CN112115015A - 显示像素集的图形处理器和相关方法、相关平台和航空电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种显示像素集的图形处理器和相关方法、相关平台和航空电子系统。该图形处理器(18)包括：生成模块(22)，配置为生成要显示的至少一个像素集；显示模块(24)，连接至该生成模块(22)，该显示模块(24)配置为在屏幕(20)上显示每个像素集；以及监视单元(26)，集成到该生成模块(22)中，该监视单元(26)配置为确定至少一个像素的图形环境信息项列表，并将该列表传送至外部电子监控设备(14)，该设备能够连接至该图形处理器(18)。

Description

显示像素集的图形处理器和相关方法、相关平台和航空电子 系统

技术领域

本发明一般地涉及计算机技术领域，更具体地，涉及显示像素集的图形处理器和方法、平台和航空电子系统。

背景技术

图形处理器是已知前述类型的，对所实现的处理器的正确运行的监视是通用监视。这种通用监视试图验证图形处理器是否在正确运行，独立于图形处理器进行的计算或处理。例如，该通用监视基于故障模式的预定义列表。

然而，这种监视并不总是合适的，特别是在故障模式的预定义列表通常并不详尽的情况下。

此外，由于这种图形处理器的复杂性，有时难以实施这种通用监视。这种复杂性通常是由于可能提高图形处理器的性能的杠杆。

传统上，可能提高中央处理器或CPU的性能的杠杆是不断增加的频率，具有增加电力消耗和热量的影响；增加了处理完成的复杂性，具有专用操作、代码执行预测逻辑、高速缓存的预加载逻辑；在多核处理器的情况下增加计算核心的数量，并将并行性引入指令和数据中。总体而言，处理器的复杂度系数为2仅导致性能增益系数为1.4。

另一个杠杆可能提高图形处理器的性能，并增加其复杂性。另一个杠杆是线程引入，从中央处理器的多核方法过渡到基于图形处理器的大量基本核心或处理器的方法，通常超过100个基本核心或处理器。作为有关性能的理论增益的说明，两个基本处理器提供性能增益因子为1.8，这比中央处理器的上述性能增益因子更好。还观察到可消耗的电气材料的增益。

通常，基于并行的大量基本处理器的图形处理器的设计允许以适当的存储器资源的组织来同时访问存储器，增加带宽而不影响访问滞后，并提高鲁棒性。

除了涉及大量并行计算和存储器资源的电子体系结构的复杂性之外，图形处理器的第二个复杂性因素来自于难以对并行算法进行编程，这是利用电子体系结构所必需的。这种编程特别需要最大化图形处理器要执行的任务的分解，以实现最佳的并行执行；协调任务，以避免等待；以及监控与数据交换和/或额外计算有关的额外成本。

因此，这种图形处理器的通用监视通常很复杂并且难以执行。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种图形处理器以对其运行进行更好的监视。

本发明涉及一种图形处理器，该图形处理器包括用于生成要被显示的至少一个像素集的模块和用于在屏幕上显示每个像素集的模块，该显示模块连接至生成模块。

本发明还涉及一种包括图形处理器和中央处理器的平台，该图形处理器连接至中央处理器。

本发明还涉及一种旨在嵌入在飞行器中的航空电子系统，该航空电子系统包括该平台和用于监视该平台的电子设备，该电子设备连接到该平台。

本发明还涉及一种用于在屏幕上显示像素的方法，该方法由这样的图形处理器实现。

本发明涉及数据显示系统的领域，该数据显示系统优选地适于嵌入飞行器中，特别是适于嵌入飞行器驾驶舱中。

本发明尤其涉及包括在这些显示系统中的图形处理器的领域，这些图形处理器也被称为GPU(图形处理单元)。这些图形处理器通常以一种或几种专用集成电路的形式制成，例如一种或几种ASIC(专用集成电路)，或者以一种或几种可编程逻辑组件的形式制成，例如一种或几种FPGA(现场可编程门阵列)。

每个图形处理器通常连接到中央处理器以形成平台，该中央处理器通常称为CPU(中央处理单元)。

为此，本发明涉及一种图形处理器，包括：

生成模块，被配置为生成要显示的至少一个像素集；

显示模块，连接到该生成模块，该显示模块配置为在屏幕上显示每个像素集；以及

监视单元，集成到该生成模块中，该监视单元配置为确定至少一个像素的图形环境信息项列表，并将该列表传送到外部电子监控设备，该外部电子监控设备能够连接至该图形处理器。

因此，根据本发明的图形处理器，由于其集成在生成模块中的监视单元，使得可能确定至少一个像素的图形环境信息项列表，然后将该列表传递到外部监控设备。然后，该图形环境信息项列表提供关于图形处理器的运行的附加信息，特别是显示关于要显示的像素集中的一个或几个像素。

然后，除了对现有技术的通用监视之外，该图形环境信息项列表使得执行对图形处理器的运行的实时监视成为可能。

根据本发明的其他有利方面，该图形处理器包括以下特征中的一个或多个，单独考虑或根据所有技术上的可能组合考虑：

每个像素集包括与具有特征点的一组几何图元相对应的多个像素，并且该监视单元配置为确定用于与所述特征点相对应的至少一个像素的图形环境信息项列表；

该监视单元配置为确定仅用于与所述特征点相对应的多个像素的图形环境信息项列表；

该生成模块包括能够生成至少一组几何图元的几何引擎和能够将每组几何图元转换为相应的像素集的渲染引擎，

该监视单元优选地被集成到渲染引擎中；

每个几何图元选自于由线段、圆弧、贝塞尔曲线和多边形所组成的组；

优选地，每个几何图元是具有两个末端的线段或具有顶点的多边形，该线段的末端或多边形的顶点形成各自的特征点；

每个图形环境信息项列表包括选自于由以下各项所组成的组的一个或多个信息项：所监视像素的标识符、像素在屏幕上的可见性信息项、像素的位置信息项、像素的纹理信息项以及像素的颜色信息项；

至少一个图形环境信息项列表还包括表征功能与所监视像素相关联的功能信息项；

优选地，每个功能选自于由以下各项所组成的组：水平线、刻度盘上的指针位置、刻度尺、刻度光标、字母数字字符段和场景的网格点；以及

该生成模块被配置为生成至少一个中间图像层，每个中间层包括各自的像素集，并且该图形处理器还包括合成模块，配置为从由该生成模块生成的中间层构成图像，然后该显示模块能够显示由该合成模块构成的图像。

本发明还涉及包括图形处理器和中央处理器的平台，该图形处理器被连接到中央处理器并且为如上所限定图形处理器。

本发明还涉及旨在嵌入飞行器中的航空电子系统，该航空电子系统包括航空电子平台和用于监控该平台的电子设备，连接到该平台，该航空电子平台是如上所限定的平台。

本发明还涉及一种用于在屏幕上显示像素的方法，该方法由图形处理器实现，并且包括：

生成要显示至少一个像素集；

在屏幕上显示每个像素集；以及

监视每个像素集，确定至少一个像素的图形环境信息项列表，并将该列表传递到外部电子监控设备，该设备可以被连接至该图形处理器。

附图说明

通过阅读以下描述，本发明的这些特征和优点将变得更加清楚，以下描述仅作为非限制性示例提供，并参考附图进行了说明，其中：

图1是根据本发明的航空电子系统的示意图，旨在嵌入飞行器中并且包括航空电子平台和该平台的电子监控设备，该平台包括中央处理单元和连接至该中央处理器的图形处理器；

图2是由图1的图形处理器连续处理的对象的示意图；以及

图3是根据本发明的显示方法的流程图，该方法由图1的图形处理器执行。

具体实施方式

在图1中，航空电子系统10包括航空电子平台12和该平台12的电子监控设备14，该监控设备14连接到该平台12。该航空电子系统10旨在嵌入未示出的飞行器中。

航空电子平台12包括中央处理单元(CPU)16和图形处理器18，也称为图形处理单元(GPU)，该图形处理器18连接到该中央处理单元16。

此外，该平台12包括屏幕20，例如，屏幕20连接到图形处理器18。

该监视设备14是位于图形处理器18外部的电子设备，并且能够连接至所述图形处理器18。在图1的示例中，该监视设备14连接至图形处理器18。

该监控设备14通常被配置为监控平台12、特别是图形处理器18的正常运行。监控设备14也被称为MON(监视器)。该监控设备14特别地能够从图形处理器18接收与所述图形处理器18的运行相关的信息。

此外，监控设备14还能够接收与中央处理单元16的运行有关的信息。作为可选添加物，监控设备14还能够向中央处理单元16和/或图形处理器18发送命令指令。

中央处理单元16本身是已知的。该中央处理单元16是单核处理器或多核处理器。

图形处理器18包括用于生成要显示的至少一下像素集的模块22和用于在显示屏幕20上显示每个像素集的模块24，该显示模块24连接至生成模块22。

图形处理器18还包括集成到生成模块22中的监视单元26，以及数据存储器28。

该生成模块22被配置为生成要显示的至少像素集。

作为可选添加物，该生成模块22被配置为生成图2中可见的图像的至少一个中间层30，每个中间层30包括各自的像素集。

根据该可选添加物，图形处理器18还包括合成模块32，用于由生成模块22生成的中间层30合成图像34，然后该显示模块24能够显示由合成模块32合成的图像34。

该生成模块22例如包括能够生成至少一组几何图元的几何引擎36和能够将每组几何图元转换为各自的像素集的渲染引擎38。根据该示例，优选地，监视单元26被集成到渲染引擎38中。该几何引擎36也被称为GE，并且该渲染引擎38也被称为RE(其也可以代表光栅引擎)。

生成模块22和作为可选添加物的组成模块32形成相应图像34的图形创建链，该图像可以通过显示模块24显示在屏幕20上。该图形创建链也称为图形流水线，然后将根据本发明的监视单元26集成到图形流水线中或是所述图形流水线固有的。

显示模块24被配置为通常在屏幕20上显示每个像素集，特别是在屏幕20上显示每个图像34。

作为可选添加物，显示模块24还被配置为将相应图像34与视频混合，例如，该相应图像存储在存储器28中，然后在显示屏幕20上显示图像和视频的混合40。

监视单元26被配置为确定至少一个像素的图形环境信息项列表，以及将该图形环境信息项列表传递到外部电子监控设备14。

每个像素集均包括与具有特征点的一组几何图元相对应的多个像素，然后监视单元26被配置为确定用于与该特征点相对应的至少一个像素的相应的图形环境信息项列表。

优选地，监视单元26被配置为确定仅用于与该特征点相对应的像素的相应的图形环境信息项列表。

例如，每个几何图元选自于由线段、圆弧、贝塞尔曲线和多边形所组成的组。

优选地，每个几何图元是具有两个末端的线段，即，直线段，或具有顶点的多边形，并且该线段的末端或多边形的顶点形成相应的特征点，监视单元26能够确定用于其的图形环境信息项列表。

作为可选添加物，当生成模块22包括几何引擎36和渲染引擎38时，每个几何图元由该几何引擎36生成，然后通过渲染引擎38将该几何图元转换为对应像素。

每个图形环境信息项列表包括一个或多个信息项，其中，这些信息项选自于由如下各项所组成的组：所监视像素的标识符；屏幕20上像素的可见性信息项；像素的位置信息项；像素的纹理信息项；以及像素的颜色信息项。

优选地，每个图形环境信息项列表至少包括以下信息项：所监视像素的标识符和像素的位置信息，例如在与屏幕20相关联的坐标系中的像素坐标，其中，该坐标系也称为屏幕存储器坐标系。所监视像素的标识符是参考(referencing)所有所监视像素中的该所监视像素的标识符，并且接下来允许监控设备14基于每个相应标识符对这些像素执行监控。

该屏幕存储器坐标系是在生成模块22的输出处使用的坐标系，例如，在由几何引擎36、然后由渲染引擎38应用所有图形变换之后使用的坐标系。

优选地，每个图形环境信息项列表还包括像素的一个或几个图形属性，也就是说，例如纹理标识符的像素的纹理信息、例如像素的颜色的像素的颜色信息以及例如像素深度的像素的可见性信息。

该纹理标识符使得可能在一组的纹理中识别出与像素相关联的纹理。

该像素的颜色例如以RGB(红绿蓝)编码的形式表示。在变型例中，颜色以sRGB编码的形式表示。

深度是能够指示像素在形成相应图像34的堆叠中间层30中的深度的指示符，然后像素在屏幕上的可见性起因于该深度。换句话说，堆叠多层中的像素深度是能够确定在多个中间层30的合成期间是否显示对应像素以获得合成图像34的优先级信息项。

作为可选添加物，至少一个图形环境信息项列表进一步包括表征功能与所监视像素相关联的功能信息项。例如，每个功能选自于由以下各项所组成的组：水平线、刻度盘上的指针位置、刻度尺(scale graduation)、刻度光标、字母数字字符段(alphanumericcharacter segment)以及场景的网格点。该场景通常是二维或三维场景，也称为2D场景或3D场景。

然后，该功能信息项允许监控设备14确定所监视的像素是否属于水平线、分别属于指示刻度盘中的指针位置的刻度、是否分别属于刻度尺、是否分别属于刻度光标，是否分别属于字母数字字符段，以及更一般地字母数字字符，或进一步分别为诸如2D或3D场景之类的场景的网格。

换句话说，当在所监视像素的图形环境信息项列表中包括该功能信息项时，允许监控设备14另外确定所监视像素的标识符和位置，以及任何图形属性，该所监视像素功能在信息方面被显示在屏幕20上。

为了将图形环境信息项列表传送到监控设备14，例如，监视单元26被配置为将该列表记录在缓冲存储器中，该缓冲存储器也可由监控设备14访问。

本领域技术人员将进一步理解，由监视单元26确定用于要在屏幕20上显示的像素的每个图形环境信息项列表，确定该图形环境信息项列表刚好在屏幕20上显示对应的一个或多个像素集之前完成，或者作为可选添加物，当图形处理器18还包括合成模块32时，刚好在由中间层30合成图像34之前完成。

特别地，当生成模块22包括几何引擎36和渲染引擎38时，优选地，监视单元26被集成到渲染引擎38中，然后在将每组几何图元转换为相应的像素集之后确定每个图形环境信息项列表。

存储器28连接到图形处理器18的每个模块，特别是连接到生成模块22和显示模块24，以及作为可选添加物，连接到合成模块32。

合成模块32被配置为由对应中间层30(多个)合成每个图像34，特别是通过例如相对于彼此放置该中间层30(多个)，并且如果适用的话将它们叠加，如下文将针对图2更详细地描述的。

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。

渲染引擎38接下来被配置为将每组几何图元转换为相应的像素集，也就是说，将与该组几何图元相对应的矢量图像部分转换为与像素集相对应的矩阵图像部分。由渲染引擎38完成的这种转换也称为光栅化。

现在将使用图3以及根据图2来解释根据本发明的航空电子系统10的操作，特别是图形处理器18的操作，其中，图3示出了由图形处理器18实现的在显示20上显示像素的方法的流程图，以及图2示出由图形处理器18连续处理的对象。

在初始步骤100期间，图形处理器18经由其生成模块22生成要在屏幕20上显示的至少一个像素集。

在图1和2的示例中，其中生成模块22包括几何引擎36和渲染引擎38，生成步骤100包括：子步骤105，用于由几何引擎36(也称为GE)执行的生成几何图元；其后是子步骤110，用于将所生成的几何图元转换为一个或几个各自的像素集，由渲染引擎38执行(也称为RE)该转换子步骤110。

此外，在生成步骤100之前并且如图2中的箭头F1所示，对于每个要监视的像素，生成模块22已经从例如中央处理器16或从监控设备14接收该像素的标识符。

继该生成步骤100之后，图形处理器18一方面执行步骤120，用于监视每个生成的像素集，监视单元26根据每一生成的像素集执行该监视步骤120，以及另一方面执行图像34合成步骤130，由合成模块32执行该合成步骤130。

监视步骤120还包括：针对每个所监视像素确定图形环境信息项的相应列表，然后将该列表传送到外部监控设备14，如图2中的箭头F2所示。

如前所述，优选地，每个图形环境信息项列表包括该所监视像素的标识符和该像素的位置信息，例如其在屏幕存储器坐标系中在三个维度(x，y，z)的坐标。

此外，该图形环境信息项列表还包括一个或多个图形属性，例如纹理标识符、所监视像素的颜色或深度。

此外，该图形环境信息项列表包括所监视像素的功能信息，例如，该功能信息使得可以指示所监视像素属于水平线、刻度盘上的指针位置，刻度尺、刻度光标、字母数字字符或场景网格。

与传递在监控设备14处监视的每个像素的该图形环境信息项列表的并行地，图形处理器18在步骤130期间并且经由其合成模块32，由所生成的中间层30合成每个图像34。

在图2的示例中，合成模块32从生成模块22接收如箭头F3所示的一批生成的中间层30，在该示例中，该中间层30被表示为C1至C6，合成模块32然后由这些中间层30合成如图2中的箭头F4所示的图像34并将该合成的图像34传递到显示模块24。这种图像34合成通常由以下步骤组成：用C1到C6表示的中间层30相对于彼此进行定位，以及在彼此顶部上叠加某些层。

在合成步骤130之后可选地跟随混合步骤140，在混合步骤140中图形处理器18经由其显示模块24(也用作混合模块)，将由合成模块32合成的图像34与视频或视频源进行混合，存储于存储器28中，以在随后的步骤150中显示如图2中的箭头F5所示的该图像和视频的混合40。

当然，在没有混合步骤140的情况下，则显示模块24在显示步骤150期间在屏幕20上显示该合成图像34。

本领域技术人员将进一步理解，在图2的示例中，箭头F3和F4仅用于一方面说明在生成模块22和合成模块32之间处理的数据类型，另一方面说明在合成模块32和显示模块24之间处理的数据类型。因此箭头F3和F4没有示出相对于图形处理器18将由图形处理器18传送到外部设备的数据。

本领域的技术人员将同样理解，为了简化附图，在图2中，中间层30和合成的图像34被示出为位于图形处理器18的外部，然而一定在图形处理器18的内部对其进行处理，例如，由生成模块22生成的中间层30被存储在存储器28中，以便接下来由合成模块32使用该中间层以合成各自的图像34。

在图2中，箭头F2，以及F5分别示出了来自图形处理器18的数据。该箭头F2对应于所监视像素的相应的图形环境信息项列表由监视单元26传递到监控设备14。箭头F5示出了图像和视频的混合40，或者作为变型例，图像在图形处理器18的输出处被传送至屏幕20，以在屏幕20上被显示。

然后监视单元26使得可能实时监视图形处理器18的工作，监视单元26将用于每个所监视像素的各自的图形环境信息项列表传递至监控设备14，以及刚好在屏幕20上显示之前，或者刚好在合成图像34之前，该图形环境信息项列表为该监控设备14提供关于每一所监视像素的信息。

尤其是在已经应用由几何引擎36，然后由渲染引擎38执行的所有转换之后，确定每个图形环境信息项列表。然后由监视单元26提供的监视每个像素代表针对每个所监视像素将在屏幕20上显示什么，以及该监视据说是实时的。

此外，监视单元26直接集成到生成模块22中，这使得可能刚好在生成像素之后，通过确定每个所监视像素的相应图形环境信息项列表来执行监视像素。因此与现有技术的图形处理器的通用监视相比，这种监视不那么复杂并且更易于执行。

根据作为图形处理器18的输入，以及特别是作为生成模块22的输入而接收的每个所监视像素的标识符，除了该标识符之外，监视单元26通过包括以下信息中的至少一个信息项来开发图形环境信息项列表：像素的位置信息以及一个或多个图形属性，例如所监视像素的可见性信息、纹理信息和颜色信息。如前所述，除了所监视像素的标识符外，图形环境信息项列表中包括的信息优选地是像素位置，并且图形属性是可选的。

因此，明显的是，根据本发明的图形处理器18允许更好地监视其工作，并且然后根据本发明的航空电子系统10利用监控设备14提供安全运行，其利用监视单元26传递的每个所监视像素的图形环境信息项列表对图形处理器18的运行执行有效监视。

Claims (14)

1.一种图形处理器(18)，包括：

生成模块(22)，配置为生成要显示的至少一个像素集；

显示模块(24)，连接至所述生成模块(22)，所述显示模块(24)配置为在屏幕(20)上显示每个像素集，

其特征在于，所述图形处理器(18)还包括：

监视单元(26)，集成到所述生成模块(22)中，所述监视单元(26)配置为确定至少一个像素的图形环境信息项列表，并将所述图形环境信息项列表传送至外部电子监控设备(14)，所述外部电子监控设备能够连接至所述图形处理器(18)。

2.根据权利要求1所述的图形处理器(18)，其中，每个像素集包括与具有特征点的一组几何图元相对应的多个像素，并且所述监视单元(26)配置为确定用于与所述特征点相对应的所述多个像素中的至少一个像素的图形环境信息项列表。

3.根据权利要求2所述的图形处理器(18)，其中，所述监视单元(26)配置为确定仅用于与所述特征点相对应的所述多个像素的图形环境信息项列表。

4.根据权利要求1所述的图形处理器(18)，其中，所述生成模块(22)包括能够生成至少一组几何图元的几何引擎(36)和能够将每组几何图元转换为相应的像素集的渲染引擎(38)。

5.根据权利要求4所述的图形处理器(18)，其中，所述监视单元(26)被集成到所述渲染引擎(38)中。

6.根据权利要求2所述的图形处理器(18)，其中，每个几何图元选自于由以下各项所组成的组：线段、圆弧、贝塞尔曲线和多边形。

7.根据权利要求6所述的图形处理器(18)，其中，每个几何图元是具有两个末端的线段或具有顶点的多边形，所述线段的末端或所述多边形的顶点形成对应的特征点。

8.根据权利要求1所述的图形处理器(18)，其中，每个图形环境信息项列表包括选自于由以下各项所组成的组的一个或多个信息项：所监视像素的标识符、所述像素在所述屏幕上的可见性信息项、所述像素的位置信息项、所述像素的纹理信息项以及所述像素的颜色信息项。

9.根据权利要求1所述的图形处理器(18)，其中，至少一个图形环境信息项列表还包括表征功能与所述所监视像素相关联的功能信息项。

10.根据权利要求9所述的图形处理器(18)，其中，每个功能是选自于由以下各项组成的组：水平线、刻度盘上的指针位置、刻度尺、刻度光标、字母数字字符段以及场景的网格点。

11.根据权利要求1所述的图形处理器(18)，其中，所述生成模块(22)配置为生成至少一个中间图像层(30)，每个中间图像层(30)包括对应的像素集，以及所述图形处理器(18)还包括合成模块(32)，配置为从由所述生成模块(22)生成的所述中间层(30)构成图像(34)，然后所述显示模块(24)能够显示由所述合成模块(32)构成的图像(34)。

12.一种平台(12)，包括图形处理器(18)和中央处理器(16)，所述图形处理器(18)连接到中央处理器(16)，

其特征在于，所述图形处理器(18)为根据权利要求1所述的图形处理器。

13.一种航空电子系统(10)，用于嵌入飞行器中，所述航空电子系统(10)包括航空电子平台(12)和用于监控所述平台(12)的电子设备(14)，所述电子设备连接至所述平台(12)，

其特征在于，所述平台(12)为根据权利要求12所述的平台。

14.一种用于在屏幕(20)上显示像素的方法，所述方法由图形处理器(18)实现并且包括：

生成(100)要显示的至少一个像素集；

在所述屏幕(20)上显示(150)每个像素集；

其特征在于，还包括：

监视(120)所述每个像素集，确定至少一个像素的图形环境信息项列表，以及将所述图形环境信息项列表传送至外部电子监控设备(14)，所述外部电子监控设备能够连接至所述图形处理器(18)。

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