圖形處理器電路設(shè)計仿真與測試技術(shù)研究*

賀志容 張 祥

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

1.1 GPU功能結(jié)構(gòu)

圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片，是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機(jī)和一些移動設(shè)備（如平板電腦、智能手機(jī)等）上做圖像和圖形相關(guān)運(yùn)算工作的微處理器［1］。

本文研究的某型號圖形處理器采用CMOS 130nm工藝制造，集成度約為1000萬門；顯示接口為VGA/數(shù)字接口；支持8位、16位和32位色多種色彩模式，圖形模式下支持640×480、800×600、1024×768分辨率，最大分辨率1280×1024；支持ZOOM VIDEO視頻接口；支持雙通道雙屏顯示；支持色彩空間轉(zhuǎn)換（YUV-RGB）；支持VGA/VESA標(biāo)準(zhǔn)；支持標(biāo)準(zhǔn)PCI協(xié)議讀寫；視頻數(shù)據(jù)采集存儲；支持2D圖形加速：BitBLT，ROP，256 3-0p；可以用作PCI顯卡的主處理芯片，完成操作系統(tǒng)界面顯示和基本圖形繪制及顯示，視頻采集回放等功能。其功結(jié)構(gòu)如圖1所示［2～3］。

圖1 GPU功能圖

1.2 工作機(jī)制

主機(jī)總線接口模塊受到來自PCI總顯得讀寫操作，包括對寄存器的讀寫操作和對顯示存儲的讀寫操作，包括對寄存器的讀寫操作和對顯示存儲的讀寫操作，完成對寄存器的初始化后，基本圖形模式能夠正常輸出顯示。打開視頻采集寄存器后能夠?qū)崟r采集顯示視屏圖像窗口［4］。

2 GPU電路設(shè)計及測試技術(shù)

正向設(shè)計GPU芯片，首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和功能說明進(jìn)行RTL設(shè)計編寫，前端設(shè)計結(jié)束后分別進(jìn)行模塊級和系統(tǒng)級仿真驗(yàn)證，保證設(shè)計的準(zhǔn)確性；然后進(jìn)行FPGA原型驗(yàn)證，后端設(shè)計、后仿真等。芯片測試則可以基于仿真過程文件，產(chǎn)生的測試向量覆蓋率高，功能針對性強(qiáng)，測試的可靠性和可控性高。基于仿真文件的芯片測試，也是芯片生產(chǎn)通用的測試方法［5］。

2.1 GPU關(guān)鍵模塊電路設(shè)計要求

1）主機(jī)總線接口模塊

主機(jī)總線接口模塊要求主機(jī)可以通過PCI總線對GPU進(jìn)行讀寫操作，讀寫時序滿足PCI協(xié)議要求。仿真時先對某些地址進(jìn)行總線寫操作，再對這些地址進(jìn)行總線讀操作，比對讀寫數(shù)據(jù)，結(jié)果一致，主機(jī)總線接口功能正確［6］。整體電路仿真，功能覆蓋率達(dá)能到90%。

2）VGA寄存器模塊

VGA寄存器模塊按照地址列表來操作，結(jié)果能夠正常讀寫和顯示初始化。

3）視屏采集模塊

視頻采集模塊要求實(shí)現(xiàn)視屏實(shí)時采集回放功能，采用多硬件圖層設(shè)計。方針是模擬視頻輸入數(shù)據(jù)作為激勵，讀取顯示輸出數(shù)據(jù)并與理想顯示輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行自動比對，結(jié)果一致，視屏實(shí)時采集回放功能正確［7～8］。

4）顯示輸出模塊

顯示輸出模塊要求實(shí)現(xiàn)VGA和LVDS雙屏顯示，且通過寄存器可配置成拷貝模式和擴(kuò)展模式。顯示分辨率要求支持到1280*1024，色彩模式支持16位色。方針是通過寄存器配置顯示模式，采集VGA接口和LVDS接口的數(shù)據(jù)和行場同步信號進(jìn)行分析，與VESA標(biāo)準(zhǔn)的波形一致，顯示輸出功能正確［9～10］。

2.2 基于93000測試系統(tǒng)的測試圖形及時序生成

93000 集成電路測試系統(tǒng)是業(yè)界領(lǐng)先的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的測試能力，支持?jǐn)?shù)字、模擬、混合信號和SOC測試應(yīng)用。支持各類仿真設(shè)計文件到系統(tǒng)所能識別的圖形、時序文件轉(zhuǎn)化，是完成GPU測試的有效平臺［11］。

基于GPU正向設(shè)計得到的仿真文件，能夠充分針對GPU的內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)測試，從仿真文件（*.vcd）生成包括時序文件（tim），向量文件（binl）等V93000測試系統(tǒng)規(guī)定格式文件。如圖2所示為仿真圖形轉(zhuǎn)換示意圖［12］。

圖2 仿真圖形轉(zhuǎn)換示意圖

利用VCDTO93K工具完成測試圖形生成。文件轉(zhuǎn)化需要的過程文件有：

1）管腳定義文件（pin configure）：用于給出芯片單pin或pin組的定義文件；

2）方向配置文件（direction configure）：給出管腳或組的方向描述信息，包括I/O/IO；

3）控制配置文件（control configure）：用于描述輸入輸出方向控制信號與被控制信號的一一對應(yīng)關(guān)系；

4）延時配置文件（delay configure）：用于給出管腳或信號組的延遲信息，以周期的百分比形式給出。

基于仿真文件，以及上述四個相關(guān)文件（*.pin、*.dir、*.ctrl、*.delay）利用系統(tǒng)自帶命令，完成仿真文件到93000系統(tǒng)可用時序（timing）和圖形（pattern）文件的轉(zhuǎn)換。

通過仿真文件得到的圖形、時序文件，與芯片的實(shí)際時序存在延時造成的差異，需要通過后期調(diào)整適配，得到真實(shí)的芯片時序和圖形。

2.3 基于93000的GPU測試程序開發(fā)

GPU的測試是基于93000測試系統(tǒng)開發(fā)的。測試程序的主要組成文件如表1。

表1 測試程序文件組成

3 GPU電路仿真驗(yàn)證與測試結(jié)果

3.1 GPU功能仿真驗(yàn)證結(jié)果

利用仿真平臺，各關(guān)鍵電路模塊的仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖3～7所示［13］。

圖3 主機(jī)總線寫時序圖

圖4 主機(jī)總線讀時序圖

對GPU類芯片，顯示輸出模塊的像素時鐘信號（PXL_CLK）、行同步信號（HSYNC）、場同步信號（VSYNC）是重要的顯示性能參數(shù)。行同步信號的作用是選擇出顯示面板上有效行信號區(qū)間，場同步信號的作用是選擇出顯示面板上有效場信號區(qū)間，行場同步信號的共同作用，可選擇出顯示面板的有效視頻區(qū)間。像素時鐘頻率與顯示器的工作模式有關(guān)，分辨率越高，像素時鐘信號的頻率也越高；數(shù)字信號在像素時鐘信號的作用下，按照一定的順序，傳輸?shù)斤@示面板中，使各電路按照一定的節(jié)拍協(xié)調(diào)地工作；且都是在像素時鐘的下降沿或上升沿到來時才對數(shù)字信號進(jìn)行讀取，以確保讀取數(shù)據(jù)的正確性［14～15］。

圖5 VGA寄存器模塊仿真圖

圖6 視頻采集模塊仿真圖

圖7 顯示輸出模塊仿真圖

3.2 GPU功能測試結(jié)果

利用得到的仿真文件，在93000上完成轉(zhuǎn)換后，得到對應(yīng)的時序和的圖形文件，編制測試項目進(jìn)行測試，測試波形圖如圖8～12所示。

圖8 PCI總線狀態(tài)測試時序圖（1）

除了常規(guī)參數(shù)，如輸入電平（VILVIH），輸出電平（VOLVOH），漏電流（IILIIH）、電源電流（ICC），建立保持時間、傳輸延遲時間等，對GPU類芯片，數(shù)據(jù)手冊中對顯示輸出模塊的像素時鐘信號（PXL_CLK）、行同步信號（HSYNC）、場同步信號（VSYNC）信號規(guī)范值和實(shí)際測量值如表2所示，利用仿真文件轉(zhuǎn)換后的圖形文件，在93000測試系統(tǒng)下實(shí)際測到顯示輸出模塊信號結(jié)果也如表2所示。

表2 像素時鐘信號、行同步信號、場同步信號規(guī)范值與實(shí)測值

圖9 PCI總線狀態(tài)測試時序圖（2）

圖10 顯示輸出模塊像素時鐘測試波形圖

圖11 顯示輸出模塊行、場同步信號測試波形圖（1）

圖12 顯示輸出模塊行、場同步信號測試波形圖（2）

可以看出，GPU芯片在基于仿真文件的測試系統(tǒng)圖形控制下，正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足了正常工作的所有條件，給出了理想的輸出。

4 結(jié)語

通過電路仿真，結(jié)合測試機(jī)臺的時序、圖形轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)GPU芯片功能測試，能夠很好地復(fù)現(xiàn)芯片的功能，提高芯片的測試質(zhì)量。