当今的移动和消费设备都具有复杂的图形用户界面，而且很多还集成了游戏功能。这导致越来越高的性能和功能要求，同时要求更低的成本和功耗。来自ARM公司的ARM Mali系列图形IP核专门设计用于满足移动设备中高性能二维(2D)和三维(3D)图形的市场需求。ARM Mali产品通过那些服务于移动电话和PDA制造商、移动游戏机供应商和汽车行业的信息娱乐系统制造商的系统集成商和SoC供应商集成到终端用户设备中；而所有这些领域都需要成熟的图形功能。

      Mali200像素处理器和MaliGP2几何处理器

      最新的ARM Mali图形解决方案由ARM Mali200像素处理器和MaliGP2可编程几何处理器组成。它们共同组成了一个完整的OpenGL ES2.0可编程图形解决方案。

      一直以来，3D图形加速器都需要非常高的存储器带宽。Mali系列通过使用小片渲染方案来最小化存储器带宽。小片渲染也称为延迟渲染，因为渲染被延迟到多边形(三角形)的一个完整帧准备好渲染才开始。小片方案将屏幕划分成若干小片，一次一个小片地渲染到片上的小片存储器，这意味着采用传统渲染器时许多需要片外实现的存储器访问在使用Mali核时可以保持在片上实现。由于片外存储器读取比片上存储器读取需要的功耗高一个数量级，因此这样做有助于降低功耗，对于要求长电池寿命的移动设备来说这是很关键的。

      小片渲染方法的一个缺点是成本，与简单的“直接模式”渲染器相比，增加的复杂性将导致更高的逻辑门数，并导致更大的硅片面积和更高的成本。Mali系列使用小片渲染和传统的“直接模式”渲染结合的独特方式，因此能同时实现存储器带宽和成本/面积的最小化，并使Mali内核远小于竞争性的移动小片渲染器。

      Mali系列是由Mali55、新的Mali200和MaliGP2组成，前者实现了OpenGL ES 1.1固定功能渲染API，而Mali200和MaliGP2一起实现了OpenGL ES 1.1 API和OpenGL ES 2.0可编程API。OpenGL ES 2.0 API通过一个可替代OpenGL EX1.1中固定功能管线的可编程渲染管线提供显著的灵活性和高质量。因此只需很少量的多边形就可实现很高的质量，从而不仅最小化了存储器带宽，而且最大化了图形质量。

      Mali55内核可以从前向光栅实现OpenGL ES 1.1管线。Mali200也是从前向光栅实现OpenGL ES 2.0管线级。MaliGP2则实现了图形管线的Vertex Shader部分。就像OpenGL ES一样，Mali内核还能实现其它的API，例如微软的DirectX Mobile。

图1：OpenGL ES 1.x固定功能流水线示意图。

图2：利用全屏抗锯齿功能提高图像质量。

      图像质量、系统集成和数据流

      为了充分利用移动电话、PDA和移动GPS设备的小型显示器，Mali内核提供了全屏反锯齿(FSAA)功能。FSAA可以减少锯齿状图形，从而改善图像质量。Mali内核使用了一种正在申请专利的技术，这种技术能实现4倍的反锯齿效果，而对存储器带宽以及帧速率几乎没有影响，尽管可以实现16倍的反锯齿，但是会在一定程度上增加带宽并降低帧速率。

      Mali图形内核针对统一存储器架构进行了优化，在这种架构中，单个存储器子系统可在主处理器和图形加速器之间共享。Mali内核的主系统接口是AMBA 3 AX主机接口。AMBA 2 APB接口用于编程片上寄存器。对Mali寄存器的访问量很少，因为每个帧的全部图形处理命令集中在存储器内，最多只有存储器中的命令基地址需要重新编程到寄存器内。

      需要显示的图形对象被分割成许多列三角形，这些三角形由三个用X、Y和Z空间坐标给出的顶点组成。针对MaliGP2的顶点和命令由ARM处理器写入到存储器中。MaliGP2对命令和顶点进行处理，将处理后的顶点写回到主存储器中(在Mali55中，这是由优化的软件来处理的)。然后由Mali200对三角形进行光栅化处理-从主存储器中读取顶点和命令，一次对一个小片进行渲染。经光栅化处理(或渲染过)的小片被写入到存储器中，然后由LCD或VGA控制器读取和显示。因为Mali内核具有延迟渲染特点，因此在ARM内核和MaliGP2之间以及在MaliGP和Mali200之间的管线是以一个帧为基础-产生一个完整的数据帧，并存储到管线流中每个器件之间的主存储器中。

      与竞争方案相比，Mali图形内核需要较小的存储器带宽，但是存储器系统带宽依然很重要。Mali内核设计成与主处理器共享SDRAM。当前的SDRAM器件具有较高的时钟速度以及较高的理论最大带宽，但是延迟时间较长。Mali内核设计成与SDRAM一起工作。来自Mali内核的事务大多数是4个字或8个字串。3D图形引擎不同于通用的处理器，各个存储器访问之间几乎没有依赖性。在前一个像素的数据返回之前，可以开始另外一个像素的存储器事务，因为它们之间没有依赖性。这样，3D内核可以发起多个未结束的事务。ARM AMBA 3 AXI非常适合于图形内核，因为它支持多个未结束的事务。

      SDRAM和PL111彩色LCD/VGA控制器

      ARM PrimeCell PL340 SDRAM控制器支持SDR和DDR存储器，包括移动和低功耗类产品，这些产品分别具有时钟速度高达166MHz的16、32和64比特的总线。典型的移动设备需要使用16比特或32比特、时钟速度在200和166MHz之间(200到333MHz数据率)的移动型DDR。对于更高性能的系统，ARM PrimeCell PL341 DDRⅡ SDRAM控制器可以支持时钟速率高达400MHz(800MHz数据速率)的DDRⅡ。为使方案更加完善，ARM(由其Artisan物理IP部门)还提供DDR和DDRⅡ板以及实现完整DDR物理接口(PHY)所需的PLL和DLL。

      Mali渲染引擎(Mali200和Mali55)对即将由LCD或视频控制器显示的图形进行渲染，并存储到存储器的帧缓存中。ARM PrimeCell PL111彩色LCD控制器支持高达1,024×1,024分辨率的监视器或LCD平面显示器。除了有源TFT LCD外，它还支持老式的单面板或双面板STN LCD显示器。

      软件驱动程序

      与Mali内核一起提供的还有针对OpenGL ES2.0、OpenGL ES1.1(为了兼容固定功能API)和OpenVG矢量图形API的驱动程序。获得许可的人可以收到他们所选操作系统(Linux、Symbian或Windows Mobile)的驱动程序，也可以获得针对其它操作系统的驱动程序组(需要另外付费)。除了OpenGL ES外，DirectX Mobile API也将在微软的Windows Mobile上得到支持。

      本文小结

      ARM Mali产品为当前的移动手持设备提供了完整二维和三维图形以及视频解决方案的基础。低存储器带宽使得Mali解决方案非常适合移动设备使用。但是完整的图形解决方案光靠一个3D内核是不够的，ARM提供了一个完整的系统解决方案：软件驱动程序、在上面运行软件的处理器、AMBA 3 AXI互联架构、高吞吐量SDRAM控制器以及LCD/VGA视频控制器。这些产品综合在一起为当今的高级移动设备和嵌入式设备提供了一个完整的低功耗高性能的2D和3D图形解决方案。