可信嵌入式3D图形系统关键技术的研究

论文摘要

在后PC时代,对于嵌入式3D图形加速系统的应用需求日益增长。在嵌入式设备中进行3D图形加速设计的时候,必须考虑到诸如芯片面积、执行性能、功耗、成本等方面的限制。不仅如此,随着网络时代的到来,还需要解决嵌入式设备数据在网络环境中传输的安全性问题。这就对嵌入式应用系统提出了以下需求:稳定可靠的高性能嵌入式硬件平台,合适的嵌入式操作系统,适用于嵌入式环境需求的3D图形加速设备。针对以上这些嵌入式3D图形加速系统的应用需求,本文提出了一种基于RISC微处理器的具有安全功能的可信嵌入式3D图形加速系统的软硬件实现方案,对其中的一些关键技术如嵌入式技术、图形加速技术、安全技术等进行了分析研究。提出了以下设计方案:1)在系统平台方面,采用了具有高可靠性的LEON3硬件平台和嵌入式Linux操作系统,首先确保了整个嵌入式系统的稳定可靠;2)在平台上加入了自主设计的3D图形加速模块,提高了嵌入式环境下3D图形加速的性能;3)为上述平台的在网络中的应用设计了一套较完善的安全认证方案,确保了数据的安全性。以上这几点构成一个可信的嵌入式3D图形加速系统,具有较好的实用价值。本文的主要贡献及创新之处:（1）提出了一种可信嵌入式3D图形加速系统的整体架构和安全模型。系统采用高可靠性的LEON3微处理器平台,嵌入式Linux操作系统,使用自主设计的3D图形加速模块,并结合加密认证算法,实现了图形数据的安全传输和实时处理:（2）对32位LEON3 RISC微处理器的体系结构、指令系统、容错机制、可配置性等技术特点进行了深入分析与研究,并根据实际需求进行了详细的定制工作,实现了一个高性能和高可靠性的可信嵌入式系统硬件平台。（3）对嵌入式Linux操作系统的体系结构、内核子系统、文件结构和启动流程,以及其内核生成过程进行了详细的分析研究,并在本文设计的LEON3硬件平台上,完成了移植工作。文中对系统定制的详细内容和NFS网络文件系统的实现过程进行了描述;（4）根据软硬件划分的原则,提出了嵌入式系统下的真实感3D图形加速设计方案。方案采用嵌入式微处理器软件进行图形加速几何阶段的计算,对图形加速的光栅阶段采用硬件IP核来实现。整个算法采用了定点化的实现方式,在几何阶段,对三维裁剪算法进行了优化设计,采用了在三维透视视见体的六个裁剪面分别进行二维裁剪和插值的方法,减少了计算量,降低了CPU的运算负担。在光栅阶段,采用了基于tile的处理方式,减少了扫描转换和纹理映射的运算量,但仍保持了较好的图像质量。纹理映射部分采用了纹理压缩和两级Cache的设计方式,采用S3TC的压缩算法,可以达到6:1的压缩比率,减少了对总线带宽的需求。采用了Mipmap+双线性滤波的纹理映射算法,提高了纹理映射的速度,并且具有较好的渲染质量。（5）对网络环境下嵌入式3D图形数据传输上的安全问题进行了探讨,提出了只对关键参数加密的优化设计方法,并给出了AES+SHA-1加密认证和RSA密钥管理相结合的安全模型。从而在确保可信嵌入式3D图形加速系统的安全性的前提下,减少了运算量,降低了系统资源的消耗,满足了实际应用的需求。目前国内对于图形学的研究更多关注于多媒体技术、建筑设计软件等领域,对3D图形加速技术的研究还很有限。设计具有较高性能的嵌入式3D图形加速系统,对提高我国嵌入式产业的发展水平,增强在国际上的竞争力,以及国防建设的发展等都具有重大的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图目录
• 表格目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 嵌入式系统
• 1.1.2 嵌入式图形加速技术
• 1.1.3 安全技术
• 1.2 可信嵌入式3D图形系统的研究现状
• 1.2.1 嵌入式处理器和图形加速的研究现状
• 1.2.2 嵌入式操作系统
• 1.2.3 嵌入式设备上的安全机制
• 1.3 本文研究的主要内容和结构安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 可信嵌入式3D图形系统的架构
• 2.1 可信嵌入式图形系统的整体架构
• 2.2 可信嵌入式图形系统的安全模型
• 2.2.1 可靠的LEON3平台
• 2.2.2 加密认证机制
• 2.3 嵌入式系统
• 2.3.1 嵌入式系统的硬件部分
• 2.3.2 嵌入式系统的软件部分
• 2.4 3D图形加速模块
• 2.4.1 3D图形加速的工作流程
• 2.4.2 嵌入式3D图形加速的特点
• 2.4.3 嵌入式环境下的3D图形加速设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于LEON3的嵌入式平台设计
• 3.1 LEON3处理器介绍
• 3.1.1 LEON3的物理结构
• 3.1.2 LEON3的主要模块
• 3.2 LEON3的技术特点
• 3.2.1 SPARC V8体系结构
• 3.2.2 LEON3的SMP支持
• 3.2.3 LEON3的高度可配置性
• 3.2.4 LEON3的可靠性设计—容错设计
• 3.3 LEON3的总线机制
• 3.3.1 系统总线控制器
• 3.3.2 外围总线
• 3.4 实验平台设计
• 3.5 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 可信嵌入式平台Linux操作系统的实现
• 4.1 Linux体系结构分析
• 4.1.1 Linux系统结构
• 4.1.2 内核子系统
• 4.1.3 用户界面Shell
• 4.1.4 Linux的文件系统
• 4.1.5 Linux系统的启动过程
• 4.1.6 Linux的源代码文件
• 4.2 Linux操作系统在LEON3嵌入式平台上的移植
• 4.2.1 Linux内核的移植
• 4.2.2 NFS网络根文件系统的实现
• 4.2.3 Linux帧缓冲的读写操作
• 4.3 本章小结
• 第五章 可信嵌入式3D图形系统图形功能的实现
• 5.1 3D图形加速的软硬件划分
• 5.2 3D图形加速平台的总体设计方案
• 5.3 几何阶段的算法设计
• 5.3.1 模型与视点变换
• 5.3.2 简单光照
• 5.3.3 投影变换
• 5.3.4 三维裁剪
• 5.3.5 屏幕映射
• 5.3.6 定点化的设计
• 5.4 光栅阶段的算法设计
• 5.4.1 扫描转换部分
• 5.4.2 纹理映射算法
• 5.4.3 可见性测试
• 5.5 性能测试与分析
• 5.5.1 在桌面PC上的3D图形加速软件模拟结果
• 5.5.2 在LEON3嵌入式系统平台上的3D图形加速实验结果
• 5.5.3 硬件性能评估
• 5.6 本章小结
• 第六章 可信嵌入式图形系统安全机制的实现
• 6.1 嵌入式可信图形系统的安全模型
• 6.1.1 参数化的加密方式
• 6.1.2 安全机制的总体框架
• 6.2 可信图形处理系统的算法描述
• 6.2.1 AES算法
• 6.2.2 AES算法的性能测试与安全性分析
• 6.2.3 RSA算法
• 6.2.4 SHA-1消息认证算法
• 6.2.5 SHA—1算法实现的性能测试与分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文的总结
• 7.2 进一步的研究工作
• 参考文献
• 发表的学术论文与科研情况
• 致谢