通过OCP接口高效传送3D图像节目

随着越来越多的手持设备植入了3D图像功能,像开放核协议(OCP)这样的标准接口变得至关重要。

过去几年中基于手机的视频功能经历了巨大的变化。利用手机来拍照片和视频是消费者期望的关键功能。随着高分辨率彩色显示器的平常化,高质量图像的重要性也大大增加。现在,图像处理被视为手机行业中最重要的增长领域之一。

随着具备3D图形加速器的手持设备进入消费者手中,移动设备中真正的3D图像很快就要出现。利用一个专用图形处理器能极大地改善手持设备的图像功能。相关的应用包括增强型用户接口,手机3D游戏,移动地图和导航。

在将来的手机上支持先进的图像功能,意味着我们将面临在应用和多媒体处理器这类的SoC中集成3D图像处理器方面的挑战。这些挑战将包括许多方面,因为3D图像是非常耗费存储器带宽的应用,从而将提升存储器系统和系统总线的极限,以及整个系统的复杂度。

来自3D背景的SoC

在分析系统架构时,必须仔细考虑三个因素——即存储器可用带宽,系统总线和图像处理器性能。存储器带宽决定了对存储器要求较高的应用场景的性能上限。延迟补偿使得图像内核的配置位于系统总线所允许的极限范围内。而对运算要求较高的应用场景的性能则受限于图像处理器的流水线效率和时钟频率。

3D图像是很耗费存储器资源的,如果应用上不加限制的话它可以用掉所有的存储器带宽(见表)。

在复杂的应用场景中,为了提交每帧图像,彩色和Z缓冲器必须读写许多次。此外,图像处理器必须访问纹理和几何数据。所期望的每秒30帧意味着所有这些存储器访问必须每秒连续出现30次。实际上,这意味着每秒有接近几百兆字节的数据必须在系统存储器和图像处理器之间进行传输。在减少图像处理器和外部的手机SDRAM之间的存储器带宽利用方面,已有许多独创性的技术。但尽管如此,存储器带宽仍然是一个限制因素。

表:不同条件下存储器带宽的耗费情况统计。

系统总线架构

当规划一个图形处理器架构时,理解系统总线的限制和利用时机是至关重要的。为了实现最佳的图形性能,必须充分理解像最大突发数据的大小和流水线请求的可用性这类的限制。这对广泛采用和完好定义像OCP这样的SoC总线插座标准来说具有特殊的价值,因为这样的标准可以被器件供应商以及集成商充分和正确地理解(见图)。

图:采用图形加速器的简单系统方框图。

因为主存储器访问被发送到外部的SDRAM,系统总线上将出现较长的突发访问数据串。总线规模的上限决定了返回数据的有效利用率。旧数据浪费系统的存储器带宽,而带宽对于这些应用来说是极为珍贵的资源。各种灵巧的高速缓存方案被采用,以确保没有系统带宽被浪费。此外,优异的高速缓存减少了一起转移的数据量。图像处理器中的字节可选择功能(byteenables)可实现突发数据长度的最大化,因为没有必要将潜在的长突发数据分解成若干个较小的数据长度,且这样做将降低性能。而OCP2.0就支持字节可选择功能。

系统的存储器延迟包括从图形处理器到外部存储器并返回的总延迟。该延迟很容易达到50-100个系统总线时钟周期。补偿这种延迟的一种有效方法是向总线接口发多个未完成的请求(outstandingrequests)。通过按这种方式来流水线操作这些请求,一个连续的数据流可被送到耗费存储器的图形处理器。旧的总线接口,例如AMBAAHB2.0,不支持这种流水线操作。而OCP2.0接口提供了这种可能性,故非常大的存储器延迟都能被补偿且没有任何的性能损失。伴随着预测性的智能预取机制,性能还可以达到更高。

OCP总线插座提供的另一个有用功能是线程,该功能允许在图形处理器的外部识别不同的存储器访问。这样就能够对访问进行重新排序并得到改善性能的新机会。专用存储器访问可以瞄准快速存储器并因此提升了性能。当访问外部SDRAM时也可以使用重新排序,以确保对同一SDRAM组的访问是连续的,因此也增加了SDRAM的效率。通常,存储器访问的透明度将允许在图形处理器中构建更多的存储器优化算法。

未来手机显示器的分辩率将提高且质量更高。下一代的手机终端将植入VGA分辨率显示器。这就是为什么必须将图形处理器技术升级到更高的显示分辨率且没有允许存储器带宽失去控制的原因。快速提交数据将是存储器带宽方面的一个关键问题。

似乎即将出笼的总线接口标准将更像多媒体总线。OCP2.0已经包括了增加多媒体能力所需的功能。芯片制造商想具有一个可用于所有IP的标准总线接口,从而降低研发成本和加快上市时间。同样,系统总线架构正在通过增加高速缓存并扩展存储器接口来充分利用图形处理器的优点。

作者: Umesh Gowda, Bitboys