杜慧敏，李 萌

（1.西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安710121； 2.西安邮电大学 计算机学院，陕西 西安710121）

图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）的发展主要集中于3D图形渲染领域，如PowerVR、Nvidia、ATI和 BitBoys［1］等产品中都具有3D引擎所必备的高性能染色处理单元。顶点染色器（Vertex Shader）作为GPU的一个重要组成，是高性能染色处理单元不可缺少的部分，主要完成图形处理过程中几何变换、法向量标准化、光照处理等阶段的运算，其性能的提高将有利于改善图形处理器的性能。

目前已经提出的顶点染色器的结构包括：单指令多数据流（Single Instruction Multiple Data，SIMD）、超长指令字（Very Long Instruction Word，VLIW）、VLIW＋SIMD、VLIW＋SIMD＋多线程（Multithreading）以及多核处理机制［2－3］。SIMD 结构通过对功能单元的复制，提高了向量处理的速度，便于实现矩阵运算，但是其对于性能的提高依赖于功能单元的个数，效果有限；VLIW着眼于通过指令级并行提高处理器性能，一条指令往往包含多个操作，虽然它在一定程度上提高了执行效率，但是编译起来比较困难；VLIW＋SIMD结合了两者的优点，进一步提高了运算速度，但处理器的复杂度也相应提高；VLIW＋SIMD＋SMT在VLIW＋SIMD基础上加入了SMT技术，充分利用了空闲资源，实现数据处理的并行化，但是硬件复杂度相对较高；多核处理器旨在用多个简单的核实现复杂运算，提高并行性的同时降低了单个内核的复杂度，但是难以对其进行程序的编写。

本文拟在分析顶点染色器功能和常用染色算法基础上，设计一款支持OpenGL命令处理的可编程顶点染色器（Programmable Vertex Shader），引入一种针对顶点染色处理的专用指令集，通过使用该指令集编程实现不同算法的移植，同时，为了提高硬件的运算速度，采用SIMD向量处理、多执行部件的流水结构等技术进行硬件设计。……