图形处理器电路设计仿真与测试技术研究*

贺志容 张 祥

（武汉数字工程研究所 武汉 430205）

1 引言

1.1 GPU功能结构

图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器［1］。

本文研究的某型号图形处理器采用CMOS 130nm工艺制造，集成度约为1000万门；显示接口为VGA/数字接口；支持8位、16位和32位色多种色彩模式，图形模式下支持640×480、800×600、1024×768分辨率，最大分辨率1280×1024；支持ZOOM VIDEO视频接口；支持双通道双屏显示；支持色彩空间转换（YUV-RGB）；支持VGA/VESA标准；支持标准PCI协议读写；视频数据采集存储；支持2D图形加速：BitBLT，ROP，256 3-0p；可以用作PCI显卡的主处理芯片，完成操作系统界面显示和基本图形绘制及显示，视频采集回放等功能。其功结构如图1所示［2～3］。

图1 GPU功能图

1.2 工作机制

主机总线接口模块受到来自PCI总显得读写操作，包括对寄存器的读写操作和对显示存储的读写操作，包括对寄存器的读写操作和对显示存储的读写操作，完成对寄存器的初始化后，基本图形模式能够正常输出显示。打开视频采集寄存器后能够实时采集显示视屏图像窗口［4］。

2 GPU电路设计及测试技术

正向设计GPU芯片，首先根据技术指标和功能说明进行RTL设计编写，前端设计结束后分别进行模块级和系统级仿真验证，保证设计的准确性；然后进行FPGA原型验证，后端设计、后仿真等。芯片测试则可以基于仿真过程文件，产生的测试向量覆盖率高，功能针对性强，测试的可靠性和可控性高。基于仿真文件的芯片测试，也是芯片生产通用的测试方法［5］。

2.1 GPU关键模块电路设计要求

1）主机总线接口模块

主机总线接口模块要求主机可以通过PCI总线对GPU进行读写操作，读写时序满足PCI协议要求。仿真时先对某些地址进行总线写操作，再对这些地址进行总线读操作，比对读写数据，结果一致，主机总线接口功能正确［6］。整体电路仿真，功能覆盖率达能到90%。

2）VGA寄存器模块

VGA寄存器模块按照地址列表来操作，结果能够正常读写和显示初始化。

3）视屏采集模块

视频采集模块要求实现视屏实时采集回放功能，采用多硬件图层设计。方针是模拟视频输入数据作为激励，读取显示输出数据并与理想显示输出数据进行自动比对，结果一致，视屏实时采集回放功能正确［7～8］。

4）显示输出模块

显示输出模块要求实现VGA和LVDS双屏显示，且通过寄存器可配置成拷贝模式和扩展模式。显示分辨率要求支持到1280*1024，色彩模式支持16位色。方针是通过寄存器配置显示模式，采集VGA接口和LVDS接口的数据和行场同步信号进行分析，与VESA标准的波形一致，显示输出功能正确［9～10］。

2.2 基于93000测试系统的测试图形及时序生成

93000 集成电路测试系统是业界领先的测试系统，该系统提供了强大的测试能力，支持数字、模拟、混合信号和SOC测试应用。支持各类仿真设计文件到系统所能识别的图形、时序文件转化，是完成GPU测试的有效平台［11］。

基于GPU正向设计得到的仿真文件，能够充分针对GPU的内部功能实现测试，从仿真文件（*.vcd）生成包括时序文件（tim），向量文件（binl）等V93000测试系统规定格式文件。如图2所示为仿真图形转换示意图［12］。

图2 仿真图形转换示意图

利用VCDTO93K工具完成测试图形生成。文件转化需要的过程文件有：

1）管脚定义文件（pin configure）：用于给出芯片单pin或pin组的定义文件；

2）方向配置文件（direction configure）：给出管脚或组的方向描述信息，包括I/O/IO；

3）控制配置文件（control configure）：用于描述输入输出方向控制信号与被控制信号的一一对应关系；

4）延时配置文件（delay configure）：用于给出管脚或信号组的延迟信息，以周期的百分比形式给出。

基于仿真文件，以及上述四个相关文件（*.pin、*.dir、*.ctrl、*.delay）利用系统自带命令，完成仿真文件到93000系统可用时序（timing）和图形（pattern）文件的转换。

通过仿真文件得到的图形、时序文件，与芯片的实际时序存在延时造成的差异，需要通过后期调整适配，得到真实的芯片时序和图形。

2.3 基于93000的GPU测试程序开发

GPU的测试是基于93000测试系统开发的。测试程序的主要组成文件如表1。

表1 测试程序文件组成

3 GPU电路仿真验证与测试结果

3.1 GPU功能仿真验证结果

利用仿真平台，各关键电路模块的仿真验证结果如图3～7所示［13］。

图3 主机总线写时序图

图4 主机总线读时序图

对GPU类芯片，显示输出模块的像素时钟信号（PXL_CLK）、行同步信号（HSYNC）、场同步信号（VSYNC）是重要的显示性能参数。行同步信号的作用是选择出显示面板上有效行信号区间，场同步信号的作用是选择出显示面板上有效场信号区间，行场同步信号的共同作用，可选择出显示面板的有效视频区间。像素时钟频率与显示器的工作模式有关，分辨率越高，像素时钟信号的频率也越高；数字信号在像素时钟信号的作用下，按照一定的顺序，传输到显示面板中，使各电路按照一定的节拍协调地工作；且都是在像素时钟的下降沿或上升沿到来时才对数字信号进行读取，以确保读取数据的正确性［14～15］。

图5 VGA寄存器模块仿真图

图6 视频采集模块仿真图

图7 显示输出模块仿真图

3.2 GPU功能测试结果

利用得到的仿真文件，在93000上完成转换后，得到对应的时序和的图形文件，编制测试项目进行测试，测试波形图如图8～12所示。

图8 PCI总线状态测试时序图（1）

除了常规参数，如输入电平（VILVIH），输出电平（VOLVOH），漏电流（IILIIH）、电源电流（ICC），建立保持时间、传输延迟时间等，对GPU类芯片，数据手册中对显示输出模块的像素时钟信号（PXL_CLK）、行同步信号（HSYNC）、场同步信号（VSYNC）信号规范值和实际测量值如表2所示，利用仿真文件转换后的图形文件，在93000测试系统下实际测到显示输出模块信号结果也如表2所示。

表2 像素时钟信号、行同步信号、场同步信号规范值与实测值

图9 PCI总线状态测试时序图（2）

图10 显示输出模块像素时钟测试波形图

图11 显示输出模块行、场同步信号测试波形图（1）

图12 显示输出模块行、场同步信号测试波形图（2）

可以看出，GPU芯片在基于仿真文件的测试系统图形控制下，正常运转，满足了正常工作的所有条件，给出了理想的输出。

4 结语

通过电路仿真，结合测试机台的时序、图形转换方法，实现GPU芯片功能测试，能够很好地复现芯片的功能，提高芯片的测试质量。