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1、上海交通大学硕士学位论文嵌入式多媒体系统中硬件加速技术的应用姓名：蒋永刚申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：戚正伟;邹恒明200912014 嵌入式多媒体系统中硬件加速技术的应用 摘 要 消费类电子产品的快速发展使得嵌入式多媒体系统的性能要求随之提升。随着消费电子产品性能的不断增强，越来越多的嵌入式多媒体系统希望能够支持速度快、性能强劲的图形系统，嵌入式图形加速器在嵌入式多媒体系统中的应用开始崭露头角， 并逐渐在嵌入式多媒体系统中得到广泛和深入的应用。 本文针对 A R M 体系结构的多媒体应用处理平台， 重点研究嵌入式多媒体系统中 2 D硬件图形加速器的应用，包括嵌入式操作系统平台的建
2、立、2 D硬件图形加速器驱动程序和专用图形库的设计与实现以及基准图形性能的测试（G r a p h i c B e n c h m a r k T e s t ） 。课题需要解决的关键问题是在嵌入式系统中能够充分发挥硬件性能的驱动程序和友好高效的用户空间图形库的设计与实现。在设计和实现过程中，本文主要完成了以下的工作： （1 ） 设计了一个自适应的无缝软硬件图形加速架构。 该架构建立了软硬件统一的指令执行体系， 将软件图形指令转化为硬件图形指令相似的格式，因此统一了软硬件指令界面；同时利用等待事件中断，实现了软硬件加速图形指令的无缝连接，不但屏蔽了软硬件加速的细节，同时也保证了指令按正确顺序执
3、行。 （2 ） 提出了基于运算量的缓冲区提交策略。 该策略首先建立图形指令执行时间的评估模型，并通过实验数据求得模型的主要参数。在模型应用上，通过估算缓冲区的总体执行时间，结合系统计时器来决定缓冲区提交的时机。除了进一步屏蔽硬件细节之外，还能改善高负荷情况下屏幕的响应速度。 （3 ） 在基于 M a r v e l l P X A 3 0 0 处理器的硬件平台之上，完成了嵌入式 L i n u x 操作系统上对硬件图形加速器的软件支持， 包括设备驱动程序和专用图形库的设计与实现；同时通过选择合适基准图形测试程5 序，测试该硬件和软件系统在嵌入式平台上的整体的表现。 测试结果显示，在集成了 2
4、D硬件图形加速器的嵌入式平台上，系统图形性能相对纯软件运算有了质的飞跃，相对纯软件加速方法，硬件加速技术使得图形运算速度提升了 8 - 2 0倍；并且在保持友好用户界面的基础之上，大大降低 C P U 占用率（平均占用率低于 2 0 ） ；同时，由于降低了 C P U 占用率，使得整体功耗有所降低。由此可见，硬件加速技术在嵌入式多媒体系统中具有相当的应用价值， 同时拥有很大的发展潜力。 关键词：嵌入式、多媒体、硬件加速、2 D 图形、设备驱动程序、图形库 6 APPLY HARDWARE ACCELERATOR IN EMBEDDED MULTIMEDIA SYSTEM ABSTRACT Th
5、e rapid developement of consumer mobile electric products requires higher performence of embedded multimedia system. Achieving the higher requirement, more and more embedded multimedia systems need to support high speed and performence graphic system. So it s the oppturnity that the embedded hardwar
6、e graphic accelerators shows the value, and gradually accepted by modern high- end embedded systems. This paper focus on a embedded application platform based on ARM architecture, studying how to apply 2D hardware graphic accelerator in this platform, including setting up the embedded operating syst
7、em, desinging and implementation of the device driver and non- standard graphic library and 2D graphic benchmark. The key points are effective design and implementation for embedded device drivers, good user interface and graphic function library. This paper mainly concerns on the following work: (1
8、) Designed a self- adaptive software- hardware instruction cooperate architecture. This architecture has developed a software- hardware integrated instruction excuting system. It turns software graphic instructions to a familiar structure as hardware graphic 7 instructions, so it gets the same instr
9、uction interface for both software and hardware instructions. It also makes use of a “ waiting for event” interrupt, and achives software- hardware instruction excuting seamlessly. Therefore it can hide the hardware details, and keep the correct order of the instruction at the same time. (2) Posted
10、a buffer submit strategy which bases on total instructions cost. It sets up the instruction excute cost model first, then gets the main parameters by a lot of experimantal data. Apllying this strategy, it decides the time to submit instruction buffer with consideration of the estimated total instruc
11、tion excute time combained with the system timer. It makes good effect on both hiding the hardware detail and improve the response in heavy render tasks. (3) The paper provides a hardware device surpport suite of embedded Linux system on the PXA300 platform, including device drivers and a private gr
12、aphic lib. Besides, it tests the performence of intergrated hardware 2D graphic accelerator with 2D graphic benchmark program. The result shows that the graphic performence has been great improved. It tells that the speed of graphic rendering is increaed by 8 20 times. And it saves the power by redu
13、ce the CPU percentage(bellow 20% of CPU) while keeping a freindly user programming interface. So, we got a conclusion that hardware accelerators are avilable and valuable for 8 embedded multimedia system, and they have great potencial in future. KEY WORDS：Embedded, multimedia, Hardware Accelerate, 2
14、D Graphic, Device Driver, Graphic lib2 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 蒋 永 刚 日期： 2009年12月30日 3 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复
15、印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：蒋永刚 指导教师签名：戚 正 伟 日期：2009年12月30日 日期：2009年12月30日 上海交通大学工程硕士论文 嵌入式多媒体系统中硬件加速技术的应用 1 第一章 绪论 1.1 引言 嵌入式系统是 “嵌入到对象体系中的专用计算机系统” 。“嵌入性” 、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指
16、嵌入式系统所嵌入的宿主系统，而嵌入式多媒体系统则是嵌入到多媒体设备中的计算机系统，一般作为移动多媒体终端的形式存在。嵌入式多媒体系统从最开始的功能单一，性能较弱发展到现在，成为功能丰富、性能强大的多媒体终端形式，其硬件和软件系统都发生了质的飞跃。 最初的嵌入式多媒体系统由于嵌入式硬件本身性能的限制， 往往只能胜任一些比较轻松的任务，所有工作基本由嵌入式处理器来完成。随着便携式多媒体市场的增长，例如手机、GPS 导航设备、便携式多媒体播放设备 MP3 和 MP4 等需求大量增加， 单纯依靠嵌入式处理器已经无法满足多媒体任务的巨大数据处理要求，因此，多媒体硬件加速技术开始运用到这些嵌入式系统中。比如现在便携式多媒体终端中的 MP3 播放功能，大部分是利用 DSP 硬件解码器来完成的，因为专用的 DSP 比通用 CPU 成本更低，而且信号处理能力更强。随着便携式多媒体设备市场进一步扩张，市场对嵌入式系统的性能也提出了更高的要求，比如说最新的 3G 手机，要求系统拥有手机电视的功能，这一功能的实现必然需要
