GPU、包括该GPU和多核CPU的平台和管理该GPU的资源的方法

【技术领域】

本发明涉及一种图形处理器单元，该图形处理器单元旨在连接到具有N个不同核的多核中央处理器单元，N是大于或等于2的整数。

本发明还涉及一种平台，该平台包括这种图形处理器单元和连接到该图形处理器单元的具有N个不同核的多核中央处理器单元。

本发明还涉及一种用于管理图形处理器单元的资源的资源管理方法，该方法由这种图形处理器单元实施。

【背景技术】

本发明涉及数据显示系统的领域，数据显示系统优选地旨在安装在飞机上，特别是安装在飞机驾驶舱中。

本发明具体涉及包括在这些显示系统中的图形处理器单元的领域，这些图形处理器单元通常也被称为GPU(Graphic Processing Unit(图形处理单元)的缩写)。这种图形处理单元通常以一个或多个专用集成电路，例如一个或多个ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit(专用集成电路)的缩写)的形式来生产。

各个图形处理器单元通常连接到中央处理器单元，特别是多核处理器单元，以形成平台，中央处理器单元通常也被称为CPU(Central Processing Unit(中央处理单元)的缩写)。

由此，上述类型的平台是已知的，具有被称为对称多处理的架构，该架构也被称为SMP(Symmetrical Multi-Processing(对称多处理)的缩写)架构。这种平台通常为多核处理器单元的所有核托管单个操作系统，并且该操作系统然后管理各个核对平台的各种其他元件的访问，特别是对图形处理器单元的访问。

然而，具有这种对称多处理架构的平台并不总是适合的。

【发明内容】

因此，本发明的目的是提供图形处理器单元和用于管理资源的关联资源管理方法，该方法使得能够基于所谓的非对称多处理架构，也称为AMP(Asymmetrical Multi-Processing(非对称多处理)的缩写)架构，来操作包括图形处理器单元的平台。

为此，本发明涉及一种图形处理器单元，该图形处理器单元旨在连接到具有N个不同核的多核中央处理器单元，N是大于或等于2的整数，该图形处理器单元包括存储器储存单元；

存储器储存单元包括用于存储描述符的N个集合的保留空间，描述符的各个集合与多核中央处理器单元的相应核相关联，各个描述符标识图形处理器单元的一批资源，以用于由旨在经由所述相应核执行的软件应用显示数据；并且

图形处理器单元还包括定序器，该定序器被配置为连续地处理存储于保留存储空间中的描述符。

由此，根据本发明的图形处理器单元使得可以通过为描述符的N个集合保留的存储空间以及能够连续地处理存储在所述存储空间中的描述符的定序器，直接在图形处理器单元级执行图形处理器单元的资源共享，而不是如现有技术中的平台和图形处理器单元那样在操作系统级执行。

根据本发明的其它有利方面，图形处理器单元包括以下特性特征中的一个或多个，这些特征单独地或根据所有技术上可以的组合来考虑：

-保留存储空间包括N个不同的存储区，各个区能够存储相应的描述符集合，N个存储区彼此分离；

-定序器被配置为逐区地处理存储在保留存储空间中的描述符；

-各个存储区包括一个或多个不同的存储扇区，各个扇区能够存储用于适于由与所述存储区相关联的核执行的相应软件应用的描述符的相应子集，该一个或多个存储扇区彼此分离；

-定序器被配置为逐扇区地处理存储在相应存储区中的描述符；

-最大时间间隔与各个存储扇区相关联，并且定序器被配置为，当达到最大时间间隔时，中断对当前扇区的一个或多个描述符的处理，并进入对后续扇区的一个或多个描述符的处理；

-定序器优选地并且在描述符的相应处理被中断的事件中，被配置为在存储位置中保存处理被中断的各个描述符的执行状态，以用于被中断的处理的后续恢复；

-优先级与各个扇区相关联，并且当相应的存储区包括多个不同的存储扇区时，定序器还被配置为以存储扇区的优先级的单调顺序来处理所述存储扇区；以及

-各个描述符包括从由以下各项构成的组中选择的一个或多个信息项：图形上下文的标识符；图形表面的标识符；最大执行时间；以及命令和执行堆栈的标识符。

本发明的目的还涉及一种平台，该平台包括图形处理器单元和具有N个不同核的多核处理器单元，N是大于或等于2的整数，图形处理器单元连接到中央处理器单元并且如上所定义。

本发明的目的还涉及一种用于管理图形处理器单元的资源的资源管理方法，该方法由图形处理器单元实施，图形处理器单元包括存储器储存单元，并且旨在连接到具有N个不同核的多核中央处理器单元，N是大于或等于2的整数；

该方法包括以下步骤：

-在存储器储存单元中分配用于存储描述符的N个集合的保留空间，描述符的各个集合与多核中央处理器单元的相应核相关联，各个描述符标识图形处理器单元的一批资源，以用于由旨在经由所述相应核执行的软件应用显示数据；以及

-连续地处理存储在保留存储空间中的描述符。

【附图说明】

本发明的这些特征和优点将在阅读仅以非限制性示例的方式给出且参照附图进行的以下描述时变得显而易见，附图中：

图1是根据本发明的航空电子系统的示意图，该航空电子系统旨在被安装在飞机上并且包括航空电子平台，该平台包括中央处理器单元和连接到该中央处理器单元的图形处理器单元；

图2是根据本发明的用于管理图1的图形处理器单元的资源的方法的流程图，该方法由所述图形处理器单元实施；

图3是时间线示意图，该示意图表示根据第一操作模式由中央处理器单元进行的准备，然后由图形处理器单元进行的准备以及最后图像在显示屏上的显示；

图4是根据第二操作模式的与图3中的视图类似的视图；以及

图5是根据第三操作模式的与图3中的视图类似的视图。

【具体实施方式】

在图1中，旨在安装在未示出的飞机上的航空电子系统10包括航空电子平台12。

航空电子平台12包括：中央处理器单元16，也称为CPU(Central Processing Unit(中央处理单元)的缩写)，以及图形处理器单元18，也称为GPU(Graphic Processing Unit(图形处理单元)的缩写)，图形处理器单元18连接到中央处理器单元16。中央处理器单元16是具有N个不同核C

另外，平台12包括例如连接到图形处理器单元18的显示屏20。

作为补充选项，平台12的架构是所谓的非对称多处理架构，也称为AMP(Asymmetrical Multi-Processing(非对称多处理)的缩写)架构。根据具有AMP架构的该补充选项，平台12还能够托管不同的操作系统OS

中央处理器单元16本身是已知的。在图1的示例中，为了简化附图，所表示的中央处理器单元16是具有2个核C

图形处理器单元18包括用于生成要显示的至少一个像素集合的生成模块22和用于在显示屏20上显示各个像素集合的显示模块24，显示模块24连接到生成模块22。

图形处理器单元18还包括用于存储数据的存储器储存单元26和定序器28。定序器28例如集成到生成模块22中。作为变型，定序器28连接到生成模块22的输入。

生成模块22被配置为生成要显示的至少一个像素集合。

作为补充选项，生成模块22被配置为生成图像的至少一个中间层(未示出)，各个中间层包括相应的像素集合。

根据该补充选项，图形处理器单元18还包括用于合成来自由生成模块22生成的中间层的图像的合成模块32，显示模块24然后能够显示由合成模块32合成的图像。

生成模块22包括例如能够生成至少一组几何图元的几何引擎36和能够将每一组几何图元转换为相应的像素集合的渲染引擎38。几何引擎36也被称为GE(GeometricEngine(几何引擎)的缩写)，并且渲染引擎38也被称为RE(Raster Engine(光栅引擎)的缩写，或者也称为Rendering Engine(渲染引擎)的缩写)。

生成模块22以及作为补充选项的合成模块32形成用于创建相应图像的图形创建链，该图像能够由显示模块24显示在屏幕20上。图形创建链也被称为图形流水线。

显示模块24被配置为通常在屏幕20上显示各个像素集合，特别是在屏幕20上显示各个图像。

作为补充选项，显示模块24还被配置为将相应的图像与例如存储在存储器储存单元26中的视频混合，然后在显示屏20上显示图像和视频的混合40。

存储器储存单元26连接到图形处理器单元18的各个模块，特别是连接到生成模块22和显示模块24，并且作为补充选项，还连接到合成模块32。

根据本发明，存储器储存单元26包括用于存储描述符44的N个集合42的保留空间40，描述符44的各个集合42与多核中央处理器单元16的相应核C

例如，各个操作系统OS

定序器28被配置为连续地处理存储在保留存储空间40中的描述符44。

合成模块32被配置为从对应的中间层合成各个图像，特别是通过例如相对于彼此定位所述中间层，并且如果需要的话通过叠加它们。

几何引擎36或GE被配置为生成至少一组几何图元，也就是说生成矢量图像部分。

然后，渲染引擎38被配置为将各组几何图元转换为相应的像素集合，即，将与该组几何图元相对应的矢量图像部分转换为与所述像素集合相对应的矩阵图像部分。由渲染引擎38执行的该转换也被称为光栅化，或者也被称为矩阵化。

作为补充选项，保留存储空间40包括N个不同的存储区46，各个区46能够存储相应的描述符44的集合42，N个存储区46彼此分离。

根据该补充选项，定序器28还被配置为逐区46地处理存储在保留存储空间40中的描述符44。

各个描述符44包括从由以下各项构成的组中选择的一个或多个信息项：图形上下文的标识符；图形表面的标识符；最大执行时间；以及命令和执行堆栈的标识符。

也称为图形执行上下文的术语“图形上下文”是指参数化图形创建链的操作的状态的集合，例如几何变换定律的定义，轮廓/绘图颜色的值，或擦除值，或还有要应用的纹理标识。由此，本领域技术人员将理解，图形执行上下文例如对应于在EGL标准中定义的“渲染上下文”，特别是在标题为“

术语“图形表面”是指用于存储像素的空间，无论是否打算显示，图形创建链在该空间中执行绘图操作。本领域技术人员于是应当理解，图形表面例如对应于也在上述EGL标准中定义的“Drawing Surface(绘图表面)”。

作为补充选项，各个存储区46包括一个或多个不同的存储扇区48，各个扇区48能够存储用于适于由与所述存储区46相关联的核C

根据该补充选项，定序器28优选地还被配置为逐扇区48地处理存储在相应存储区46中的描述符44。

在图1的示例中，保留存储空间40包括两个单独的存储区46，即，用于两个核C

本领域技术人员于是应当理解，描述符44优选地首先由核C

为了转置到核的管理，在ARP4754【Aerospace Recommended Practice 4754,SAE】1996年11月和后续版本中定义的系统分区的概念中，其中软件应用实施分区管理过程，如ARINC 653 P1-5(Avionics Application Software Standard Interface part 1:required services，第5期，2019年9月)所述，一个或用于一个对应核C

作为补充选项，最大时间间隔与各个存储扇区48相关联。根据该补充选项，定序器28还被配置为当达到最大时间间隔时，中断对当前扇区48的一个或多个描述符44的处理，并且进入对后续扇区48的一个或多个描述符44的处理。

仍然根据该补充选项，定序器28优选地并且在描述符44的相应处理被中断的事件中被配置为在存储位置(未示出)中保存处理被中断的各个描述符44的执行状态，以便随后恢复被中断的处理。各个存储位置通常包括在存储器储存单元26中，同时对应于与保留存储空间40不同的存储空间。

各个最大时间间隔例如在1ms至20ms之间，更优选地在2ms至10ms之间。

仍然作为补充选项，优先级与各个存储扇区48相关联。根据该补充选项，当相应的存储区46包括多个不同的存储扇区48时，定序器28还被配置为以优先级的单调顺序处理所述存储扇区48。以示例的方式，如果最高优先级是级别1，并且较低优先级是级别2，等等，则定序器28然后被配置为根据优先级的升序来处理所述存储扇区48。

在图1的示例中，分别用于第一核C

现在将借助于图2来说明根据本发明的航空电子系统10的操作，具体是图形处理器单元18的操作，图2示出了用于在屏幕20上显示像素的方法的流程图，具体是由图形处理器单元18实施的用于管理图形处理器单元18的资源的资源管理方法的流程图。

航空电子系统10的该操作也将参考例示了航空电子系统10的不同操作模式的图3至图5来说明，图3对应于被称为即时的第一操作模式，图4对应于被称为定时的第二操作模式，并且图5对应于被称为混合的第三操作模式。

在图2中，在初始步骤100期间，图形处理器单元18在其存储单元26中分配保留存储空间40，该存储空间用于存储描述符44的N个集合42。如前所述，描述符44的各个集合42与多核中央处理器单元16的相应核C

当作为补充选项，保留存储空间40包括N个不同的存储区46时(各个区46能够存储描述符44的相应集合42)，在该初始分配步骤100期间也执行各个相应存储区46的分配。在该存储区46的该分配期间，N个存储区46分布在保留存储空间40内，以便彼此分离。换言之，在两个存储区46之间没有重叠。

当实际上作为补充选项，各个相应存储区46包括多个不同的存储扇区48时(各个扇区48能够存储用于相应软件应用的描述符44的相应子集50)，在该分配步骤100期间也执行所述存储扇区48的分配。本领域技术人员于是应当理解，各个扇区48在与能够执行与所述扇区48相关联的软件应用的核C

在该初始分配步骤100之后，图形处理器单元18定期地执行处理描述符44的步骤110，之后是图像合成的步骤120，之后是与视频混合的可选步骤130，最后是在屏幕20上显示在之前的步骤110至130期间生成的图像(可能与视频一起)的步骤140。

在处理步骤110期间，图形处理器单元18且特别是其定序器28连续地处理存储在保留存储空间40中的描述符44。

在该处理步骤110期间，并且当作为补充选项，保留存储空间40包括N个不同的存储区46时，定序器28被配置为逐区46地处理保留存储空间40中存储的描述符44。

当仍然作为补充选项，各个存储区46本身包括多个不同的存储扇区48时，定序器28被配置为逐扇区48地处理存储在相应存储区46中的描述符44。

当作为补充选项，相应的最大时间间隔与各个存储扇区48相关联时，定序器28在达到相应的最大时间间隔时中断对当前扇区48的一个或多个描述符44的处理，然后进行到对后续扇区48的一个或多个描述符44的处理。根据该补充选项，并且在描述符44的相应处理被中断的情况下，定序器28优选地保存处理被中断的各个描述符44的相应执行状态，在存储位置中进行该保存并且用于所述被中断的处理的随后恢复。

当作为又一补充选项，对于各个扇区48遵守相应的优先级时，定序器28优选地以存储扇区48的相应优先级的单调顺序来处理所述存储扇区48。

技术人员于是应当理解，该处理步骤110使得可以经由所述描述符44的处理来执行先前由中央处理器单元16产生的图形命令的渲染。图形命令的渲染的该执行包括例如由几何引擎36(也表示为GE)执行的几何图元的生成，之后是所生成的几何图元到一个或多个相应像素集合的转换，该转换由渲染引擎38(也表示为RE)执行。

在导致生成一个或多个相应像素集合的该处理步骤110之后，图形处理器单元18经由其合成模块32并且在随后的步骤130期间执行图像合成。该图像合成通常包括从生成模块22接收的中间层合成各个图像，并且更具体地包括将中间层相对于彼此定位，以及将某些层彼此叠加。

合成步骤130之后可选地是混合步骤140，在该步骤期间，图形处理器单元18经由其也起混合模块作用的显示模块24将由合成模块32合成的图像与存储在存储器储存单元26中的视频或视频流混合，以便在后续步骤150期间显示图像和视频的混合。

显然，在没有混合步骤140的情况下，显示模块24然后在显示步骤150期间在屏幕20上显示所合成的一个或多个图像。

现在将参照图3至图5说明根据本发明的航空电子系统的第一操作模式、第二操作模式以及第三操作模式。

在图3中，称为即时的第一操作模式对应于由图形处理器单元18执行由中央处理器单元16产生的图形命令的渲染，因为图形命令由中央处理器单元16渐进地产生。换言之，在各个执行周期，由中央处理器单元16产生的图形命令在相同周期期间被直接传输到图形处理器单元18，如由周期P的箭头A1表示的，甚至由周期P+1的箭头A2表示的，使得这些图形命令的渲染由图形处理器单元18在该相同周期期间执行。

技术人员将注意到，根据本发明，在中央处理器单元16与图形处理器单元18之间的图形命令的传输伴随着与这些图形命令相关联的描述符44的传输，以便随后在由图形处理器单元18执行所述图形命令的渲染期间分配图形处理器单元18的资源。换言之，图3中的各个箭头A1、A2，然后随后的图4和图5中的各个箭头A3到A10，表示图形命令和相关联的描述符44的传输，这是从中央处理器单元16到图形处理器单元18。

技术人员还将观察到，在中央处理器单元16级的图形命令的产生与在图形处理器单元18级的图形命令的渲染的执行之间的时滞仅由于对应的图形命令和相关联的描述符44在中央处理器单元16与图形处理器单元18之间的传输的时间段而产生。

根据该第一操作模式，在周期P期间由中央处理器单元16产生的图形命令(其渲染由图形处理器单元18在相同周期P期间执行)，然后导致在随后的周期P+1期间显示图像，如图3中的图像I1的显示例示。技术人员还将观察到，在两个连续周期P、P+1之间，切换是必要的，以便从一个图像的显示转到下一个图像的显示，各个切换由垂直粗线箭头S表示，并且导致在显示屏20上的空白时段B。

技术人员还应当理解，有必要在每次切换S时在图形处理器单元18与显示屏20之间执行帧缓冲器(公认的术语)的切换，帧缓冲器的该切换使得可以将与图像显示有关的信息项从图形处理器单元18传输到显示屏20，如用于图像I1的箭头B1表示的。

类似地，如用于传输图形命令和相关联的描述符44的箭头A2所例示，由中央处理器单元16在周期P+1期间产生的图形命令(其渲染由图形处理器单元18在相同周期P+1期间执行)，然后导致在周期P+2期间显示图像I2，如箭头B2表示的，在周期P+1与周期P+2之间的切换S期间在图形处理器单元18与显示屏20之间传输与该图像I2有关的信息项。

技术人员应当理解，在图3至图5的每一个中，由中央处理器单元16产生图形命令组、由图形处理器单元18执行该同一图形命令组的渲染、最后在屏幕20上显示该同一图形命令组的渲染由具有相同填充的矩形示意性地表示，以便例示它们是与该同一图形命令组相关联的连续动作。

图4例示了称为定时的第二操作模式，其中，在周期P期间由中央处理器单元16产生的图形命令仅在随后的周期P+1期间由图形处理器单元18处理，这随后导致在下一个随后的周期P+2期间在显示屏20上显示图像。

由此，在图4的示例中，在周期P+2期间显示的图像I3由在周期P期间由中央处理器单元16产生的图形命令产生，然后在周期P与周期P+1之间的切换S期间与相关联的描述符44一起被传输到图形处理器单元18，如箭头A3表示的。然后，在随后的周期P+1期间由图形处理器单元18实现在周期P期间产生的命令的图形渲染的执行，然后在下一个随后的周期P+2期间显示图像I3，在周期P+1与周期P+2之间的切换S期间，在图形处理器单元18与显示屏20之间传输与相对图像I3有关的数据，如箭头B3表示的。

这里，两个连续周期之间的每次切换再次在显示屏20上产生空白时段B。

类似地，在周期P+1与周期P+2之间的切换S期间，如箭头A4表示的，由中央处理器单元16在周期P+1期间产生的图形命令与相关联的描述符44一起被传输，以便由图形处理器单元18在随后的周期P+2期间执行这些图形命令的渲染，以便最终导致在下一个随后的周期P+3期间显示图像I4，在周期P+2与周期P+3之间的切换S期间，在图形处理器单元18与显示屏20之间传输要为图像I4显示的信息项，如箭头B4表示的。

技术人员然后将观察到，根据称为即时的并且在图3中可见的第一操作模式，图形命令的产生时刻与显示屏20上所得到的显示之间的时延被减小，并且特别地，该时延低于根据称为定时的第二操作模式的时延。作为根据第一操作模式的时延与根据第二操作模式的时延之间的比较的示例，技术人员将观察到，用于根据第一操作模式的图像I1的显示的由图3中可见的箭头L1表示的时延远低于用于根据第二操作模式的图像I3的显示的由图4中可见的箭头L3表示的时延。

相反，技术人员应当理解，称为即时的第一操作模式需要具有与图形处理器单元18同步的中央处理器单元16，于是中央处理器单元16的执行时间取决于图形处理器单元18的对应执行时间，这可证明在性能方面是不利的。

另一方面，根据称为定时的第二操作模式，中央处理器单元16相对于图形处理器单元18异步地操作，于是中央处理器单元16与图形处理器单元18之间的处理时间被分离。

在图5中，被称为混合的第三操作模式是上述第一操作模式和第二操作模式的混合。更准确来说，在各个周期P、P+1、P+2期间，航空电子系统10部分地以对应于以上参照图4描述的第二操作模式的定时模式操作，并且部分地以对应于参照图3描述的第一操作模式的即时模式操作。

中央处理器单元16是多核处理器，操作模式的该分配例如是逐个核地进行的，其中一个或多个核以即时模式操作，而一个或多个核以定时模式操作。换言之，在各个周期P、P+1、P+2期间，一方面，由中央处理器单元16产生的某些图形命令与对应的描述符44一起在相同的相应周期期间传输到图形处理器单元18，以便在该相同周期期间执行它们的渲染，该即时传输由用于周期P的箭头A7、用于周期P+1的箭头A9以及用于周期P+2的箭头A11例示。另一方面，由中央处理器单元16(通常由中央处理器单元16的另一个核)在周期P、P+1、P+2期间产生的其它图形命令仅在随后的周期P+1、P+2、P+3期间传输到图形处理器单元18，以便在该随后的周期P+1、P+2、P+3期间执行它们的渲染，这由此导致显示对应于下一个随后周期P+2、P+3、P+4的图像部分。

在图5的示例中，在周期P+1期间显示的图像的部分I5和I7的组合于是由以下内容产生：

-一方面，在周期P-1期间例如由第一核C

-另一方面，由中央处理器单元16(例如由第二核C

类似地，在周期P+2期间在显示屏20上显示的图像的部分I6和I9由以下内容产生：一方面，例如在周期P期间由第一核C

技术人员然后将观察到，由箭头L9表示的图像部分I9的时延比由箭头L6表示的图像部分I6的时延低得多，换言之，这使得在相同的给定周期(诸如图5的该示例中的周期P+2)期间显示的图像部分I6、I9可以具有不同的时延。

技术人员然后应当理解，图5所例示的该第三操作模式(称为混合模式)使得可以更快速地显示对于航空电子系统10重要的数据，同时还允许较慢地显示不那么重要的数据，诸如背景数据。

混合模式于是通常使得可以以即时模式(即更快速地)显示重要数据，诸如位置、姿态、侧滚、高度，即用于驾驶飞机的最小参数，以便有利于飞行安全，这些关键数据的显示时延更低。

由此，保留存储空间40和定序器28对描述符44的连续处理允许图形处理器单元18管理从中央处理器单元16的多个核C

为描述符44保留的存储空间40和定序器28对所述描述符44的处理使得航空电子平台12基于被称为AMP架构的非对称多处理架构的操作成为可能。