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(chēng)顯示核心、視覺(jué)處理器、顯示芯片，是一種專(zhuān)門(mén)在個(gè)人電腦、工作站、游戲機(jī)和一些移動(dòng)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(hào)圖形處理器采用CMOS 130nm工藝制造，集成度約為1000萬(wàn)門(mén)；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(xiě)；視頻數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)；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(xiàn)接口模塊受到來(lái)自PCI總顯得讀寫(xiě)操作，包括對(duì)寄存器的讀寫(xiě)操作和對(duì)顯示存儲(chǔ)的讀寫(xiě)操作，包括對(duì)寄存器的讀寫(xiě)操作和對(duì)顯示存儲(chǔ)的讀寫(xiě)操作，完成對(duì)寄存器的初始化后，基本圖形模式能夠正常輸出顯示。打開(kāi)視頻采集寄存器后能夠?qū)崟r(shí)采集顯示視屏圖像窗口［4］。

2 GPU電路設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)

正向設(shè)計(jì)GPU芯片，首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和功能說(shuō)明進(jìn)行RTL設(shè)計(jì)編寫(xiě)，前端設(shè)計(jì)結(jié)束后分別進(jìn)行模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；然后進(jìn)行FPGA原型驗(yàn)證，后端設(shè)計(jì)、后仿真等。芯片測(cè)試則可以基于仿真過(guò)程文件，產(chǎn)生的測(cè)試向量覆蓋率高，功能針對(duì)性強(qiáng)，測(cè)試的可靠性和可控性高?；诜抡嫖募男酒瑴y(cè)試，也是芯片生產(chǎn)通用的測(cè)試方法［5］。

2.1 GPU關(guān)鍵模塊電路設(shè)計(jì)要求

1）主機(jī)總線(xiàn)接口模塊

主機(jī)總線(xiàn)接口模塊要求主機(jī)可以通過(guò)PCI總線(xiàn)對(duì)GPU進(jìn)行讀寫(xiě)操作，讀寫(xiě)時(shí)序滿(mǎn)足PCI協(xié)議要求。仿真時(shí)先對(duì)某些地址進(jìn)行總線(xiàn)寫(xiě)操作，再對(duì)這些地址進(jìn)行總線(xiàn)讀操作，比對(duì)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，結(jié)果一致，主機(jī)總線(xiàn)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(lái)操作，結(jié)果能夠正常讀寫(xiě)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(shí)采集回放功能，采用多硬件圖層設(shè)計(jì)。方針是模擬視頻輸入數(shù)據(jù)作為激勵(lì)，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(dòng)比對(duì)，結(jié)果一致，視屏實(shí)時(shí)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(guò)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(guò)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(chǎng)同步信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試圖形及時(shí)序生成

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

基于GPU正向設(shè)計(jì)得到的仿真文件，能夠充分針對(duì)GPU的內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)測(cè)試，從仿真文件（*.vcd）生成包括時(shí)序文件（tim），向量文件（binl）等V93000測(cè)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(cè)試圖形生成。文件轉(zhuǎn)化需要的過(guò)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(hào)與被控制信號(hào)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

4）延時(shí)配置文件（delay configure）：用于給出管腳或信號(hào)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(gè)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(shí)序（timing）和圖形（pattern）文件的轉(zhuǎn)換。

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

2.3 基于93000的GPU測(cè)試程序開(kāi)發(fā)

GPU的測(cè)試是基于93000測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。測(cè)試程序的主要組成文件如表1。

表1 測(cè)試程序文件組成

3 GPU電路仿真驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果

3.1 GPU功能仿真驗(yàn)證結(jié)果

利用仿真平臺(tái)，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(xiàn)寫(xiě)時(shí)序圖

圖4 主機(jī)總線(xiàn)讀時(shí)序圖

對(duì)GPU類(lèi)芯片，顯示輸出模塊的像素時(shí)鐘信號(hào)（PXL_CLK）、行同步信號(hào)（HSYNC）、場(chǎng)同步信號(hào)（VSYNC）是重要的顯示性能參數(shù)。行同步信號(hào)的作用是選擇出顯示面板上有效行信號(hào)區(qū)間，場(chǎng)同步信號(hào)的作用是選擇出顯示面板上有效場(chǎng)信號(hào)區(qū)間，行場(chǎng)同步信號(hào)的共同作用，可選擇出顯示面板的有效視頻區(qū)間。像素時(shí)鐘頻率與顯示器的工作模式有關(guān)，分辨率越高，像素時(shí)鐘信號(hào)的頻率也越高；數(shù)字信號(hào)在像素時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘的下降沿或上升沿到來(lái)時(shí)才對(duì)數(shù)字信號(hào)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(cè)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(duì)應(yīng)的時(shí)序和的圖形文件，編制測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試波形圖如圖8～12所示。

圖8 PCI總線(xiàn)狀態(tài)測(cè)試時(shí)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(shí)間、傳輸延遲時(shí)間等，對(duì)GPU類(lèi)芯片，數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)顯示輸出模塊的像素時(shí)鐘信號(hào)（PXL_CLK）、行同步信號(hào)（HSYNC）、場(chǎng)同步信號(hào)（VSYNC）信號(hào)規(guī)范值和實(shí)際測(cè)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(cè)試系統(tǒng)下實(shí)際測(cè)到顯示輸出模塊信號(hào)結(jié)果也如表2所示。

表2 像素時(shí)鐘信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)規(guī)范值與實(shí)測(cè)值

圖9 PCI總線(xiàn)狀態(tài)測(cè)試時(shí)序圖（2）

圖10 顯示輸出模塊像素時(shí)鐘測(cè)試波形圖

圖11 顯示輸出模塊行、場(chǎng)同步信號(hào)測(cè)試波形圖（1）

圖12 顯示輸出模塊行、場(chǎng)同步信號(hào)測(cè)試波形圖（2）

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

4 結(jié)語(yǔ)

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