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1、图形图像处理芯片技术的发展及应用BX07532 姚圆摘要：图形图像处理芯片技术应用在图像和视频中越来越广泛，其有几种图像处理的方式，有着不同的结构，发展主要分三个大的阶段，即先行阶段、普及阶段、突飞猛进阶段，主要是向着系统级集成、运算速度、可编程性、图像处理软件、并行处理结构、功耗低的方向发展。图形图像处理发展历程需要经过三个阶段，图形图像处理芯片主要应用在通信、计算机、消费类电子等领域。关键词：图形图像处理芯片 三个阶段 发展方向 主要应用1 引 言： 随着计算机及通信技术的发展，图像和视频的应用愈加广泛。大部分图像数据在实际应用前皆需进行有针对性的处理，如根据图像数据特点和应用领域对图像进
2、行增强、除噪、锐化和识别等。此 外，为了有效实时地传输信息，还必须对图像进行压缩。图像处理技术尤其是实时处理，现已成为一热门的研究课题。 实现图像处理的主要方式有： (1）在通用计算机上用软件实现图像处理； (2）在通用计算机系统中加入专用的加速处理模块； (3）利用通用单片机； (4）利用专用图形图像处理芯片； (5）利用通用可编程图形图像处理芯片。 在众多图像处理方式中，最常用的是第 1 种，但此种方式要占用 CPU 几乎全部的处理能力，速度相对较慢，不适于实时处理，需要对其加以改进；而其他几种方式各有不足，如第 2 种方式不适于嵌入式应用，专业性较强，应用受到限制；第 3 种方式适于数字
3、控制等不太复杂的数字信号处理，不适合计算较大的图像数据处理；第 4 种方式因为采用的是专用图形图像处理芯片，故其应用范围受限，系统不够灵活，无法进行算法的升级与更新；第 5 种方式必须要用能充分考虑图形图像处理内部并行性的汇编语言进行编制图形图像处理程序，具有一定困难。但是，TI公司为了解决这个问题，推出了一个开放、具有强大集成能力的开发环境（CCS） 。它采用了由先进的开发工具组成的直观系统，使用 CCS 提供的工具，开发者可以非常方便地对图形图像处理软件进行设计、编码、编译、调试、跟踪和实时性分析，可有效减少图形图像处理编程时间。 综上所述，利用通用可编程图形图像处理芯片实现图像处理较之其
4、他方式具有一定的优越性，而且图形图像处理芯片的可编程性和强大的处理能力，使其可用于快速地实现各种数字信号处理算法，成为目前图像处理系统的最佳选择。 2 图形图像处理芯片 数字信号处理器是一类具有专门为数字信号处理任务而优化设计的体系结构和指令系统的通用处理器件，具有处理速度快和有复合功能的单周期指令等特点，在高速图像处理中得到了越来越多的应用。 图形图像处理芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的图形图像处理 指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，加之集成电路的优化设计，使其处理速度比最快的 CPU 还快 1050 倍。图形图像处
5、理芯片采用不同于普通单片机的体系结构，具有一些显著特点。 2.1 哈佛结构传统计算机采用传统的冯诺伊曼(Von Neumann)结构，其程序和数据共用一个存储空间和单一的地址及数据总线，处理器要执行任何指令时，都要先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。 所有的图形图像处理芯片均采用哈佛（Harvard ）结构。哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的 4 套总线
6、：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数据存储器)，从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了 1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。图 1 给出了冯诺伊曼结构和哈佛结构的比较。 2.2 流水线技术与哈佛结构相似，图形图像处理芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。 流水线处理器是由一系列处理电路组成，这些处理电路称为片断或部分。操作数流经每个片断，即每个片断对操作数进行部分处理，操作数经过所有片断后才能得到最后结果。流水线
7、操作即把一条指令分成一系列步骤来完成，不同步骤完成不同的任务，一条指令只有经过所有步骤才能得到结果。这些步骤可以独立进行，这样就可以实现多条指令在不同步骤上的重复运行，从而加快运行速度。 流水线分为指令流水线和算术流水线。指令流水线是指取指令和执行指令的不同阶段在流水线上进行；算术流水线是指算术操作的不同阶段在流水线上进行。图形图像处理芯片一般采用指令流水线方法。 由于采用了流水线技术，图形图像处理芯片可以单周期完成乘法累加运算，大幅提高了运算速度，减少了指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理 24条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。2.3 特殊的硬件结构数字信号处理
8、中最重要的基本运算是乘法和累加运算，它们占用了大量运算时间，是最主要和最耗时的运算。图形图像处理中设置了硬件乘法器和乘法并累加（MAC） ，这些操作往往可以在单周期内完成，大幅提高了图形图像处理作乘法和累加的速度。因此，单周期的硬件乘法器和 MAC 是图形图像处理芯片实现快速运算的保证。现代高性能的图形图像处理芯片甚至具有两个以上的硬件乘法器以提高运算速度。数据宽度也从 16 位增加到32 位。 数学运算消耗的时间往往少于存储器的操作。图形图像处理芯片在片内集成了大容量的 ROM 和 RAM 来分别存放程序和数据，程序在片内执行的效率远远高于相同规格的通用微处理器，这样既降低了产品的体积和成本
9、，又加快了处理速度。3 图形图像处理的发展历程和方向 3.1 图形图像处理发展历程 大致分 3 个阶段：20 世纪 70 年代理论先行，20 世纪 80 年代产品普及，20 世纪 90 年代突飞猛进。 在图形图像处理出现之前，数字信号处理只能依靠微处理器（ MPU）来完成，但 MPU 的低处理速度无法满足高速实时的要求，因此直到 20 世纪 70 年代，才有人提出了图形图像处理的理论和算法基础。那时的图形图像处理仅停留在教科书上，即便是研制出来的图形图像处理系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。 随着大规模集成电路技术的发展，1982 年，世界上诞生了首枚图形图像处理
10、芯片。这种图形图像处理器件采用微米工艺 NMOS 技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比 MPU 快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。图形图像处理芯片的问世是个里程碑，它标志着图形图像处理应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。到 20 世纪 80 年代中期，随着 CMOS 技术的进步与发展，第 2 代基于 CMOS 工艺的图形图像处理芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理和图像硬件处理技术的基础。 20 世纪 80 年代后期，第 3 代图形图像处理芯片问世，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信和计算机领域。 20 世纪 90 年代，图形
11、图像处理发展最快，相继出现了第 4 代和第 5 代图形图像处理器件。现在的图形图像处理属于第5 代产品，与第 4 代相比，其系统集成度更高，并将图形图像处理芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的图形图像处理芯片不仅在通信和计算机领域发挥重要作用，而且逐渐渗透到人们日常的消费领域。 3.2 图形图像处理发展方向现在图形图像处理产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素；而半导体技术和超大规模集成电路的发展为图形图像处理的推陈出新提供了物理基础，用户的需求又为图形图像处理的发展指出了方向。总体而言，图形图像处理技术将向以下几个方面发展：
12、(1)系统级集成。缩小图形图像处理芯片尺寸始终是图形图像处理的技术发展方向。当前的图形图像处理多数基于精简指令集计算（RISC ）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低和性能高。各图形图像处理厂商纷纷采用新工艺，改进图形图像处理芯核，并将几个图形图像处理芯核、MPU 芯核、专用处理单元、外围电路单元和存储单元集成在一个芯片上，成为图形图像处理系统级集成电路。 (2)更高的运算速度。目前一般的图形图像处理运算速度为 100MIPS，即每秒钟可运算 1 亿条指令，但由于电子设备的个人化和客户化趋势，图形图像处理必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。图形图像处理运算速度的提高主要依靠
13、新工艺改进芯片结构。目前，TI 的 TM320C6X 芯片由于采用超长指令字（VLIW）结构设计，其处理速度已高达 2000MIPS。当前的图形图像处理器件大都采用 0.50.35mCMOS 工艺，按照CMOS 的发展趋势，图形图像处理的运算速度完全可能再提高 100 倍（达到 1600GIPS） 。 (3)可编程性。可编程图形图像处理给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个图形图像处理平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程图形图像处理也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程图形图像处理能做得更好更便宜，例如
14、冰箱、洗衣机这些原来装有微控制器的家电如今皆已换成可编程图形图像处理来进行大功率电机控制。 (4）支持高级编程语言的图形图像处理开发软件。使用高级语言进行图形图像处理软件开发可缩短软件开发的周期，加快图形图像处理产业的发展。 (5)并行处理结构。并行结构所带来的好处是显而易见的，各图形图像处理厂家纷纷在器件中引入并行机制，主要分为片内并行和片间并行。 (6)功耗低。 4 结 论 在当今数字化时代的背景下，图形图像处理已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。图形图像处理将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并将成为电子产品更新换代的决定因素。将图形图像处理芯片用于图像处理系统可大幅提高图像的处理速度，满足实时性需求，而且图形图像处理系统具有接口方便、易于编程、稳定性好、精度高、可重复性好和集成方便等特点，因此可以说基于图像处理芯片的图像处理系统是图像处理领域的发展方向。
