆生成模块设计
• 4.4.2 椭圆生成模块设计
• 4.5 多边形填充模块设计
• 4.6 区域复制模块设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 功能仿真及其 FPGA 验证
• 5.1 功能仿真
• 5.1.1 光栅线生成模块仿真
• 5.1.2 光栅化二次曲线生成模块仿真
• 5.1.3 光栅化多边形填充模块仿真
• 5.1.4 区域复制模块仿真
• 5.2 FPGA 验证
• 5.2.1 验证方法
• 5.2.2 验证过程
• 5.3 性能评价
• 5.3.1 性能评价的准则
• 5.3.2 验证结果分析与性能评价
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 未来研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 发表的学术论文及科研情况
• 详细摘要